2022年中国研究生数学建模竞赛E题-草原放牧策略研究
一、背景介紹
草原作為世界上分布最廣的重要的陸地植被類型之一,分布面積廣泛。中國的草原面積為3.55億公頃,是世界草原總面積的6%~8%,居世界第二。此外,草原在維護生物多樣性、涵養(yǎng)水土、凈化空氣、固碳、調(diào)節(jié)水土流失和沙塵暴等方面具有重要的生態(tài)功能。自2003 年黨中央、國務院實施“退牧還草”政策以來,在保護和改善草原生態(tài)環(huán)境、改善民生方面取得了顯著成效。“退牧還草”并不是禁止放牧,除了部分區(qū)域禁牧外,很多草原實行劃區(qū)輪牧以及生長季休牧。合理的放牧政策是帶動區(qū)域經(jīng)濟、防止草原沙漠化及保障民生的關鍵,放牧優(yōu)化問題的研究也為國家、政府制定放牧政策和草原管理決策提供科學的依據(jù)。
中國草原主要分為溫帶草原、高寒草原和荒漠草原等類型。內(nèi)蒙古錫林郭勒草原是溫帶草原中具有代表性和典型性的草原,是中國四大草原之一,位于內(nèi)蒙古高原錫林河流,地理坐標介于東經(jīng) 110°50′~119°58′,北緯41°30′~46°45′之間,年均降水量340mm。內(nèi)蒙古錫林郭勒草原不僅是國家重要的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地,同時也是重要的綠色生態(tài)屏障,在減少沙塵暴和惡劣天氣的發(fā)生方面發(fā)揮著作用,也是研究生態(tài)系統(tǒng)對人類干擾和全球氣候變化響應機制的典型區(qū)域之一和國際地圈—生物圈計劃(IGBP)陸地樣帶—中國東北陸地生態(tài)系統(tǒng)樣帶(NECT)的重要組成部分。
關于草原放牧通常要考慮放牧方式和放牧強度(單位面積牲畜密度)2個因素。放牧方式可以分為多種,有文獻將放牧方式分為以下五種,分別為:全年連續(xù)放牧、禁牧、選擇劃區(qū)輪牧、輕度放牧、生長季休牧。放牧強度可以分為四種,分別為:對照、輕度放牧強度、中度放牧強度、重度放牧強度。附件14、15中數(shù)據(jù)將選擇劃區(qū)輪牧的放牧強度分為:對照(NG,?0羊/天/公頃?)、輕度放牧強度(LGI,?2羊/天/公頃?)、中度放牧強度(MGI,4羊/天/公頃?)和重度放牧強度(HGI,8羊/天/公頃?)。實際中,也可以做如下的劃分:對照(NG,?0羊/天/公頃?)、輕度放牧強度(LGI,?1-2羊/天/公頃?)、中度放牧強度(MGI,3 -4羊/天/公頃?)和重度放牧強度(HGI,5-8羊天/公頃?)。
植物的生長滿足自身的生長規(guī)律,同時受到周圍環(huán)境的影響。例如,降水、溫度、土壤濕度、土壤PH、營養(yǎng)等都決定植物的生長情況。當牧羊(家畜日食量為1.8kg,即標準羊單位,也包括羊羔。大牲畜折算系數(shù)6.0,比如牛、馬、駱駝,大牲畜幼崽折算系數(shù)3.0 )對植物進行采食時,一方面植物的地上生物量減少;另一方面,放牧對植物有刺激作用,改變了植物原有的生長速率,適當?shù)姆拍習碳ぶ参锏某a償生長,同樣不合理的放牧也會降低植物的生長速率。?
過度放牧,往往因牲畜密度過大,可能導致草原植被結(jié)構(gòu)破壞,土壤裸露面積增大,促進了土壤表面的蒸發(fā),土體內(nèi)水分相對運動受到不利影響,破壞了土壤積鹽與脫鹽平衡,增加了鹽分在土壤表面的積累,土壤鹽堿化程度加重。最終造成草場退化、土地沙漠化。
適度的放牧可以改善草原土壤質(zhì)量、提高草原生物的多樣性。一方面由于家畜的采食踐踏造成枯落物分解,充分進入土壤,從而提高土壤有機質(zhì)和氮和鉀含量,減少土壤的板結(jié)。另一方面放牧能夠降低表層土壤濕度、PH,一定程度增加土壤容重。土壤氮、磷、鉀的含量及比例是土壤有機質(zhì)組成和質(zhì)量程度的重要指標。磷元素含量多少會影響土壤中凋落物的分解速率、微生物數(shù)量及活性以及有機碳和養(yǎng)分的積累。鉀元素能夠促進植物生理代謝,增強抗逆性,并促進植物對氮素營養(yǎng)的吸收和利用。土壤全氮含量隨著放牧強度的增加而降低。有研究表明:高寒草甸的土壤全氮含量沿著放牧梯度呈下降趨勢。因此,為了保證土壤達到合適的狀態(tài),找到放牧羊(標準羊)數(shù)量的閾值是問題的關鍵。
土壤沙漠化又被稱為沙質(zhì)沙漠化,是荒漠化的一種主要表現(xiàn)類型。沙漠化是在干旱、半干旱和部分半濕潤地區(qū)的沙物質(zhì)基礎和干旱大風動力條件下,由于自然因素或人為活動的影響,致使自然的生態(tài)系統(tǒng)平衡性遭到破壞,出現(xiàn)了以風沙活動為主要標志,并逐漸形成風蝕、風積地貌景觀的環(huán)境退化過程,使原來沒有沙漠景觀的地區(qū)出現(xiàn)了類似沙漠景觀的環(huán)境變化。所謂土壤板結(jié)化是指土壤打破了原有結(jié)構(gòu),表層的有機質(zhì)遭到嚴重破壞而造成的,土壤板結(jié)原因很多,比如土壤貧瘠、容重過大、土壤質(zhì)地太粘以及有機肥嚴重不足等。
沙漠化程度指數(shù)(SM)是從數(shù)學的范疇去界定沙漠化程度,采用一定的分級標準使得其與沙漠化程度相對應。把沙漠化程度劃分為五類:非沙漠化、輕度沙漠化、中度沙漠化、重度沙漠化和極重度沙漠化,SM 采用 0~1 標度法。
表1 ?沙漠化程度及沙漠化程度指數(shù)劃分標準
| 劃分內(nèi)容 | 劃分類型 | ||||
| 沙漠化程度 | 非沙漠化 | 輕度沙漠化 | 中度沙漠化 | 重度沙漠化 | 極重度沙漠化 |
| 沙漠化程度指數(shù) | [0,0.20] | (0.20,0.40] | (0.40,0.60] | (0.60,0.80] | (0.80,1.00] |
沙漠化程度指數(shù)預測模型表達式[2]:
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?????公式具體含義及其符號說明見文后擴展閱讀。
土壤板結(jié)化與土壤有機物、土壤濕度和土壤的容重有關,目前還沒有明確的定量表達式,其數(shù)學模型可定性描述為如下:
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?
土壤濕度w越少,容重越大,有機物含量越低,土壤板結(jié)化程度越嚴重。
土壤化學性質(zhì)和物理性質(zhì)是影響土壤肥力重要因素,土壤化學性質(zhì)包括:土壤有機碳SOC、土壤無機碳SIC、土壤全碳STC、全N、土壤C/N比等;土壤物理性質(zhì)包括:土壤濕度、土壤容重等。一般來說,在保持土壤化學性質(zhì)等基本不變情況下,降水會增加土壤濕度,而土壤濕度增加會提高草場植被覆蓋率,在良好的植被覆蓋情況下可以適當提高放牧強度,在一定區(qū)域內(nèi),放牧強度越高意味著更多的放牧數(shù)量,在不考慮放牧補貼和價格波動情況下,更多放牧數(shù)量代表更高的放牧收益。
現(xiàn)代草地資源的經(jīng)營應遵循可持續(xù)發(fā)展原則,在保證生態(tài)環(huán)境良性健康發(fā)展中尋求經(jīng)濟利益的最大化。美國著名生態(tài)經(jīng)濟學家赫爾曼·E·戴利給可持續(xù)發(fā)展的定義是:“可持續(xù)發(fā)展是經(jīng)濟規(guī)模增長沒有超越生物環(huán)境承載能力的發(fā)展”。 其理念是“可持續(xù)發(fā)展的整個理念就是經(jīng)濟子系統(tǒng)的增長規(guī)模絕對不能超越生態(tài)系統(tǒng)可以永遠持續(xù)或支撐的容納范圍”。在草原區(qū)域系統(tǒng)中,承載力是評價可持續(xù)發(fā)展的一種工具。在《遠東英漢大辭典》中,承載力被定義為“某一自然環(huán)境所能容納的生物數(shù)目(指最高限度)”。區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)承載力和可持續(xù)發(fā)展是相輔相成的兩個概念。
二、需解決問題:
請你根據(jù)附件數(shù)據(jù)以及收集有關草原數(shù)據(jù)(土壤容重、土壤PH等),由于歷史原因,數(shù)據(jù)雖然并不充分,實際問題仍然需要解決。請通過數(shù)學建模完成下列問題:
問題1.?從機理分析的角度,建立不同放牧策略(放牧方式和放牧強度)對錫林郭勒草原土壤物理性質(zhì)(主要是土壤濕度)和植被生物量影響的數(shù)學模型。
問題2.?請根據(jù)附件3土壤濕度數(shù)據(jù)、附件4土壤蒸發(fā)數(shù)據(jù)以及附件8中降水等數(shù)據(jù),建立模型對保持目前放牧策略不變情況下對2022年、2023年不同深度土壤濕度進行預測,并完成下表。
| 年份 | 月份 | 10cm濕度(kg/m2) | 40cm濕度(kg/m2) | 100cm濕度(kg/m2) | 200cm濕度(kg/m2) |
| 2022 | 04 | ||||
| 05 | |||||
| 06 | |||||
| 07 | |||||
| 08 | |||||
| 09 | |||||
| 10 | |||||
| 11 | |||||
| 12 | |||||
| 2023 | 01 | ||||
| 02 | |||||
| 03 | |||||
| 04 | |||||
| 05 | |||||
| 06 | |||||
| 07 | |||||
| 08 | |||||
| 09 | |||||
| 10 | |||||
| 11 | |||||
| 12 |
問題3.從機理分析的角度,建立不同放牧策略(放牧方式和放牧強度)對錫林郭勒草原土壤化學性質(zhì)影響的數(shù)學模型。并請結(jié)合附件14中數(shù)據(jù)預測錫林郭勒草原監(jiān)測樣地(12個放牧小區(qū))在不同放牧強度下2022年土壤同期有機碳、無機碳、全N、土壤C/N比等值,并完成下表。
| 放牧 強度 | Plot 放牧小區(qū) | SOC 土壤有機碳 | SIC 土壤無機碳 | STC 土壤全碳 | 全N | 土壤C/N比 |
| NG | G17 | |||||
| G19 | ||||||
| G21 | ||||||
| LGI | G6 | |||||
| G12 | ||||||
| G18 | ||||||
| MGI | G8 | |||||
| G11 | ||||||
| G16 | ||||||
| HGI | G9 | |||||
| G13 | ||||||
| G20 |
問題4、利用沙漠化程度指數(shù)預測模型和附件提供數(shù)據(jù)(包括自己收集的數(shù)據(jù))確定不同放牧強度下監(jiān)測點的沙漠化程度指數(shù)值。并請嘗試給出定量的土壤板結(jié)化定義,在建立合理的土壤板結(jié)化模型基礎上結(jié)合問題3,給出放牧策略模型,使得沙漠化程度指數(shù)與板結(jié)化程度最小。
問題5、錫林郭勒草原近10的年降水量(包含降雪)通常在300 mm?~1200 mm之間,請在給定的降水量(300mm,600mm、900 mm 和1200mm)情形下,在保持草原可持續(xù)發(fā)展情況下對實驗草場內(nèi)(附件14、15)放牧羊的數(shù)量進行求解,找到最大閾值。(注:這里計算結(jié)果可以不是正整數(shù))
問題6、在保持附件13的示范牧戶放牧策略不變和問題4中得到的放牧方案兩種情況下,用圖示或者動態(tài)演示方式分別預測示范區(qū)2023年9月土地狀態(tài)(比如土壤肥力變化、土壤濕度、植被覆蓋等)。
三、內(nèi)蒙古錫林郭勒草原數(shù)據(jù)及其說明
附件1、2分別為內(nèi)蒙古錫林郭勒草原概況和錫林郭勒統(tǒng)計年鑒(2016-2021)。錫林郭勒草原的土壤、氣候等基本數(shù)據(jù)(附件3-11等)均有專門機構(gòu)進行監(jiān)測并提供,附件3-11為保持目前放牧策略下土壤濕度、土壤蒸發(fā)、植被指數(shù)NDVI等數(shù)據(jù)。此外,近年來,科研工作者在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟草原上選取代表性草場進行了大量的實驗,采集了不同牧戶生態(tài)畜牧業(yè)模式群落樣方調(diào)查數(shù)據(jù)(附件12)以及不同示范牧戶牲畜數(shù)量調(diào)查數(shù)據(jù)(附件13);不同放牧強度土壤碳氮監(jiān)測數(shù)據(jù)(附件14)、輪牧放牧樣地群落結(jié)構(gòu)監(jiān)測(附件15)數(shù)據(jù)、其中,附件12和附件13是具體的放牧情況。附件14和附件15均是選取實驗草場12個放牧小區(qū)(附表中plot與block同義)采集在不同放牧強度下相應的數(shù)據(jù)。
附件13《內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟不同示范牧戶牲畜數(shù)量調(diào)查數(shù)據(jù)集》為這4類不同示范牧戶牲畜(2018年7月28日-2020年9月30日)數(shù)量調(diào)查數(shù)據(jù)集,采取放牧策略基本上為生長季休牧,比較客觀的反映了目前放牧情況。附件15《內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟典型草原輪牧放牧樣地群落結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)集》是分別在12個放牧小區(qū)取樣,每個小區(qū)統(tǒng)一按照最初設置的取樣帶采集5個1mX lm的樣方進行試驗。試驗設計采用隨機區(qū)組方式,將每個放牧強度設置3個重復。放牧實驗從2012年開始,每年輪放4期,放牧樣地實驗設計見如下。
樣品采集:每一期放牧結(jié)束后,分別在12個放牧小區(qū)取樣,每個小區(qū)統(tǒng)一按照最初設置的取樣帶采集5個1mX lm的樣方。調(diào)查信息包括:樣方的編碼、經(jīng)度、緯度、調(diào)查日期、采樣地海拔(m)、物種中文名、植物拉丁學名、營養(yǎng)枝高度?(cm)、生殖枝高度?(cm)、植物個數(shù)(株)、植物鮮重(g)、植物干重(g)、植物干重之和(g)、植物冠幅?。
采用收割法齊地面收割地上植物部分,收集到的植物同天晚上稱取鮮重后,置于65℃的鼓風烘箱中,24小時后,稱取干重,即為植物地上生物量。
附件1:內(nèi)蒙古錫林郭勒草原概況
附件2:錫林郭勒統(tǒng)計年鑒(2016-2021)
附件3:土壤濕度(2012-2022)
附件4:土壤蒸發(fā)(2012-2022)
附件5:綠植覆蓋率(2020-2022)
附件6:植被指數(shù)NDVI(2012-2022)
附件7:土壤基本數(shù)據(jù)
附件8:錫林郭勒盟氣象數(shù)據(jù)(2012-2022)
附件9:徑流量(2012-2022)
附件10:葉面積指數(shù)LAI(2012-2022)
附件11:一些歷史數(shù)據(jù)(2005-2008)
附件12:內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟不同牧戶生態(tài)畜牧業(yè)模式群落樣方調(diào)查數(shù)據(jù)集(2018年7月-2020年9月)
附件13:內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟不同示范牧戶牲畜數(shù)量調(diào)查數(shù)據(jù)集(2018年7月-2020年9月)
附件14:內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟典型草原不同放牧強度土壤碳氮監(jiān)測數(shù)據(jù)集(2012年8月15日-2020年8月15日)。
附件15:內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟典型草原輪牧放牧樣地群落結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)集(2016年6月-2020年9月)。
補充數(shù)據(jù)來源(不限于):
1、國家冰川凍土沙漠科學數(shù)據(jù)中心(http:// http://www.ncdc.ac.cn/portal/metadata/)
2、美國地質(zhì)調(diào)查局(Find Data - LAADS DAAC)
3、中國科學院生態(tài)學學科數(shù)據(jù)中心
http://www.nesdc.org.cn/sdo/detail?id=609de9c07e28176b33e8743d
4、wheatA小麥芽-農(nóng)業(yè)氣象大數(shù)據(jù)系統(tǒng)(v1.5.1)軟件
四、名詞解釋:
土壤含水量(與土壤濕度本質(zhì)相同,只是表現(xiàn)方法上有所不同):一般是指土壤絕對含水量,即100g烘干土中含有若干克水分,?也稱土壤含水率。測定土壤含水量可掌握作物對水的需要情況,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有很重要的指導意義。土壤含水量的影響因素:氣象因素(主要是降水)、土壤特征(孔隙度、容重、滲透性能等)、植被狀況、人為活動都可能影響土壤含水量變化。
土壤容重:應稱為干容重,又稱土壤假比重,指一定容積的土壤(包括土粒及粒間的孔隙)烘干后質(zhì)量與烘干前體積的比值。
土壤PH:亦稱“土壤pH”,土壤酸度和堿度的總稱,用以衡量土壤酸堿反應的強弱。主要由氫離子和氫氧根離子在土壤溶液中的濃度決定,以pH表示。pH在6.5--7.5之間的為中性上壤;6.5以下為酸性土壤;7.5以上為堿性土壤。
沙漠化:土壤沙漠化是指氣候變異和人類活動在內(nèi)的種種因素造成的干旱、半干旱和亞濕潤干旱地區(qū)的土地退化。也就是說,由于大風吹蝕、流水侵蝕、土壤鹽漬化等造成的土壤生產(chǎn)力下降或喪失,都可稱為沙漠化。
土壤板結(jié)化:土壤板結(jié)度增大孔隙量也隨之減少,除透氣性和透水性變壞外,還危害根系的伸展生長和分根性。
土壤PH值的影響因素:它是受母質(zhì)、生物、氣候以及人為作用等多種因素控制的。我國土壤pH由北向南漸低。華北地區(qū)堿土pH可高達10.5;而華南地區(qū)強酸土pH可低至3.6--3.8。酸堿度對植株生長的重要性,酸堿度的高低會影響植株對養(yǎng)分的吸收度。一般作物在中性或近中性土壤生長最適宜。過酸或過堿都會嚴重抑制土壤微生物的活動,從而影響氮素及其他養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和供應。土壤酸度通常與土壤養(yǎng)分的有效性之間有一定相關。如土壤磷素在pH為6時有效性最高,當介質(zhì)pH值低于或高于6時,其有效性明顯下降;土壤中鋅、銅、錳、鐵、硼等營養(yǎng)元素的有效性一般隨土壤pH值的降低而增高,但鉬則相反。
NDVI:歸一化的植被指數(shù),?-1<=NDVI<=1,負值表示地面覆蓋為水、雪等,對可見光高反射;0表示有巖石或裸土等,NIR和R近似相等;正值,表示有植被覆蓋,且隨覆蓋度增大而增大。NDVI能反映出植物冠層的背景影響,如土壤、潮濕地面、雪、枯葉、粗糙度等,且與植被覆蓋有關。
葉面積指數(shù)(leaf area index,縮寫LAI):又叫葉面積系數(shù),是指單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數(shù)。即:葉面積指數(shù)=葉片總面積/土地面積。
五、擴展閱讀:
1、放牧與植物生長之間的關系
對于放牧與植物生長之間的關系,Woodward等建立了如下一個簡單模型[7]:
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式中,w為植被生物量,s為單位面積的載畜率。
該模型只考慮放牧影響,簡單地反映了載畜率對植被生物量的作用,沒有考慮其他因素的影響,只是從某一個側(cè)面刻某一個因素對于植被生長的影響。
2、土壤含水量-降水量-地表蒸發(fā)模型
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式中,P為該牧區(qū)供水率(主要為降水);為地表蒸散發(fā)率;為土壤含水量;為土壤植被覆蓋率可表達為,為成草數(shù)量,為草原的蓋度,內(nèi)蒙古草原蓋度在0.25~0.8之間,為最大增長率,依賴于牧區(qū)草地除成草量外的環(huán)境條件(如光照、氣溫、土壤養(yǎng)分等);為枯萎率,其中為該草原群落的特征值只是一個大概的標度,引入它是使相應的無量綱量例如?中的量級為1 ,便于計算,?為有量綱系數(shù)?,其余系數(shù)則是無量綱量。
3、沙漠化程度指數(shù)預測模型表達式[2]:
表示沙漠化程度指數(shù);為調(diào)節(jié)系數(shù),用來修正模型;為模型中指標因子的個數(shù);為第個因子的因子強度;為第個因子對沙漠化程度的貢獻值,定義,為因子權(quán)重系數(shù),即因子對沙漠化程度的貢獻值等于因子強度與因子權(quán)重系數(shù)的乘積,確定主要方法是用層次分析法和主成分分析法來確定。有關因子強度、因子權(quán)重系數(shù)、沙漠化程度指數(shù)和調(diào)節(jié)系數(shù)方面詳細的介紹參見[2]. 沙漠化相關關系的指標因子可以考慮風速、降水、氣溫(三個氣象因素);植被蓋度、地表水資源、地下水位(三個地表因素);人口數(shù)量、牲畜數(shù)量、社會經(jīng)濟水平(三個人文因素)等。
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4、土壤-植被-大氣系統(tǒng)的水平衡基本方程
草原水分通過降水、入滲、蒸發(fā)等形式周而復始的循環(huán),其過程十分復雜,在無人干擾的情況下,土壤-植被-大氣系統(tǒng)的水平衡基本方程[3-6]為
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其中,為土壤貯水變化量,和分別為時間段內(nèi)的始末土壤含水量,為降水量,和分別為地下水毛管上升量和土壤水滲透量,為實際蒸發(fā)量,和分別為入和出徑流量,為植被截流量。錫林郭勒草原地勢比較平坦,降水量和降水強度較少,水分循環(huán)以垂直方向的水量交換為主,絕大部分降水被蓄積在土壤中,盡管在遇到較大降水時會產(chǎn)生局地徑流,但仍在整個草原區(qū)域內(nèi),其出入徑流可視為相等。
草地的植被直接決定放牧的強度,而植被的截流量能最好反映植被的生長能力,依照遞推關系,放牧強度與植被的截流量存在正相關關系。
植被截流量與降水量、植被覆蓋度、葉面積指數(shù)(LAI)等密切相關。植被覆蓋率是植物群落覆蓋地表狀況的一個綜合量化指標,能夠直觀反映地表植被的豐度。降水量小、植被覆蓋度高、LAI大時植被截流量大,其表達式為:
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上式中,為植被截流量(mm);為植被覆蓋率;特定植被的最大截流量(mm);為植被密度校正因子,與LAI有關;為累積降雨量(mm)。可以通過LAI來估算:
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?
式中,LAI為一個分布式的時變參數(shù)。
六、參考文獻:
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這個題目最中規(guī)中矩,不限專業(yè),如果環(huán)境的大佬選了,只能說666,估計選擇這個題目的人多,競爭較為激烈,題目種給出了比較詳細的數(shù)學模型,可以在此基礎上建模,然后就是求解的問題,這個題目的數(shù)據(jù)較多,多分工合作處理不同數(shù)據(jù)吧。
后續(xù)思路待更新
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的2022年中国研究生数学建模竞赛E题-草原放牧策略研究的全部內(nèi)容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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