Soukhovolsky V. G. Models of Critical Events in Forest Insect Populations as a First-Order Phase Transition

DOI: 10.15372/SJFS20210504

© Soukhovolsky V. G., 2021

Models of the population dynamics of forest insects are considered based on the concept of an outbreak as a first order phase transition of the.(this sentence is not complete) As objects of the studies, the population of the Siberian silkmoth in Siberia and the Far East, the population of the pine moth in Europe, the population of the gypsy moth in the Urals, and the population of the gray larch leaf worm in the Alps are considered. In this work, models fo same species of forest insects are considered, that make it possible to estimate the critical population densities and, in this regard, to propose algorithms, on the basis of which it is possible to make decisions on the implementation of protective measures. A model of the population dynamics is considered as an analog of a phase transition in physical systems to describe the dynamics of the population. An algorithm for transforming of population dynamics time series is proposed to reduce the level of errors in the course of density counting of pest populations. A state function is proposed as a characteristic of population dynamics, calculated as the reciprocal of the probability of finding a population in a state with a given population density. The functions of the state of populations with modes of outbreaks are characterized by the presence of two local minima and one local maximum - a potential barrier. A method is proposed for calculating the functions of state of populations based on data from time series of population dynamics, characteristics of state functions are described, such as local stable densities, critical and semi-critical density, susceptibility of the state function to changes in population density, and the half-width of the potential barrier. Indicators are introduced - indicators of the risk of outbreaks. Assessments of the risks of outbreaks are given for the studied species of phyllophagous insects. 

Article

---

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ (REFERENCES)

Анищенко В. С., Нейман А. Б., Мосс Ф., Шиманский-Гайер Л. Стохастический резонанс как индуцированный шумом эффект увеличения степени порядка // Успехи физических наук. 1999. Т. 169. № 1. С. 7–38 [Anishchenko V. S., Neyman A. B., Moss F., Shimanskiy-Gayer L. Stohasticheskiy rezonans kak indutsirovanny shumom effekt uvelicheniya stepeni poryadka (Stochastic resonance as a noise-induced effect of increasing the degree of order) // Uspekhi fizicheskih nauk (Adv. Phys. Sci.). 1999. V. 169. N. 1. P. 7–38 (in Russian with English abstract)].

Базыкин А. Д. Нелинейная динамика взаимодействующих популяций. М.; Ижевск: Ин-т компьютерных иссл., 2003. 368 с. [Bazykin A. D. Nelineynaya dinamika vzaimodeystvuyushchikh populyatsiy (Nonlinear dynamics of interacting populations) Moscow; Izhevsk: In-t komp'yuternykh issl. (Inst. Computer Stud.). 2003. 368 p. (in Russian)].

Братусь А. С., Новожилов А. С., Платонов А. П. Динамические системы и модели в биологии. М.: Физматлит, 2010. 400 с. [Bratus' A. S., Novozhilov A. S., Platonov A. P. Dinamicheskie sistemy i modeli v biologii (Dynamical systems and models in biology). Moscow: Fizmatlit, 2010. 400 p. (in Russian)].

Брус А., Каули Р. Структурные фазовые переходы. М.: Мир, 1984. 408 с. [Brus A., Kauli R. Strukturnye fazovye perekhody (Structural phase transitions). Moscow: Mir, 1984. 408 p. (in Russian)].

Ван Кемпен Н. Г. Стохастические процессы в физике и химии. М.: Высш. школа, 1990. 375 с. [Van Kempen N. G. Stokhasticheskie protsessy v fizike i khimii (Stochastic processes in physics and chemistry). Moscow: Vysshaya shkola, 1990. 375 p. (in Russian)].

Вольтера В. Математическая теория борьбы за существование. М: Наука, 1976. 288 с. [Vol'tera V. Matematicheskaya teoriya bor'by za sushchestvovanie (Mathematical theory of the fighting for existence). Moscow: Nauka (Science), 1976. 288 p. (in Russian)].

Гиммельфарб А. А., Гинзбург Л. Р., Полуэктов Р. А., Пых Ю. А., Ратнер В. А. Динамическая теория биологических популяций. М.: Наука, 1974. 456 с. [Gimmel'farb A. A., Ginzburg L. R., Poluektov R. A., Pyh Yu. A., Ratner V. A. Dinamicheskaya teoriya biologicheskikh populyatsiy (Dynamic theory of biological populations). Moscow: Nauka (Science), 1974. 456 p. (in Russian)].

Исаев А. С., Хлебопрос Р. Г. Принцип стабильности в динамике численности лесных насекомых // Докл. АН СССР. 1973. Т. 208. Вып. 1. С. 225–228 [Isaev A. S., Khlebopros R. G. Princip stabil'nosti v dinamike chislennosti lesnykh nasekomyh (The principle of stability in the dynamics of the forest insects) // Dokl. AN SSSR (Proc. USSR Acad. Sci.). 1973. V. 208. N. 1. P. 225–228 (in Russian with English abstract)].

Исаев А. С., Хлебопрос Р. Г., Кондаков Ю. П., Недорезов Л. В., Киселев В. В., Суховольский В. Г. Популяционная динамика лесных насекомых М.: Наука, 2001. 374 с. [Isaev A. S., Khlebopros R. G., Kondakov Yu. P., Nedorezov L. V., Kiselev V. V., Sukhovolsky V. G. Populyatsionnaya dinamika lesnykh nasekomyh (Population dynamics of forest insects). Moscow: Nauka (Science), 2001. 374 p. (in Russian)].

Исаев А. С., Овчинникова Т. М., Пальникова Е. Н., Суховольский В. Г., Тарасова О. В., Хлебопрос Р. Г. Динамика численности и устойчивость популяций лесных насекомых на низком уровне плотности // Лесоведение. 2014. № 4. С. 3–11 [Isaev A. S., Ovchinnikova T. M., Pal'nikova E. N., Sukhovolsky V. G., Tarasova O. V., Khlebopros R. G. Dinamika chislennosti i ustoychivost' populyatsiy lesnykh nasekomyh na nizkom urovne plotnosti (Population dynamics and stability of forest insect populations at a low density level) // Lesovedenie (For. Sci.). 2014. 2014. N. 4. P. 3–11 (in Russian with English abstract)].

Исаев А. С., Пальникова Е. Н., Суховольский В. Г., Тарасова О. В. Динамика численности лесных насекомых-филлофагов: модели и прогнозы. М.: Тов-во науч. изд. КМК, 2015. 262 с. [Isaev A. S., Pal'nikova E. N., Sukhovolsky V. G., Tarasova O. V. Dinamika chislennosti lesnykh nasekomyh-fillofagov: modeli i prognozy (Dynamics of the forest phyllophagous insects: models and forecasts). Moscow: Tov-vo nauch. izd. KMK, 2015. 262 p. (in Russian)].

Кондаков Ю. П. Закономерности массовых размножений сибирского шелкопряда. В кн.: Экология популяций лесных животных Сибири. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1974. С. 206–265 [Kondakov Yu. P. Zakonomernosti massovykh razmnozheniy sibirskogo shelkopryada (Regularities of outbreaks of the Siberian silk moth). In: Ekologiya populyatsiy lesnykh zhivotnykh Sibiri. Novosibirsk: Nauka (Science). Sib. Br., 1974. P. 206–265 (in Russian)].

Ландау Л. Д. К теории фазовых переходов // Журн. эксп. теор. физ. 1937. Т. 7. С. 19–32 [Landau L. D. K teorii fazovykh perekhodov (To the theory of phase transitions) // Zhurn. eksp. teor. fiz. (J. Exp. Theor. Phys.). 1937. V. 7. P. 19–32 (in Russian)].

Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. М.: Физматлит, 2002. 616 с. [Landau L. D., Lifshits E. M. Statisticheskaya fizika (Statistical physics) Moscow: Fizmatlit, 2002. 616 p. (in Russian)].

Недорезов Л. В. Моделирование вспышек массового размножения насекомых. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1986. 125 с. [Nedorezov L. V. Modelirovanie vspyshek massovogo razmnozheniya nasekomykh (Simulation of insect outbreaks). Novosibirsk: Nauka. Sib. Br., 1986. 125 p. (in Russan)].

Подкорытова О. А., Соколов М. В. Анализ временных рядов. М.: Юрайт, 2016. 266 с. [Podkorytova O. A., Sokolov M. V. Analiz vremennykh ryadov (Time series analysis) Moscow: Yurayt, 2016. 266 p. (in Russian)].

Свирежев Ю. М., Елизаров Е. Я. Математическое моделирование биологических систем. М.: Наука, 1972. 158 с. [Svirezhev Yu. M., Elizarov E. Ya. Matematicheskoe modelirovanie biologicheskikh system (The mathematical modeling of biological systems) Moscow: Nauka (Sciene), 1972. 158 p. (in Russian)].

Свирежев Ю. М., Логофет Д. О. Устойчивость биологических сообществ. М.: Наука, 1978. 352 с. [Svirezhev Yu. M., Logofet D. O. Ustoychivost' biologicheskikh soobshchestv (The stability of biological communities). Moscow: Nauka, 1978. 352 p. (in Russian)].

Суховольский В. Г., Пономарев В. И., Соколов Г. И., Тарасова О. В., Красноперова П. А. Непарный шелкопряд Lymantria dispar L. на Южном Урале: особенности популяционной динамики и моделирование // Журн. общ. биол. 2015. Т. 76. № 3. С. 179–194 [Soukhovolsky V. G., Ponomarev V. I., Sokolov G. I., Tarasova O. V., Krasnoperova P. A. Neparny shelkopryad Lymantria dispar L. na Yuzhnom Urale: osobennosti populyatsionnoy dinamiki i modelirovanie (Gypsy moth Lymantria dispar L. in the southern Urals: Patterns in population dynamics and modeling) // Zhurn. obshch. biol. (J. Gen. Biol.). 2015. V. 76. N. 3. P. 179–194 (in Russian with English abstract)].

Суховольский В. Г., Тарасова О. В., Ковалев А. В. Моделирование критических явлений в популяциях лесных насекомых // Журн. общ. биол. 2020. Т. 81. № 5. С. 374–386 [Soukhovolsky V. G., Tarasova O. V., Kovalev A. V. Modelirovanie kriticheskikh yavleniy v populyatsiyakh lesnykh nasekomykh (Modeling critical events in forest insects populations) // Zhurn. obshch. biol. (J. Gen. Biol.). 2020. V. 81. N. 5. P. 374–386 (in Russian with English abstract)].

Уильямсон М. Анализ биологических популяций. М.: Мир, 1975. 272 с. [Williamson M. Analiz biologicheskikh populyatsiy (Analysis of biological populations) Moscow: Mir, 1975. 272 p. (in Russian)].

Фрисман Е. Я., Жданова О. Л., Кулаков М. П., Неверова Г. П., Ревуцкая О. Л. Математическое моделирование популяционной динамики на основе рекуррентных уравнений: результаты и перспективы. Ч. I. // Изв. РАН. Сер. биол. 2021. № 1. С. 3–18 [Frisman E. Yа., Zhdanova O. L., Kulakov M. P., Neverova G. P., Revutskaya O. L. Matematicheskoe modelirovanie populyatsionnoy dinamiki na osnove rekurrentnykh uravneniy: rezul'taty i perspektivy. Ch. I. (Mathematical modeling of population dynamics based on recurrent equations: results and prospects. Part I) // Izv. RAN. Ser. Biol. (Proc. Rus. Acad. Sci. Ser. Biol.). 2021. N. 1. P. 3–18 (in Russian with English abstract)].

Хемминг Р. В. Цифровые фильтры. М.: Недра, 1987. 221 с. [Hemming R. V. Tsifrovye fil'try (Digital filters). Moscow: Nedra, 1987. 221 p. (in Russain)].

Эпова В. И., Плешанов А. С. Зоны вредоносности насекомых-филлофагов Азиатской России. Наука. Сиб. изд. фирма РАН, 1995. 147 с. [Epova V. I., Pleshanov A. S. Zony vredonosnosti nasekomykh-fillofagov Aziatskoy Rossii (Zones of severity of phyllophagous insects in Asian Russia) Nauka. Sib. izd. firma RAN, 1995. 147 p. (in Russian)].

Юрченко Г. И., Турова Г. И. Сибирский и белополосый шелкопряды на Дальнем Востоке. Хабаровск: ДальНИИЛХ, 2007. 98 с. [Yurchenko G. I., Turova G. I. Sibirskiy i belopolosy shelkopryady na Dal'nem Vostoke (Siberian and white-striped silkworms in the Far East). Khabarovsk: Dal’NIILKH (Far East For. Res. Inst.), 2007. 98 p. (in Russian)].

Baltensweiler W., Benz G., Bovey P., Delucchi V. Dynamics of larch bud moth populations // Ann. Rev. Entomol. 1977. V. 22. P. 79–100.

Baltensweiler W., Fischlin A. The larch budmoth in the Alps. In: Berryman A. A. (Ed.) Dynamics of forest insect populations: Patterns, causes, implications. Boston, MA: Springer, 1988. P. 331–351.

Berryman A. A. (Ed.). Dynamics of forest insect populations: Patterns, causes, implications Boston, MA: Springer, 1988. 604 p.

Frisman E. Yа., Zhdanova O. L., Kulakov M. P., Neverova G. P., Revutskaya O. L. Mathematical modeling of population dynamics based on recurrent equations: results and prospects. Part I) // Biol. Bull. Rev. 2021. V. 48. Iss. 1. P. 1–15 (Original Rus. Text © E. Yа. Frisman, O. L. Zhdanova, M. P. Kulakov, G. P. Neverova, O. L. Revutskaya, 2021, publ. in Izv. RAN. Ser. Biol. 2021. N. 1. P. 3–18)].

Ginzburg L., Colyvan M. Ecological orbits: How planets move and populations grow. Oxford and New York: Oxford Univ. Press, 2004. 166 p.

Isaev A. S., Soukhovolsky V. G., Tarasova O. V., Palnikova E. N., Kovalev A. V. Forest insect population dynamics, outbreaks and global warming effects. New York: Wiley, 2017. 304 p.

Kononov A., Ustyantsev K., Wang B., Mastro V. C., Fet V., Blinov A. Baranchikov Yu. Genetic diversity among eight Dendrolimus species in Eurasia (Lepidoptera: Lasiocampidae) inferred from mitochondrial COI and COII, and nuclear ITS2 markers // BMC Genet. 2016. V. 17 (Suppl. 3). P. 157.

Mikkola K., Ståhls G. Morphological and molecular taxonomy of Dendrolimus sibiricus Chetverikov stat. rev. and allied lappet moths (Lepidoptera: Lasiocampidae), with description of a new species // Entomol. Fenn., 2008. V. 19. N. 2. P. 65–85.

Schwerdtfeger F. Ökologie der Tiere. Band II. Demokoloģie, Struktur und Dynamik tierischer Populationen. Hamburg, Berlin: Verl. Paul Parey, 1968. 448 p.

Soukhovolsky V. G., Ponomarev V. I., Sokolov G. I., Tarasova O. V., Krasnoperova P. A. Gypsy moth Lymantria dispar L. in the southern Urals: Patterns in population dynamics and modeling // Biol. Bull. Rev. 2016. V. 6. Iss. 1. P. 57–69 (Original Rus. Text © V. G. Soukhovolsky, V. I. Ponomarev, G. I. Sokolov, O. V. Tarasova, P. A. Krasnoperova, 2015, publ. in Zhurn. obshch. biol. 2015. V. 76. N. 3. P. 179–194].

Turchin P. Complex population dynamics: A theoretical/empirical synthesis. Princeton: Princeton Univ. Press, 2003. 472 p.