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干旱半干旱区域植被演化动力学建模及时空复杂性研究

薛强  
【摘要】:近几十年来,在全球变暖和人类活动因素的共同影响下,干旱半干旱区域的植被退化、水土流失以及土地荒漠化现象越来越严重,这些现象已经对人类生存和生态环境可持续发展构成了严重威胁。因此,对于地表植被的恢复及保护就显得十分重要且迫切。植被斑图不仅能刻画植被在不同时空中的结构分布,还能预警土地荒漠化。众多学者已经投身研究干旱半干旱区域植被斑图动力学。目前植被斑图动力学建模方面的研究主要集中在考虑植被和水资源的局部效应,聚集在解的适定性、行波解、局部解和整体解等方面并且由于气候要素真实数据获取的困难,结合真实数据研究植被时空复杂性研究尚在起步阶段。然而,植被对于水资源的吸收并非简单的局部过程,因此本文使用具有非局部作用的反应扩散方程准确描述植被的非局部吸水过程。利用线性和非线性分析方法并结合气候要素数据研究植被演化动力学,研究结果不仅可以揭示植被斑图形成的内在机制和获得其形成的主导因素,还可以为干旱半干旱区域制定合理的植被恢复和保护策略提供科学依据。本文理论上构建了一系列干旱半干旱区域下具有非局部作用的植被演化动力学模型,基于数学分析和数值模拟刻画了植被演化时空复杂性。同时应用上使用构建的具有气候要素和非局部作用植被模型研究了新疆阿勒泰地区植被演化动力学。主要研究内容如下:(1)具有非局部作用的植被动力学模型的建立与斑图动力学分析。使用图灵不稳定性分析,得到了产生植被斑图的条件。研究结果表明,随着非局部作用强度的增加,条纹斑图宽度变窄,随即出现点线混合斑图,最终演化为高密度的点状斑图。这表明植被由开始的低密度条纹分布,逐渐演化为高密度的点状分布。非局部作用提高了植被生物量,即非局部作用对提高植被生物量是种正向作用。(2)具有土壤水扩散和非局部作用耦合的植被动力学模型的建立与时空动力学分析。使用线性稳定性分析和图灵不稳定理论得到了由多个不等式确定的植被斑图形成条件。同时,利用多尺度分析方法得到系统的振幅方程,振幅方程不同的稳态解对应着不同结构的植被稳态斑图。研究发现,植被非局部作用和土壤水扩散反馈都会引起植被斑图相变。非局部作用强度的变化会导致产生混合植被斑图结构。土壤水扩散反馈强度的增强可诱导产生不同结构的植被斑图。无论是非局部作用强度的增加还是土壤水扩散反馈强度的增加,都会使植被斑块间的孤立度变大。(3)具有非局部作用和根系向水性的植被动力学模型的建立和时空复杂性研究。给出了模型的全局弱解,得到了图灵分支条件以及图灵区域的具体范围。定量分析了研究区域植被的空间分布。发现根系向水性强度存在一个阈值,在阈值范围内适当的根系向水性强度可以增加植被密度,但继续增加根系向水性强度植被斑块之间的孤立度也会逐渐变大,该区域易荒漠化。当根系向水性强度超过阈值,就不会产生植被斑图,研究区域荒漠化。(4)具有非局部作用并耦合气候要素的植被动力学模型的建立和斑图特性研究。在全球气候变暖的影响下以新疆阿勒泰地区为研究区域,获得了其产生植被斑图对应的气候要素区域。研究结果表明,降雨量的增加,会使植被生物量增加。但是,温度升高会使植被生物量减少,植被斑图结构也由高密的点状结构变为条状结构。当然,建立的模型也可以推广到其他干旱半干旱区域,结合其他区域真实的气候要素数据对植被演化动力学进行研究。


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