【摘要】：荒漠化是當(dāng)今最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。植被斑圖是土地荒漠化過程中,出現(xiàn)的典型的景觀特征,且廣泛地存在于全球的干旱、半干旱以及半濕潤地區(qū)。植被斑圖分布的廣泛性和空間的異質(zhì)性引起了眾多地形學(xué)家和生態(tài)學(xué)家的興趣和重視。植被空間斑圖的研究可以幫助我們理解斑圖形成中潛在的生態(tài)學(xué)過程,知曉斑圖形成的生態(tài)學(xué)機(jī)制,從而加深對荒漠化過程的理解,以期能夠預(yù)測這些地區(qū)植被斑圖的自組織形成,推斷植被斑圖的類型和主要特征。這對于干旱、半干旱以及半濕潤地區(qū)的荒漠化控制和植被恢復(fù)具有重要的指導(dǎo)意義。在形成植被斑圖的情景中,一類由風(fēng)作為驅(qū)動力形成的風(fēng)沙植被斑圖早已被觀測和描述,但是關(guān)于其形成機(jī)制的探索卻幾乎沒有。本文在綜合考慮空氣中風(fēng)成沙的運(yùn)輸、近地面風(fēng)成沙的運(yùn)動、植被通過種子的擴(kuò)散過程、土壤水的徑流、風(fēng)成沙沉積以及植被的生長這6個生態(tài)學(xué)過程的基礎(chǔ)上,首次建立了時空離散的植被-沉積沙差分動力學(xué)模型。通過模型,本文研究了風(fēng)沙植被斑圖的形成機(jī)制,主要內(nèi)容和結(jié)果如下:(1)當(dāng)不存在盛行風(fēng)時,在圖靈分岔誘發(fā)形成了圖靈型迷宮狀斑圖;當(dāng)存在盛行風(fēng)時,在圖靈分岔誘發(fā)下形成了圖靈型規(guī)則帶狀斑圖。當(dāng)不存在盛行風(fēng)時,在Neimark-Sacker分岔誘發(fā)形成了 Neimark-Sacker型不規(guī)則斑圖;當(dāng)存在盛行風(fēng)時,在Neimark-Sacker分岔誘發(fā)下形成了 Neimark-Sacker型不規(guī)則帶狀斑圖。這4種模擬得到的植被斑圖與實(shí)際觀測到的風(fēng)沙植被斑圖在類型上基本一致。(2)圖靈-Neimark-Sackerz1合分岔誘發(fā)形成的風(fēng)沙植被斑圖可分為以下5種類型:耦合分岔型不規(guī)則帶狀、耦合分岔型迷宮狀、耦合分岔型規(guī)則帶狀、耦合分岔型點(diǎn)狀、耦合分岔型新月帶狀。在不同斑圖類型的過渡型斑圖中,能夠得到與實(shí)際斑圖吻合度更高的斑圖類型。(3)計(jì)算了在風(fēng)沙植被斑圖形成過程中,香農(nóng)熵和聚集度隨時間推移的變化規(guī)律。結(jié)果說明,圖靈型斑圖比Neimark-Sacker型斑圖的香農(nóng)熵低、聚集度高。耦合分岔型斑圖中,耦合分岔型不規(guī)則帶狀、耦合分岔型迷宮狀、耦合分岔型規(guī)則帶狀這3種類型的斑圖,其香農(nóng)熵和聚集度的值介于圖靈型斑圖和Neimark-Sacker型斑圖中間。而耦合分岔型點(diǎn)狀、耦合分岔型新月帶狀這兩種類型的斑圖,由于耦合分岔的特殊作用,導(dǎo)致斑圖香農(nóng)熵值比圖靈型斑圖更低,而聚集度更高。(4)以帶狀風(fēng)沙植被斑圖為例,研究了在不同環(huán)境參數(shù)下帶狀風(fēng)沙植被斑圖的特征差異。平流強(qiáng)度越大(反映盛行風(fēng)的強(qiáng)弱),斑圖中植被覆蓋度的最大值和平均值都越大、斑圖的波長越小、波數(shù)越大。而時間步長(反映了風(fēng)沙活動過程的頻率、時間尺度)越大,斑圖中植被覆蓋度的最大值和平均值都越大、斑圖的波長越小、波數(shù)越大。通過觀察植被帶與沉積沙帶的波形圖,得知圖靈型帶狀斑圖中,植被帶與沉積沙帶之間存在相位差,相位差的跟平流強(qiáng)度的大小有關(guān)。此外,帶狀植被斑圖的遷移速度與沙、植被各自平流強(qiáng)度相對大小有關(guān),且可能為負(fù)值(逆著盛行風(fēng)遷移)。(5)研究了風(fēng)成帶狀植被斑圖已形成后,環(huán)境參數(shù)平流強(qiáng)度的變化對帶狀風(fēng)沙植被斑圖特征的影響。在較小平流強(qiáng)度下形成的植被斑圖,當(dāng)平流強(qiáng)度的逐漸增大時,斑圖中的植被帶在垂直盛行風(fēng)的方向上發(fā)生斷裂形成斑塊,而后斑塊間在其它方向上組織、連合,形成了新的植被帶。植被帶的總波數(shù)逐漸增加,波長逐漸減小。在較大平流強(qiáng)度下已形成的植被斑圖,當(dāng)平流強(qiáng)度逐漸減小時,斑圖中植被帶的波數(shù)和波長基本保持不變,但是植被帶的寬度會逐漸減小;而直到平流強(qiáng)度的值減小到0而導(dǎo)致斑圖類型轉(zhuǎn)變時(由帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)槊詫m狀),波數(shù)才驟然間增大,而波長也驟然間減小。說明帶狀風(fēng)沙植被斑圖的特征隨平流強(qiáng)度變化具有一定的穩(wěn)定性。(6)研究了斑圖已形成后,環(huán)境參數(shù)時間步長的變化對斑圖特征的影響(以帶狀斑圖為例)。已形成斑圖的波數(shù)隨時間步長的變化而變化,且與每個時間步長所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值(單個時間步長保持不變的情況下,模擬得到的斑圖波數(shù)的值定為標(biāo)準(zhǔn)值)相差不大。說明斑圖特征隨時間步長變化具有可逆性。(7)研究了盛行風(fēng)的方向?qū)Π邎D特征的影響。當(dāng)盛行風(fēng)發(fā)生季節(jié)性反向時,植被帶與沉積沙帶間的相位關(guān)系會持續(xù)變化。其最終相位關(guān)系依賴于相反方向盛行風(fēng)各自的持續(xù)時間的長短。當(dāng)盛行風(fēng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(平流強(qiáng)度大小不變),植被帶不會隨著盛行風(fēng)發(fā)生偏轉(zhuǎn),但植被帶的寬度會逐漸降低。當(dāng)盛行風(fēng)的偏轉(zhuǎn)角度很大時(接近5π/12),斑圖中的植被帶向新的盛行風(fēng)向發(fā)生一定角度偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角度小于盛行風(fēng)偏轉(zhuǎn)角度。而當(dāng)盛行風(fēng)偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到π/2時,斑圖中的植被帶完全旋轉(zhuǎn)并垂直于盛行風(fēng)向。(8)研究了人類活動對斑圖形成的影響。放牧強(qiáng)度過大會導(dǎo)致植被斑圖消失�？撤バ袨闀铀僦脖话邎D形成。栽種植被雖不會增加植被帶的數(shù)目,但是會增加形成斑圖中總的植被覆蓋度。本文的研究成功地揭示了風(fēng)沙植被斑圖的形成機(jī)制,豐富了植被斑圖形成的情景,同時加深了對荒漠化和植被恢復(fù)過程的理解。
【圖文】：

Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｒｏｕｔｅ邋ｏｆ邋ｒｅｓｅａｒｃｈ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ邋ｏｆ邋ａｅｏｌｉａｎ－ｓａｎｄ－ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ邋ｐａｔｔｅｒｎｓ逡逑本文的具體研宄內(nèi)容將主要包括以下方面：逡逑（１）考慮風(fēng)沙植被斑圖的形成情景中，所包含的所有生態(tài)學(xué)過程、生態(tài)變逡逑量及其相互作用關(guān)系，以植被覆蓋度和沉積沙的厚度作為狀態(tài)變量，，建立時空逡逑離散的植被－沉積沙動力學(xué)模型。逡逑（２）對模型進(jìn)行穩(wěn)定性分析和分岔分析，得到斑圖形成的參數(shù)條件。分岔逡逑分析將包括圖靈分岔分析和Ｎｅｉｍａｒｋ－Ｓａｃｋｅｒ分岔分析。逡逑（３）模擬在圖靈分岔和Ｎｅｉｍａｒｋ－Ｓａｃｋｅｒ分岔分別誘發(fā)下形成風(fēng)沙植被斑圖逡逑的過程。逡逑（４）模擬在圖靈和Ｎｅｉｍａｒｋ－Ｓａｃｋｅｒz1合分岔誘發(fā)下形成風(fēng)沙植被斑圖的過逡逑程。逡逑（５）計(jì)算斑圖形成過程中香農(nóng)熵和聚集度隨時間推移的變化，并將二者作逡逑為指標(biāo)定量表明斑圖類型及自組織程度間的區(qū)別。逡逑（６）模擬帶狀風(fēng)沙植被斑圖的性質(zhì)（最值、波長、波數(shù)、相位關(guān)系、遷移逡逑速度等）在＋同環(huán)境參數(shù)下的差異。逡逑

本文的模型中，先考慮了植被和沉積沙的空間擴(kuò)散和平流過程，再考慮了植逡逑被和沉積沙自身的反應(yīng)過程（包括兩者之間的相互作用）。這種考慮是基于以下逡逑判斷。圖２－１中所示的６個生態(tài)學(xué)過程，通過上述分析，可以簡化為４個生態(tài)學(xué)逡逑過程，而這４個過程按照其發(fā)生的快慢，按時間推移的順序?yàn)椋猴L(fēng)成沙運(yùn)動，風(fēng)逡逑成沙沉積，沉積沙影響植被生長，植被傳播（見圖２－２中虛線框內(nèi)）。總體上，逡逑風(fēng)成沙的運(yùn)動比植被的生長快，所以風(fēng)成沙的變化在前。先有風(fēng)成沙運(yùn)動才有風(fēng)逡逑成沙沉積也符合實(shí)際規(guī)律。而對于植被，植被先生長后傳播符合植被生長的規(guī)律。逡逑在圖２－２中，這４個過程被定義為常規(guī)生態(tài)過程，且會隨著時間循環(huán)往復(fù)。逡逑ｈ邐Ｔ邐Ａ逡逑ｉ逡逑植被］丨ｆ風(fēng)成沙１邐［邋ｆｆｉＭ邋１！邋ｆ風(fēng)成沙＇逡逑ｌ邋？邋Ｊ：ｌ邋＾邋Ｊ邐時間ｆ逡逑邐！邐邋７邐；邐＞逡逑＇邐ｆ風(fēng)成沙Ｉｆ沉積沙１邐；逡逑！邐沉積邋對植被邐｜逡逑Ｉ邐ｖ邐八邋邐／邐Ｉ逡逑ｌ邐邐１逡逑邐｜實(shí)際生態(tài)過程＂１邐逡逑｜迭代過程｜逡逑＜邐Ｉ邋邐Ｈ逡逑圖２－２模型中常規(guī)生態(tài)過程與實(shí)際生態(tài)過程（迭代過程）逡逑Ｆｉｇ．２－２邋Ｏｒｄｅｒｓ邋ｏｆ邋ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ邋ｐｒｏｃｅｓｓ
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S288

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 杜建會;嚴(yán)平;董玉祥;;干旱地區(qū)斑塊狀植被格局形成的水分驅(qū)動機(jī)制及其研究進(jìn)展[J];生態(tài)學(xué)雜志;2012年08期

2 趙哈林;何玉惠;岳廣陽;周瑞蓮;;風(fēng)吹、沙埋對沙地植物幼苗生長和光合蒸騰特性的影響[J];生態(tài)學(xué)雜志;2010年03期

3 張春霞;歐陽頎;;圖靈斑圖動力學(xué)[J];科學(xué);2002年01期

本文編號：2704684