PNAS速递：热带森林-草原景观的涌现结构和动力学

关键词：生态系统韧性，空间斑图，传染过程，双稳态，非线性动力学，临界点

论文题目：Emergent structure and dynamics of tropical forest-grassland landscapes论文地址：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2211853120

卫星和地面观察表明，热带森林（树木覆盖率高）和稀树草原（树木覆盖率低）可以在相同环境下共存。热带森林可以作为稀树草原的一种替代稳定状态存在。因此，由气候变化或人类影响引起的扰动可能导致一旦跨越临界点，森林会快速枯死，且难以逆转。这种双稳态的假设机制是基于火灾与植被之间的反馈，其中火灾作为传染过程（contagion process）在草地斑块上蔓延。

理论模型主要通过假设火灾传播对易燃植被的阈值依赖性来实现这一机制。这项研究展示了非线性动力学和双稳态是如何自发出现的，而没有假设火灾传播需要遵循一个方程或阈值。研究发现森林的几何形状导致非线性进而诱发双稳态，并以三个步骤证明了这一点。

首先，将森林和火灾建模为相互作用的传染过程，表明森林边界的两种抵消作用使得空间结构得以涌现：森林通过扩散扩张，因来自相邻草地的火灾而受到侵蚀。然后，推导出景观尺度的平衡方程，其中这两个效应将森林几何和动力学联系起来：森林随着周长成比例扩张，同时随着相邻草地面积加权的周长成比例收缩。最后，证明这些周长相关的量在平衡方程中引入了非线性，并导致双稳态。依靠结构和动力学之间的联系，提出一种森林恢复力指标，可用于有针对性的保护或恢复。

图1. FGBA 随机元胞自动机。（A）状态转变图。（B）从树木覆盖率为0开始的模拟时间序列。（E-H）特定时间的模拟结果，图F中的火灾从草地蔓延到整个区域，而G中的火灾最终熄灭，因为森林将草地分裂开来。

图2. FGBA 随机元胞自动机中森林面积的稳定状态和双稳态。

编译｜梁金

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