风沙植被斑图的形成机制研究

发布时间：2020-06-09 12:23

【摘要】：荒漠化是当今最严重的环境问题之一。植被斑图是土地荒漠化过程中,出现的典型的景观特征,且广泛地存在于全球的干旱、半干旱以及半湿润地区。植被斑图分布的广泛性和空间的异质性引起了众多地形学家和生态学家的兴趣和重视。植被空间斑图的研究可以帮助我们理解斑图形成中潜在的生态学过程,知晓斑图形成的生态学机制,从而加深对荒漠化过程的理解,以期能够预测这些地区植被斑图的自组织形成,推断植被斑图的类型和主要特征。这对于干旱、半干旱以及半湿润地区的荒漠化控制和植被恢复具有重要的指导意义。在形成植被斑图的情景中,一类由风作为驱动力形成的风沙植被斑图早已被观测和描述,但是关于其形成机制的探索却几乎没有。本文在综合考虑空气中风成沙的运输、近地面风成沙的运动、植被通过种子的扩散过程、土壤水的径流、风成沙沉积以及植被的生长这6个生态学过程的基础上,首次建立了时空离散的植被-沉积沙差分动力学模型。通过模型,本文研究了风沙植被斑图的形成机制,主要内容和结果如下:(1)当不存在盛行风时,在图灵分岔诱发形成了图灵型迷宫状斑图;当存在盛行风时,在图灵分岔诱发下形成了图灵型规则带状斑图。当不存在盛行风时,在Neimark-Sacker分岔诱发形成了 Neimark-Sacker型不规则斑图;当存在盛行风时,在Neimark-Sacker分岔诱发下形成了 Neimark-Sacker型不规则带状斑图。这4种模拟得到的植被斑图与实际观测到的风沙植被斑图在类型上基本一致。(2)图灵-Neimark-Sackerz1合分岔诱发形成的风沙植被斑图可分为以下5种类型:耦合分岔型不规则带状、耦合分岔型迷宫状、耦合分岔型规则带状、耦合分岔型点状、耦合分岔型新月带状。在不同斑图类型的过渡型斑图中,能够得到与实际斑图吻合度更高的斑图类型。(3)计算了在风沙植被斑图形成过程中,香农熵和聚集度随时间推移的变化规律。结果说明,图灵型斑图比Neimark-Sacker型斑图的香农熵低、聚集度高。耦合分岔型斑图中,耦合分岔型不规则带状、耦合分岔型迷宫状、耦合分岔型规则带状这3种类型的斑图,其香农熵和聚集度的值介于图灵型斑图和Neimark-Sacker型斑图中间。而耦合分岔型点状、耦合分岔型新月带状这两种类型的斑图,由于耦合分岔的特殊作用,导致斑图香农熵值比图灵型斑图更低,而聚集度更高。(4)以带状风沙植被斑图为例,研究了在不同环境参数下带状风沙植被斑图的特征差异。平流强度越大(反映盛行风的强弱),斑图中植被覆盖度的最大值和平均值都越大、斑图的波长越小、波数越大。而时间步长(反映了风沙活动过程的频率、时间尺度)越大,斑图中植被覆盖度的最大值和平均值都越大、斑图的波长越小、波数越大。通过观察植被带与沉积沙带的波形图,得知图灵型带状斑图中,植被带与沉积沙带之间存在相位差,相位差的跟平流强度的大小有关。此外,带状植被斑图的迁移速度与沙、植被各自平流强度相对大小有关,且可能为负值(逆着盛行风迁移)。(5)研究了风成带状植被斑图已形成后,环境参数平流强度的变化对带状风沙植被斑图特征的影响。在较小平流强度下形成的植被斑图,当平流强度的逐渐增大时,斑图中的植被带在垂直盛行风的方向上发生断裂形成斑块,而后斑块间在其它方向上组织、连合,形成了新的植被带。植被带的总波数逐渐增加,波长逐渐减小。在较大平流强度下已形成的植被斑图,当平流强度逐渐减小时,斑图中植被带的波数和波长基本保持不变,但是植被带的宽度会逐渐减小;而直到平流强度的值减小到0而导致斑图类型转变时(由带状转变为迷宫状),波数才骤然间增大,而波长也骤然间减小。说明带状风沙植被斑图的特征随平流强度变化具有一定的稳定性。(6)研究了斑图已形成后,环境参数时间步长的变化对斑图特征的影响(以带状斑图为例)。已形成斑图的波数随时间步长的变化而变化,且与每个时间步长所对应的标准值(单个时间步长保持不变的情况下,模拟得到的斑图波数的值定为标准值)相差不大。说明斑图特征随时间步长变化具有可逆性。(7)研究了盛行风的方向对斑图特征的影响。当盛行风发生季节性反向时,植被带与沉积沙带间的相位关系会持续变化。其最终相位关系依赖于相反方向盛行风各自的持续时间的长短。当盛行风方向发生偏转时(平流强度大小不变),植被带不会随着盛行风发生偏转,但植被带的宽度会逐渐降低。当盛行风的偏转角度很大时(接近5π/12),斑图中的植被带向新的盛行风向发生一定角度偏转,偏转角度小于盛行风偏转角度。而当盛行风偏转角度达到π/2时,斑图中的植被带完全旋转并垂直于盛行风向。(8)研究了人类活动对斑图形成的影响。放牧强度过大会导致植被斑图消失。砍伐行为会加速植被斑图形成。栽种植被虽不会增加植被带的数目,但是会增加形成斑图中总的植被覆盖度。本文的研究成功地揭示了风沙植被斑图的形成机制,丰富了植被斑图形成的情景,同时加深了对荒漠化和植被恢复过程的理解。
【图文】：

斑图,斑图形成,风沙,植被

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逡逑本文的具体研宄内容将主要包括以下方面：逡逑（１）考虑风沙植被斑图的形成情景中，所包含的所有生态学过程、生态变逡逑量及其相互作用关系，以植被覆盖度和沉积沙的厚度作为状态变量，，建立时空逡逑离散的植被－沉积沙动力学模型。逡逑（２）对模型进行稳定性分析和分岔分析，得到斑图形成的参数条件。分岔逡逑分析将包括图灵分岔分析和Ｎｅｉｍａｒｋ－Ｓａｃｋｅｒ分岔分析。逡逑（３）模拟在图灵分岔和Ｎｅｉｍａｒｋ－Ｓａｃｋｅｒ分岔分别诱发下形成风沙植被斑图逡逑的过程。逡逑（４）模拟在图灵和Ｎｅｉｍａｒｋ－Ｓａｃｋｅｒz1合分岔诱发下形成风沙植被斑图的过逡逑程。逡逑（５）计算斑图形成过程中香农熵和聚集度随时间推移的变化，并将二者作逡逑为指标定量表明斑图类型及自组织程度间的区别。逡逑（６）模拟带状风沙植被斑图的性质（最值、波长、波数、相位关系、迁移逡逑速度等）在＋同环境参数下的差异。逡逑

生态过程,迭代过程,风成沙,模型

本文的模型中，先考虑了植被和沉积沙的空间扩散和平流过程，再考虑了植逡逑被和沉积沙自身的反应过程（包括两者之间的相互作用）。这种考虑是基于以下逡逑判断。图２－１中所示的６个生态学过程，通过上述分析，可以简化为４个生态学逡逑过程，而这４个过程按照其发生的快慢，按时间推移的顺序为：风成沙运动，风逡逑成沙沉积，沉积沙影响植被生长，植被传播（见图２－２中虚线框内）。总体上，逡逑风成沙的运动比植被的生长快，所以风成沙的变化在前。先有风成沙运动才有风逡逑成沙沉积也符合实际规律。而对于植被，植被先生长后传播符合植被生长的规律。逡逑在图２－２中，这４个过程被定义为常规生态过程，且会随着时间循环往复。逡逑ｈ逦Ｔ逦Ａ逡逑ｉ逡逑植被］丨ｆ风成沙１逦［邋ｆｆｉＭ邋１！邋ｆ风成沙＇逡逑ｌ邋？邋Ｊ：ｌ邋＾邋Ｊ逦时间ｆ逡逑逦！逦邋７逦；逦＞逡逑＇逦ｆ风成沙Ｉｆ沉积沙１逦；逡逑！逦沉积邋对植被逦｜逡逑Ｉ逦ｖ逦八邋逦／逦Ｉ逡逑ｌ逦逦１逡逑逦｜实际生态过程＂１逦逡逑｜迭代过程｜逡逑＜逦Ｉ邋逦Ｈ逡逑图２－２模型中常规生态过程与实际生态过程（迭代过程）逡逑Ｆｉｇ．２－２邋Ｏｒｄｅｒｓ邋ｏｆ邋ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ邋ｐｒｏｃｅｓｓ
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S288

【参考文献】