气候变化对三峡库区陆地植被时空动力学影响的研究

Under the influence of the global climate change and the local climate change of the three Gorges Dam, the fragile terrestrial vegetation system in the three Gorges Reservoir region is at risk of degradation, which will seriously affect the ecological security and sustainable economic development of the reservoir area. The current researches on the impact of climate change on terrestrial vegetation in the reservoir area focus on analyzing the dependence of vegetation on climate change mainly by statistical methods in an isolated manner. The influence of gradient change of ecological environmental elements on vegetation was neglected. In this project, a reaction-diffusion dynamical model is established to describe the relation between terrestrial vegetation and climate change. In addition to the variation of temperature and light along the gradient, the dynamical processes of precipitation, runoff and evapotranspiration are incorporated into the model. (1) The vegetation diffusion mechanism under climate stress is obtained by analyzing the quantitative response of the minimum wave speed of traveling wave solutions to climate elements. (2) By analyzing the permanence and bifurcation theories, the survival and extinction possibility of plant species under future different climatic conditions is obtained, and the dynamical distribution map of terrestrial vegetation in the reservoir area is drawn. (3) By incorporating the disturbance process into the dynamical model, the dynamical mechanism of pest-felling-climate relation is analyzed and the mechanism of pest outbreak is discovered. The results of this study can provide some countermeasures for ecological restoration of vegetation in the reservoir area and provide theoretical basis for ecological security and sustainable economic development in the reservoir region.

在全球气候及三峡大坝局地气候双重变化影响下，三峡库区脆弱的陆地植被系统存在退化风险，这会严重影响库区生态安全及经济可持续发展。目前关于气候变化对库区陆地植被影响的研究侧重于以统计方法为主要工具，孤立地分析植被对气候变化的依赖关系，忽视了分布区内生态环境要素的梯度变化对植被的影响。本项目将建立库区陆地植被-气候变化的反应扩散动力学模型，建模时除了考察温度和光照的海拔梯度变化外，也把降水径流及蒸散动力过程融入模型中。（1）分析模型行波解最小波速对气候要素的定量响应关系，得到气候胁迫下的植被扩散机制；（2）分析模型一致持续生存理论及分支理论，得到将来不同气候条件下植物种生存及灭绝的可能性，绘出库区陆地植被动态分布图；（3）在模型中植入干扰过程，分析虫害-人工砍伐-气候的动力学机制，得到虫害爆发的机理。项目研究结果可为库区植被生态恢复提出对策,为库区生态安全及经济可持续发展提供理论依据。

通过动力学方法研究库区陆地植被时空分布与气候变化的关系，可以更好理解和模拟陆地生态系统对区域气候变化的响应特征，为库区生态安全及经济可持续发展提供理论依据。研究内容和结果有三部分：（1）建立了一类捕食者-食饵反应扩散模型（可以用来模拟库区陆地植物和害虫的关系，捕食者对应植物害虫，食饵对应陆地植物）、建立了营养-植物相互作用的反应扩散模型，气候因素耦合进了这些模型的参数中，空间是无界的。以行波解为工具，得到了植物害虫在库区陆地空间上的入侵速度，得到了植物在气候驱动下的转移速度，并且给出了入侵或转移速度对气候参数的依赖关系，得到不同气候变化模式下通过人工干扰模型参数来控制虫害的入侵速度。（2）建立了几类水-陆地植物反应扩散模型，其中水的渗透扩散是局部的，而根据植物类型的不同，分别考虑了植物的局部扩散及非局部扩散效果。通过分支及稳定性分析，结果表明，在局部扩散模式下，地表径流的入渗反馈是带状植被格局的重要形成机制；当入渗反馈较弱时，植物的平均生产力低于均匀稳态，大于具有较强入渗反馈的平均生产力；当降雨处于均匀植被状态无法生存的较低水平时，植物扩散缓慢和水分扩散快，也能支持植被集中在小区域的持续状态。在非局部扩散模式下，研究结果表明，当水的扩散系数足够小时，空间非均匀的斑图总是存在的，反过来，较大的扩散系数会抑制这种斑图的形成。（3）建立了一个有界空间上具有Leslie-Gower类型的捕食者-食饵反应扩散空间模型，研究了正稳定态解存在唯一的条件，得到了系统的一致持久性及灭绝问题，给出了植物害虫灭绝的条件，并得到了灭绝阈值对模型参数的依赖关系，为库区植物害虫的控制提供了理论基础。在对上述模型的理论研究过程中，克服了行波解有界性这一理论难题，发展了模式形成判别方法，丰富了反应扩散系统的理论研究方法库。