基于景观结构的干旱半干旱沙地植被水分动态的模型与模拟

Plant sand-fixation capacity and persistence rely on the sandy vegetation pattern, dynamics and the eco-hydrological process which determines the pattern in arid and semi-arid area. Recovering or reconstructing vegetation on sandy land are processes of vegetation pattern formation on the landscape scale, which depends on the interaction between vegetation and water and their mutual feedback within both landscape units and landscape level. At the same time, the vegetation pattern formation may also change the landscape structure, and influence the interaction between vegetation and water. Based on the analyzing and classifying of sand landscape, landscape unit and plant water use traits, we built dynamics model of interaction between vegetation and water, which is suitable to each sandy landscape unit. The different life forms plants (herb, shrub and woody), their spatial distribution of roots and water use traits are considered to construct the dynamics model of interaction between different layers of soil water and plant community. We simulate the vegetation pattern formation process and dynamics, and seek the condition of pattern formation and maintenance. Besides, we build the spatial explicit vegetation-water dynamics model on sand landscape, and simulate landscape structure dynamics in the process of sandy vegetation restoration and reconstruction, vegetation and plant dynamics and pattern formation, to explore the mechanism of vegetation water feedback on sand landscape scale. Finally, the model is verified by using field survey data and remote sensing images.

干旱半干旱区植物固沙的效应和持续性依赖于沙地植被的空间格局和动态以及决定这些格局的生态-水文过程。沙地植被恢复或重建是景观尺度上植被格局形成过程，依赖于景观结构和景观尺度上的植被-水分相互作用，也受景观单元内植物与植物，植物与水分相互作用的影响 。反过来，植被格局形成也会影响景观结构和植被-水分过程。根据沙地主要景观类型的生境和植物水分利用持征对其景观单元进行分类，建立适合每种景观单元的植被-水分相互作用的动力学模型。考虑不同生活型植物（草本、灌木、乔木）根系分布与土壤水分利用，建立分层土壤水与植物群落相互作用的动力学模型，模拟植被格局形成过程和动态，确定格局选择和维持的条件。建立空间明晰的具有景观结构的植被-水分动态模型，模拟沙地植被恢复和重建过程中的景观结构动态、植被-水分动态和植被格局形成，探讨景观尺度上的植被-水分互馈机理。利用野外实验数据和遥感影像反演数据对模型进行验证。

水分是干旱干旱沙区植被格局和过程的主要驱动力，土壤水分的空间分布和动态决定了植被格局的形成和动态。植物-水分的相互作用及其互馈决定了土壤水分空间分布、植物生长、植被演替、植被格局形成及景观分异等主要过程。本项目从理论模型及实证研究两方面出发对干旱半干旱沙地植被-水分动态及其驱动因素进行了系统性研究。通过对景观单元特征及植被生理及形态特征进行整合，本项目对植被生态水文过程、植被格局及其驱动力进行了模拟。通过构建空间相关干扰对物种维持与共存的偶对近似模型，发现空间相关干扰对干旱半干旱沙地植被格局和过程有着显著的影响。干扰程度、干扰的周期以及空间相关交互作用影响物种维持与共存。通过构建具有空间结构的植物竞争模型发现水分分布的空间异质性对物种共存结果具有显著的影响，水分分布的空间异质性大小以及水分分布的空间自相关程度均是干旱半干旱沙区植物共存的重要影响因素。在水分分布空间异质的景观中，基于空间相对非线性和空间储存效应的共同作用，植物物种在局域尺度和全局尺度上均可形成共存，但在稳定共存的条件下，繁殖能力强的物种更可能分布于水分低的区域，而竞争敏感度低的物种更可能分布于水分高的区域。通过建立基于地形单元的植被-水分动态模型，本研究阐明了平地、斜坡、盆地等不同地形下植被-水分动态变化和植被格局形成过程，探讨了不同地形下的植被-水分互馈机理，揭示了沙地单个植被类型的植被-水分动态和植被格局形成的动力学过程，明确植被格局选择和维持的条件。此外，本研究考虑沙地植物群落内不同植物根系可利用不同深度的土壤水分，研究了四种典型沙区植物的水分利用特征、根的生态位分化在沙地植物物种共存和群落构建中的作用。综上，研究干旱半干旱沙区植被-水分相互作用及其互馈的动力学过程和机理是认识和理解植被格局形成和维持的关键，是固沙植被修复和重建的理论基础和技术支撑。