热带森林-草原景观的涌现结构与动力学

先前研究表明，热带森林可作为稀树草原的另一种稳定状态而存在。因此，气候变化或人类影响的扰动可能导致跨越临界点，此后发生不可轻易逆转的快速森林衰退。此类双稳态的一个假想机制是火与植被之间的反馈，其中火作为草斑上的 contagion 过程蔓延。理论模型大多通过假设火蔓延对易燃植被的阈值依赖而隐式实现该机制。在此，我们展示非线性动力学与双稳态如何自发涌现，而无需假设火蔓延的方程或阈值。我们发现森林几何引发了诱导双稳态的非线性。我们通过三步证明这一点。首先，我们将森林与火建模为草斑上相互作用的 contagion 过程，使用元胞自动机显示空间结构因森林周长上的两种抵消效应而涌现：由扩散导致的森林扩张，以及由相邻草原起火引起的森林侵蚀。随后，我们推导景观尺度平衡方程，其中这两种效应将森林几何与动力学联系起来：森林以其周长成比例扩张，同时以其周长按相邻草原面积加权成比例收缩。最后，我们展示这些周长量在我们的平衡方程中引入非线性并导致双稳态。基于结构与时动力学之间的联系，我们提出一种可用于针对性保护或恢复的森林恢复力指标。