森林-稀树草原双稳态的空间建模：火灾动态与时间尺度分离的影响

森林-稀树草原双稳态——即森林和稀树草原在热带地区作为替代稳定状态存在的假说——及其影响，在当前气候变化背景下，是数学建模者和生态学家面临的关键挑战。为了对此问题产生新的见解，我们提出了一个稀树草原森林火灾的空间马尔可夫跳过程模型，该模型整合了关键的生态过程，包括种子传播、火灾蔓延和非线性植被可燃性。与许多森林-稀树草原双稳态模型不同，我们在一个数学上易于处理的框架内，明确地模拟了火灾动态和植被再生。这种方法弥合了慢时间尺度植被模型与高分辨率火灾动态之间的差距，揭示了短期和瞬态过程对植被覆盖的影响。在我们的空间随机模型中，双稳态源于维持低森林覆盖率的周期性火灾，而茂密的森林区域则抑制火灾蔓延并保持高树木密度。该模型的确定性平均场近似同样预测了双稳态，但在定量上偏离了完全空间模型，尤其是在瞬态动态方面。这些结果也强调了火灾与植被过程之间的时间尺度分离在塑造生态系统结构和恢复力方面的关键作用。