耦合高斯模型与种群动力学的鄱阳湖湿地植被演替模拟研究：水文年型影响下的生态阈值与分布格局

为解决湿地植被对水文变化响应机制不明的问题，研究人员通过耦合高斯模型(Gaussian model)与种群动力学模型(population dynamics model)，系统模拟了鄱阳湖湿地植被在不同水文年型（湿年、平年、干年、极端湿年、极端干年）下的演替规律。研究发现植被分布与淹没时长呈高斯曲线关系，并量化了6种优势种（如Carex spp.、Phalaris arundinacea）的生态阈值。该研究为湿地生态系统适应性管理提供了理论依据，成果发表于《Watershed Ecology and the Environment》。

　　

湿地作为地球上生产力最高的生态系统之一，其植被分布与水文节律的耦合关系一直是生态学研究的热点。鄱阳湖作为中国最大的淡水湖湿地，近年来因长江-鄱阳湖"江湖关系"变化导致秋冬季枯水期提前，淹没时长缩短，湿地植被群落结构和空间格局发生显著改变。这种变化不仅直接影响越冬候鸟栖息地，还可能通过食物链级联效应威胁整个湿地生态功能。然而，传统物种分布模型(SDMs)如广义加性模型(GAM)和分类回归树(CART)虽能统计植被与环境因子的关系，却难以模拟种内/种间竞争、扩散能力等生态过程，限制了对其演替机制的深入理解。

针对这一科学难题，江西省科学院等机构的研究团队创新性地将高斯模型与种群动力学模型耦合，结合细胞自动机(CA)空间模拟技术，首次系统揭示了鄱阳湖湿地植被对淹没时长的非线性响应规律。研究选取1998-2022年间5个典型水文年（包括1998年极端湿年、2022年极端干年），通过7200个植被样方调查与数字高程模型(DEM)融合，构建了包含种子繁殖率(S_i
)、克隆繁殖率(C_i
)和死亡率(D_i
)参数的动态方程，并引入种内竞争系数(a_ii
=0.26)和种间竞争系数(a_ij
=0.21)来量化生态位分化。

关键技术方法包括：(1)基于von Neumann邻域规则的CA空间离散模型；(2)高斯曲线拟合植被生存概率与淹没时长的关系；(3)种群动力学方程动态模拟竞争过程；(4)利用2016-2022年植被调查数据（80%训练集/20%验证集）进行模型校准，验证精度达76.35%。

3.1 湿地植被对淹没时长的响应
通过高斯模型拟合发现，6种优势植被的生存概率均呈单峰曲线。Carex spp.适应范围最广（60-240天），其最优淹没时长为120-180天；而Cynodon dactylon耐受性最弱（30-90天），超过150天淹没即消失。方程显示Phalaris arundinacea在207.8天淹没时长时生存率最高（f(x)=98/(2×42×√(π/2))exp(-0.5((x-207.8)/42)²
)），印证了水文节律对植被分布的"阈值效应"。

3.2 典型年湿地植被空间分布模拟
极端干年（2022年）植被总面积较平年（2001年）增加41.35%，其中Carex spp.扩张至1024.46 km²
；而极端湿年（1998年）植被面积锐减54.74%。空间上，Phragmites australis在湿年向高位滩地退缩，其分布区被耐淹的Phalaris arundinacea取代；干年时Cynodon dactylon则向原Carex spp.区域入侵，形成明显的生态位替代。

4.1 湿地植被响应淹没的生态阈值
研究揭示了植被适应水文的策略差异：Carex spp.通过休眠和快速萌发适应长期淹没；Phragmites australis则通过茎秆伸长（平均1.5-2 m）维持气体交换，但其耐受窗口仅限4个月内淹没。这种功能性状差异解释了为何在极端湿年（如1998年）当淹没>200天的区域增加1002 km²
时，Phragmites australis面积减少71.66%。

4.2 不同水文年植被演替规律
干年条件下，淹没<140天的区域占比达84.37%，导致耐旱的Cynodon dactylon面积激增631.8%；而湿年（2010年）则使Phalaris arundinacea和Polygonum criopolitanum面积分别增加50.92%和24.86%。这种异步响应表明未来气候变暖导致的干旱化可能使鄱阳湖植被向旱生化演替。

该研究通过机理模型突破了传统SDMs的局限性，首次量化了水文-植被耦合关系的非线性特征。提出的高斯-种群动力学耦合框架，不仅为湿地恢复工程中的植被配置提供了科学依据（如淹水区应优先种植Carex spp.），也为预测气候变化下生态系统演变提供了新范式。研究特别指出，2022年极端干旱事件导致的植被扩张可能改变越冬候鸟食物资源格局，这为鄱阳湖生态水位调控提出了新的管理挑战。成果对全球变化敏感区的大型通江湖泊保护具有示范意义。