Theoretical models and empirical analyses have combined to suggest that, for some ranges of climate, alternative stable states in vegetation structure may be possible: positive feedbacks with fire may differentiate savanna from forest, while positive feedbacks with hydrological processes may differentiate grassland from savanna. However, existing models have largely failed to include spatially explicit fire spread, dispersal, and hydrological processes, and as such ignore key features of vegetation systems. In this paper, we incorporate spatial and stochastic effects to form a comprehensive and realistic description of the dynamics of vegetation growth. By using novel computational tools such as path-sampling, we investigate the effect of noise and spatial coupling on the stability and the dynamics of forest-savanna transitions. Spatial effects change model behaviors: We find that spatial interactions between savanna and grassland result in the eventual nucleation and propagation of one of the states to invade the other. Which state wins depends on parameter values, which in turn depend on environmental conditions. Meanwhile, transitions between savanna and forest occur much less frequently, because an event such as a period of fire suppression in savanna or a fire in forest must be larger to successfully invade a landscape; this results in transitions between savanna and forest that, although not strictly history dependent, look temporally similar to hysteresis because the time lags involved in transitions are so large.

中文翻译：

---

空间反馈以及热带稀树草原和森林的动态

理论模型和经验分析相结合表明，在某些气候范围内，植被结构可能处于替代的稳定状态：火的正反馈可能使热带稀树草原与森林区分开，而水文过程的正反馈可能使草原与热带稀树草原区分开。但是，现有模型在很大程度上没有包括空间上明确的火势蔓延，扩散和水文过程，因此忽略了植被系统的关键特征。在本文中，我们结合了空间和随机效应，以形成对植被生长动态的全面而现实的描述。通过使用新颖的计算工具（例如路径采样），我们研究了噪声和空间耦合对森林-热带稀树草原过渡的稳定性和动力学的影响。空间效应改变了模型的行为：我们发现，稀树草原和草原之间的空间相互作用最终导致其中一个州的成核和传播，从而侵入另一个州。哪个状态获胜取决于参数值，而参数值又取决于环境条件。同时，稀树草原和森林之间的过渡发生的频率要少得多，因为诸如大草原上的灭火时期或森林火灾之类的事件必须更大才能成功入侵景观。这些结果导致大草原和森林之间的过渡，尽管并不严格地依赖于历史，但在时间上看起来类似于磁滞现象，因为过渡所涉及的时滞非常大。我们发现，稀树草原与草原之间的空间相互作用最终导致其中一个州的成核和传播，从而侵入另一个州。哪个状态获胜取决于参数值，而参数值又取决于环境条件。同时，稀树草原和森林之间的过渡发生的频率要少得多，因为诸如大草原上的灭火时期或森林火灾之类的事件必须更大才能成功入侵景观。这些结果导致大草原和森林之间的过渡，尽管并不严格地依赖于历史，但在时间上看起来类似于磁滞现象，因为过渡所涉及的时滞如此之大。我们发现，稀树草原与草原之间的空间相互作用最终导致其中一个州的成核和传播，从而侵入另一个州。哪个状态获胜取决于参数值，而参数值又取决于环境条件。同时，稀树草原和森林之间的过渡发生的频率要少得多，因为诸如大草原上的灭火时期或森林火灾之类的事件必须更大才能成功入侵景观。这些结果导致大草原和森林之间的过渡，尽管并不严格地依赖于历史，但在时间上看起来类似于磁滞现象，因为过渡所涉及的时滞如此之大。稀树草原和森林之间的过渡发生的频率要少得多，因为诸如大草原上的灭火时期或森林火灾之类的事件必须较大才能成功入侵景观。这些结果导致大草原和森林之间的过渡，尽管并不严格地依赖于历史，但在时间上看起来类似于磁滞现象，因为过渡所涉及的时滞非常大。稀树草原和森林之间的过渡发生的频率要少得多，因为诸如大草原上的灭火时期或森林火灾之类的事件必须较大才能成功入侵景观。这些结果导致大草原和森林之间的过渡，尽管并不严格地依赖于历史，但在时间上看起来类似于磁滞现象，因为过渡所涉及的时滞如此之大。