基于可解释机器学习的青藏高原草地物候变化多因素影响分析

气候变化背景下,青藏高原植被物候发生显著改变.然而,影响物候的水热因素众多,目前较少有研究关注多因素对青藏高原物候的影响效应,导致对青藏高原物候变化机制认识不足.为此,研究通过遥感数据解译,在对2002~2021年青藏高原草地物候时空变化特征分析的基础上,聚焦降水、气温、海拔和土壤等多方面,利用可解释机器学习方法（SHAP）揭示物候变化的主导因素,并量化分析多因素对物候的交互影响.结果表明:①青藏高原分别有56.32 %、67.65 %和65.50 %的草地表现出生长季开始时间（SOS）提前、生长季结束时间（EOS）延迟和生长季长度（LOS）延长趋势;②青藏高原草地SOS和LOS主要受水分条件影响,3月0~10 cm土壤水分对SOS提前和LOS延长起促进作用的范围分别在10~25 kg·m^-2和15~25 kg·m^-2之间,峰值分别在20 kg·m^-2和18 kg·m^-2左右;EOS则主要受温度影响,9月和10月温度越高对EOS延迟促进作用越强,并分别在高于8 ℃和-0.5 ℃时达到峰值;③水热等因素对物候的影响存在非线性交互效应,3月0~10 cm土壤水分达到20 kg·m^-2后,更有利于低降水和低海拔地区SOS提前;10月温度高于0 ℃后较好的水分条件更有利于EOS延迟;3月0~10 cm土壤水分在12~22 kg·m^-2之间时,高降水地区LOS更长.研究表明,可解释机器学习方法可为物候变化的多因素影响定量分析提供一种新的方法.     

浙江省植被物候变化及其对气候变化的响应

基于改进的Savitzky-Golay滤波算法重构了2001-2010年MODIS NDVI时间序列数据,反演了浙江近10 a来的植被生长状况,利用分段多项式拟合和动态阈值法提取了自然植被重要物候期(生长季开始时间、结束时间和生长季长度等),分析了植被物候期的年际变化趋势和空间分异特征,并结合同期气象数据,探讨了植被物候变化与气候变化的关系.主要结论如下:①浙江植被覆盖有所减少,整体下降趋势不显著,平均植被生长季为222 d,长度略有延长,其中开始时间提前趋势不显著,而结束时间推迟显著.②植被生长季为3月下旬至11月中旬,植被生长季的开始时间从北往南逐渐推迟,生长季结束时间相对集中,其中生长季延长的区域面积和缩短的区域面积相当.③气象要素与关键物候期参数的相关性分析表明冬季的热量供给是影响浙江植被生长开始的重要因子,植被生长季前期温度积累的增加有利于植被生长;生长季结束时间与当年温度呈极显著正相关,与当年降水和湿润指数的减少呈负相关,但影响不显著,从与各相关月、季度相关分析来看,秋季干湿程度对植被生长季结束时间影响相对较大.     

1982-2013年潞安矿区NDVI3g变化趋势及气候响应

为了揭示全球变化背景下矿业开发活动对矿区生态环境的影响,采用长时序GIMMS AVHRR NDVI3g（1982-2013年）全球植被指数数据集和气候信息（年均降水量和气温数据）,运用IDL编程实现数据合成运算、线性回归和趋势拟合,从时间、空间、气候三方面对矿区、缓冲区（10 km、20 km）、校验区的NDVI平均值和总值进行比较研究,并推算出生长期变化趋势.时序分析表明,32 a来矿区NDVI总量随开采年限延长呈先增后减/波动中下降的趋势,下降速率为0.18/（10 a）.矿区植被返青期滞后3 d,枯黄期提前30 d,生长期缩短33 d,缩减速率为10.3 d/（10 a）.空间分析表明,除潞安矿区外其他三区生长季均有所延长,研究区平均NDVI年增长率依次为矿区（1.09%） < 10 km缓冲区（2.16%） < 20 km缓冲区（8.86%） < 校验区（9.87%）,矿区NDVI总量自1995年后开始减少,非开采区NDVI总量呈增加趋势.气候变化分析表明,校验区NDVI对温度敏感性高于降水量,矿区NDVI对降水量敏感性高于温度,其中温度对两区植被生长有明显滞后性.研究显示,矿业开发活动抑制了矿区及周边区域NDVI的增长,NDVI年增长率远低于校验区,受温度升高、降水量减少共同作用,自然生态下校验区NDVI呈增加趋势,生长季延长;而受开采扰动影响下的矿区植被活动呈减弱趋势,生长期也有所缩短.      

太白山植被指数时空变化及其对区域温度的响应

太白山地处陕西秦岭腹地中段,是秦岭最高峰。基于5月的遥感影像提取研究区NDVI数据,结合实际调查,对太白山自然保护区1979-2009年植被指数变化特征进行分析,研究不同植被带NDVI对温度变化的响应。结果表明:近30 a来,太白山5月植被指数NDVI平均值达0.2以上的面积占研究区面积的89.5%,植被整体覆盖较高;但NDVI表现出明显的垂直性差异,中低海拔区NDVI大多分布在0.2以上,而较高海拔区NDVI则主要分布在0.2~0.5区间。有56%以上的区域NDVI基本没有发生变化;NDVI增加极显著和减少极显著区占总面积的4.88%和3.92%。近30 a来,研究区年平均温度呈明显上升趋势,线性增加趋势为0.35 ℃/10 a;随着海拔的升高,各植被带NDVI对温度的变化更为敏感,高海拔植被对温度变化的敏感性远大于低海拔植被,即人为影响相对较小、但海拔相差巨大的太白山植被生态系统,已成为气候变化影响的敏感场所。     

阴山北麓草原生态功能区植被覆盖度遥感动态监测

为揭示植被覆盖度时空动态变化及其与气候因子的相关关系,以2011年国务院印发的《国家主体功能区规划》中划定的防风固沙类型的阴山北麓草原生态功能区为研究区域,以MODIS长时间序列的植被指数产品为数据源,采用像元二分法、一元线性趋势法以及相关分析法等,对阴山北麓草原生态功能区植被覆盖时空变化及其与气温和降水的关系进行分析.结果表明:阴山北麓草原生态功能区植被覆盖较差,其中以察哈尔右翼中旗的植被覆盖度为最高,数值在30%~60%之间;乌拉特后旗植被覆盖度为最低,处于2.31%~8.89%之间.2000-2010年研究区植被覆盖整体呈波动下降趋势,以低等级（0~20%）和较低等级（20%~40%）为主,两等级面积占90%以上;处于高等级（60%~80%）和较高等级（80%~100%）水平的区域面积总和仅占研究区总面积的0.62%.2000-2010年植被覆盖度由高等级向低等级的转化趋势明显,植被退化面积占研究区总面积的53.4%,植被改善面积仅占1.63%,基本不变的区域占44.97%.相关分析显示,研究区植被覆盖度与同期降水响应关系良好,大部分区域二者呈正相关;植被覆盖度与同期气温关系不明显,大部分区域二者呈负相关,说明降水是影响阴山北麓草原生态功能区植被覆盖度变化的主要自然因素.      

呼伦贝尔草原植被覆盖时空动态变化监测定量方法研究

开展植被动态监测与评价,是评估生态保护措施、环境管理政策和全球变化研究的重要基础。论文以呼伦贝尔草原为例,基于1998—2008年间SPOT_VGT NDVI旬数据,通过分析生长期间的植被年均NDVI值、年NDVI最大值、年NDVI最小值、季节性动态性与物候的变化状况及其趋势,反映研究区植被覆盖空间特征,监测植被覆盖动态变化情况。结果表明:研究区植被覆盖区域特征为:以林地为主的区域草地-耕地-林地过渡区以耕地为主的区域以草地为主的区域;11 a来,研究区植被覆盖呈减弱趋势,植被覆盖最佳期提前,以林地为主的区域、草地-耕地-林地过渡区和以耕地为主的区域植被覆盖季节性动态变化较小,植被覆盖稳定性较强,而以草地为主的地区植被覆盖最小值日期推后,其季节性动态变化较大,生态环境稳定性较差。     

2000-2019年中国北方地区沙尘暴时空变化及其相关影响因素

利用多年多源环境、气象和卫星遥感资料,从年代际、年际异常和气候变化的角度分析了21世纪以来中国北方地区沙尘暴的时空演化特征及其气象、植被变化的影响机理.结果表明：①2000—2013年中国北方地区沙尘暴年日数呈显著波动下降趋势,下降速率为1.1 d/10 a,2013年后呈微弱增长趋势.近40年来,春季沙尘暴日数占全年沙尘暴日数的平均占比为62%,但其逐年变化率明显下降（-7.3%/10 a）,2010年后夏季沙尘暴日数的变化率则呈现上升趋势（12.4%/10 a）,新疆塔克拉玛干沙漠地区沙尘暴的高发季节由春季逐渐向夏季扩展.②21世纪初中国北方地区沙尘暴发生频数明显下降,沙尘暴影响范围向塔克拉玛干沙漠南部地区收缩西移,戈壁沙漠在亚洲沙尘源区中的主体地位逐年下降,改变了中国北方地区沙尘暴的空间格局.③中国北方地区沙尘暴的区域性减少主要归因于平均风速与大风日数逐年下降（-0.1 m·s^-1/10 a、-4.4 d/10 a）、年降水量显著增加（32.7 mm/10 a）及区域地表变绿.塔里木盆地南缘局地风速的升高是导致该地区沙尘暴多发的重要气象影响因素,而地表植被覆盖的增加是造成戈壁沙漠沙尘暴年日数显著下降的主要原因.     

辽河三角洲湿地植被生态状况变化特征分析

归一化植被指数（NDVI）是反映植被状况的重要指标,对植被生长和区域生态状况的研究具有重要意义。为探究辽河三角洲植被生态状况变化特征和未来发展趋势,基于1995—2009年的NOAA/AVHRR NDVI和2009—2020年FY3/MERSI NDVI数据,通过修正拟合和S-G滤波法构建了1995—2020年长时间序列NDVI数据集。利用趋势分析法、变异系数和Hurst指数分析辽河三角洲（盘锦地区）NDVI时空分布特征,重点研究了水田和沼泽湿地的植被生态状况变化规律和未来发展趋势。结果表明：（1）从时间变化上看,26 a间辽河三角洲NDVI呈波动增加趋势,年平均增长率为0.32%;NDVI年内呈典型的单峰型分布,最大值出现在7月下旬或8月上旬。（2）从空间变化上看,区域内NDVI呈西南—东北方向递增,最高值主要分布在水田区,次高值分布在沼泽区。（3）绝大部分水田植被逐年变好,且植被生态状况比较稳定,低波动变化区域占96.72%,未来植被生态状况将持续改善的区域占61.05%。（4）沼泽植被逐年变好的区域占97.67%,变好最明显的区域主要分布在南部沿海地区和双台子河口附近,且该区域未...     

柴达木盆地植被生长时空变化特征及其对气候要素的响应

以2001-2010 年MODIS NDVI 植被数据为基础,并结合该区同期气温和降水量数据,采用线性趋势分析、偏相关分析、Hurst 指数等数理分析方法,研究了近10 a 来柴达木盆地植被时空变化特征、影响因素及未来可能的变化趋势。结果表明：①2001-2010 年柴达木盆地植被生长季NDVI平均值（NDVI）呈显著增加趋势,线性增长率为0.041/10 a。柴达木盆地主要植被类型灌丛、草原、荒漠NDVI 的线性增长率分别为0.043/10 a、0.034/10 a、0.028/10 a;②柴达木盆地植被变化具有阶段性特征,整体呈“S”型增长,具有两次明显的植被快速增长期;③柴达木盆地植被改善面积占研究区总面积的12.43%,并主要分布在布尔汉布达山、祁漫塔格山、鄂拉山、柴达木山、宗务隆山的高山区,冬给措纳湖周边和绿洲核心区。植被退化面积仅占研究区总面积的0.35%,并主要分布在绿洲边缘区,特别是柴达木河绿洲和那陵格勒河绿洲的中下游地区;④植被NDVI 与1-5 月平均气温以及5-8 月可利用降水量呈显著正相关关系,植被生长与温度呈显著正相关的区域主要分布在绿洲核心区及高山区,占植被区面积的8.36%,植被生长与可利用降水量呈显著正相关的区域主要分布在低山区及山地河谷地带,占植被区面积的30.95%;⑤植被生长季延长和生长加速是柴达木盆地植被NDVI 增加的主要原因,气候的暖湿化是促使柴达木盆地植被改善的主要驱动力;⑥柴达木盆地植被改善具有强持续性,未来大部分区域植被将持续改善。     

兴隆山自然保护区优势植物的物候格局对气候变化的响应

甘肃兴隆山自然保护区地处青藏高原、黄土高原、蒙新高原交汇地带,区域内的植物物候变化对探索气候变化对该地区的生态影响有重要意义。本文对1951—2014年的气象数据进行了分析,结果表明:60年来,兴隆山地区的日均温呈逐年上升趋势,累积增温0.92℃,年降水量逐年下降,平均减少率为83.09 mm?(10a)~(-1)。通过对比2004—2007年和2012—2015年间两时间段内的鲜黄小檗(Berberis diaphana)等14种植物物种的开花等8种物候现象的发生时间发现,有42.86%的观测物种的物候存在显著差异,其中华北珍珠梅(Sorbaria kirilowii)、鲜黄小檗最为显著。鲜黄小檗物候期都呈推迟趋势。华北珍珠梅的春季物候期推迟,秋季物候期提前,其生长季减少率为15.49 d?a~(-1)。在保护区的植被管理实践中,应特别加强对华北珍珠梅的保育。     

锡林郭勒盟植被物候枯黄期对干湿变化的时间多尺度响应

基于全球监测与建模组(GIMMS)1982～2015年第三代归一化植被指数(NDVI)GIMMS NDVI 3g数据集和气象观测数据,采用累计NDVI的Logistic曲线曲率极值法提取锡林郭勒草原植被枯黄期,并结合不同时间尺度标准化降水蒸散指数(SPEI)分析植被枯黄期对干湿变化的响应特征.结果表明:1982～201...     

秦岭植被覆盖时空变化及其对气候变化与人类活动的双重响应

论文基于MODIS-NDVI数据、DEM及气象数据,辅以趋势分析、多元回归残差法、偏最小二乘回归法,反演了秦岭地区2000—2015年植被覆盖度及分析了其“格局—过程—趋势”的变化特征,探究了其对气候变化与人类活动的双重响应机制。结果表明：1）秦岭地区近16 a来植被覆盖度呈显著上升趋势,增速为2.77%/10 a,呈“中间高、周边低,西部高、东部低,南坡高、北坡低”的空间格局,植被覆盖度随海拔的升高在2 200 m左右达到最大,700~3 200 m达0.7以上,1 300~2 700 m达0.9以上,3 400 m以上为0.5以下的低值区;2）秦岭地区的植被覆盖与气候因子的响应关系存在明显的空间差异,对气温的响应总体上没有明显的时滞效应,而与降水的响应存在以滞后1个月为主的时滞效应;3）人类活动对秦岭地区植被变化的作用日趋增强,且以正向作用为主,主要分布在东部地区,而负向作用则分布于中部和西部地区;4）秦岭地区植被变化是气候变化和人类活动共同作用的结果,影响因子对植被覆盖变化的解释能力依次为人类活动>降水>气温>潜在蒸散量。     

气候变化下汉中盆地水稻产量变化研究

深入分析气候变化下汉中盆地水稻产量变化响应,可在进一步探究影响研究区水稻产量主要气象要素的同时,为地方水稻生长期内气象灾害的防控提供科学依据。为了解研究区水稻生长季主要的气象影响因子,文章基于1951—2014年汉中盆地多测站日气温、降水量、积温及气温日较差数据和水稻单产资料分离的气象单产数据,综合运用线性趋势、趋势系数、HP滤波法、Morlet小波分析等方法,在分析汉中盆地水稻气象产量和生长季各气象要素变化趋势的同时,推求了水稻气象产量和各主要气象要素序列的显著周期。研究结果表明：1）近64 a汉中盆地4—9月水稻生长季平均气温和≥10 ℃活动积温变化均呈上升趋势,气温日较差呈下降趋势,降水量变化趋势不明显;2）汉中盆地各气象要素与水稻气象单产的显著周期分析结果显示水稻气象单产第一主周期与各气象要素的第二主周期相对应,均存在13~14 a时间尺度的主周期变化;3）各气象要素对水稻气象产量的影响各异,不同气候背景下影响水稻气象产量的主导气象因素不同。论文研究结果可为汉中盆地水稻生产的优化布局及地方经济社会发展提供参考依据。     

河西走廊东部沙尘日变化特征及其与气象因子的关系

沙尘天气是河西走廊东部多发的灾害天气之一.为提高河西走廊东部沙尘天气的预测、预报、预警水平,更好地预防沙尘灾害和沙尘天气对空气质量的污染.利用河西走廊东部5个气象站1960-2016年逐日沙尘（包括浮尘、扬沙及沙尘暴）资料和四季平均气温、最高气温、最低气温、平均风速、大风日、蒸发量、降水量、相对湿度等资料,运用统计学方法分析了河西走廊东部各强度沙尘日的时空分布特征以及沙尘日与气象因子的相关性.结果表明:受海拔、地形地貌以及天气系统等影响,各强度沙尘日（除浮尘外）由东北向西南呈递减趋势.年代、年各强度沙尘日呈显著减少趋势,沙尘暴、扬沙、浮尘递减率分别为-2.436、-5.277、-5.719 d/（10 a）,气候趋势系数均通过了α=0.01的显著性水平检验.年沙尘日的时间序列均存在着6~8 a的准周期变化.各强度沙尘日均为春季最多,秋季最少,且各季节沙尘日均呈显著减少趋势,递减率为春季>夏季>冬季>秋季,气候趋势系数均通过了α=0.01的显著性水平检验.各强度沙尘日月变化比较一致,高峰值出现在4月,低谷值出现在9月.气象因子对沙尘天气有一定的影响,同一季节气象因子对各强度沙尘日的影响相对一致,但不同的季节气象因子对各强度沙尘日的影响不一致.热力因子和动力因子是影响沙尘天气的主导因子,水分因子的影响较弱.研究显示,气候变暖、冷空气活动频次和强度减弱是沙尘日减少的主要原因之一,大气环流的季节性转变是沙尘天气季节性变化的主要原因.      

2000～2017年贵州省植被覆盖时空变化特征及其对气候变化的响应

利用MODIS/NDVI数据、近18年来贵州省气象站点数据，辅以时间序列、变化趋势和空间动态变化分析等方法，研究贵州省植被覆盖的时空变化特征；探讨植被覆盖变化对气象因子在地域、变化速率和变化方向方面的时空响应规律。研究结果显示：（1）2000~2017年贵州省植被覆盖呈现显著增加的趋势，增速为0.004/a，夏季NDVI值最高，冬季增加趋势最大；空间上，贵州省植被覆盖格局呈现"南高北低、东高西低"的空间分布特征。在变化趋势上，贵州省植被覆盖呈改善和退化趋势的面积分别占贵州省总面积的94.97%和5.03%。（2）2000~2017年，贵州省气候变化特征是降雨量在年内分布不均，且主要分布在5月至8月；温度在各个季节变化趋势不明显，但是总体呈上升的趋势。气温和降水变化趋势大于零的面积分别占贵州省总面积的98.4%和60.46%，说明在全球暖湿化的大背景下，贵州省大部分地区亦呈温度升高、降水增加的态势。（3）贵州省NDVI与气温的相关性大于降水，但其对降水的滞后性却高于气温。其中，秋季植被受降水影响滞后性最强，其次是夏季。（4）不同气候要素对贵州省植被生长影响具有空间差异性，98.4%的地区NDVI与同期温度均达到正相关水平；NDVI与同期降水并未表现出良好的相关性，但82.63%的地区植被与前一年降水呈正相关水平。植被与降水呈负相关的地区，建设用地、裸地占更大比率，且人类活动在植被变化中的作用不容忽视。     

地表反照率动态参数化方案研究——以玉米农田为例

利用2006-2008年锦州玉米农田生态系统野外观测站的通量、气象及生物因子观测资料研究了地表反照率(α)的动态参数化方案。结果表明:α与太阳高度角(h_θ)呈对数关系,与表层土壤湿度(SWC)呈对数或线性关系,与叶面积指数(LAI)呈指数或线性关系。非生长季,h_θ与SWC为α的主要影响因子,与α分别呈对数和线性关系时α的模拟精度明显好于其他关系,除初春外,大部时段的α模拟误差都较小。生长季,α主要受h_θ、SWC和LAI的影响。采用α分别与h_θ、SWC和LAI呈对数、线性和指数关系时α的模拟精度较高,受资料限制,大部分时段的α被明显低估,玉米营养生长阶段的模拟精度更差。引入植被覆盖度(F_veg)对裸土和植被分别赋权重所建立的α动态参数化模型,在生长季内α的模拟误差明显减小,营养生长时段α的模拟精度显著提高。该研究将为陆面过程模型提供动态的植被反照率参数,从而可提高模拟的准确性。     

黑河流域中游地区生态环境变化特征及驱动力

多角度分析黑河流域中游地区植被覆盖度时空变化特征,并建立基于演变过程的生态系统灰色关联度模型,分析生态环境变化的驱动因子.研究表明:1)1999~2008年,平原旱地、低覆盖草地、有林地年最大归一化差异植被指数(NDVI)增幅较大,达0.1~0.2,疏林地2004年后保持高速增长,年最大NDVI增幅0.208,增长了77.6%; 2)张临高盆地年最大植被覆盖度线性拟合年均增幅0.0063,生长季节平均植被覆盖度在小幅波动中呈现稳定增长趋势,拟合优度达0.74;甘州区生态治理成效最显著,年增长幅度集中在0.03~0.3;临泽县和高台县以增长为主,但局部过渡带地区下降幅度达0.1~0.3; 3)植被7~10月覆盖度呈现明显增长趋势,峰值从6~7月延迟到7~8月,2007年达0.39;植被覆盖度分级结构呈现优化趋势,极低覆盖度植被逐渐转化为低覆盖度植被,2007年相比2000年降低25%以上,高覆盖度植被1998~2008年间增长约16%; 4)根据3种植被覆盖度变化与各驱动因子关联分析,气象水文因子主要包括降雨量、蒸发量、径流量,最大关联度分别为0.91、-0.83、0.76,社会经济因子主要包括农作物播种面积、第一产业产值、农业科技水平,最大关联度分别为-0.81、0.78、0.81.     

基于SEBAL模型的赤峰市植被修复下林草蒸散耗水特征

水是制约干旱半干旱地区实现可持续发展的关键因素,维持降水与蒸散发的平衡是开展植被修复工程时需要着重考量的因素.利用陆面地表平衡算法（Surface Energy Balance Algorithm for Land,SEBAL）模型反演了2000年、2008年、2016年赤峰市全域及森林与草地生态系统的实际蒸散发,通过参考蒸散比不变法与日气象数据将反演结果扩展至日尺度,累加得到月际与生长季尺度的实际蒸散发;结合降水变化,分析植被修复工程开展后赤峰市实际蒸散发的时空变化特征与水分盈亏状况.结果表明:①2000年、2008年、2016年赤峰市生长季的实际蒸散量分别为440.86、452.76、474.34 mm,呈增加趋势,蒸散发高值区（>400 mm）由北向南扩增.②2016年生长季森林分布区的耗水量比2000年增加了27.69×108 t,水分亏缺量增加了8.03×108 t,表明过度造林会使森林生态系统遭受严重的干旱胁迫.③一个生长季内,草地生态系统蒸散量的增幅远低于森林生态系统,1 m2草地生态系统的耗水量比森林生态系统少0.18 t.研究显示,在降水量低于300 mm的区域,草地生态系统面临较轻的干旱,且部分区域可以实现水分平衡.为了维持区域水资源存量,建议赤峰市在今后的植被修复工作中,对于降水量低于300 mm的区域以草本修复为主.