关键词:
锡林郭勒盟草原区
机器学习
草地地上生物量
干旱脆弱性
摘要:
草原生态系统作为自然生态系统的重要组成部分,为畜牧经济发展提供了重要的牧草资源,对调节气候变化和维持生态系统平衡起着非常重要的作用。锡林郭勒盟草原地处干旱/半干旱区,随着气候变化以及人类活动的影响,加之该区域较为单一的植被类型导致草原生态系统脆弱性明显增加,对其进行定量的脆弱性评价变得十分重要。草地地上生物量(Above Ground Biomass,AGB)是草原生态系统获取能量、固定二氧化碳的物质载体,代表初级生产力的基本水平,决定了草原承载草畜的能力。草地AGB的变化直接反映草原退化、草场荒漠化的程度。当前利用表征植被绿度长势的遥感指数来进行干旱脆弱性研究较多,对植被生产力开展干旱脆弱性的相关研究较少。有必要深入了解干旱胁迫下的锡林郭勒盟草地AGB的干旱脆弱性。因此,本文以锡林郭勒盟为研究区,利用多年草地AGB实测数据、气象站点数据、遥感数据等多源数据。基于机器学习方法建立了草地AGB估算模型,开展了草地AGB的反演研究,对2000~2020年锡林郭勒盟草地AGB的时空变化特征进行了分析。接着,基于气象站点数据计算了锡林郭勒盟草原短期、中期、中长期以及长期时间尺度SPEI(Standardized Precipitation Evaporation Index,SPEI),同时对其进行了时空变化特征分析。在此基础上结合干旱脆弱性理论,探究了研究区长时间尺度不同草原类型的干旱脆弱性。研究结果如下:(1)三种机器学习算法建立的草地AGB估算模型中,随机森林算法建立的模型精度最高。各种特征变量的贡献率分析结果表明,植被要素的贡献率均比较高,而地形要素的贡献率较低。2000~2020年锡林郭勒盟草地AGB整体呈现波动性增加的趋势,2013年草地AGB最高,而2009年达到草地AGB最低值。空间上草地AGB呈现从东北向西南逐渐减少的空间分布特征。各种草原类型中,典型草原AGB总量最高,草甸草原次之,荒漠草原最少。锡林郭勒盟12个下辖旗县中,东乌珠穆沁旗、西乌珠穆沁旗的草地AGB较高,苏尼特左旗、苏尼特右旗和二连浩特市的草地AGB较低。(2)2000~2020年锡林郭勒盟草原发生的累积干旱主要以轻旱为主,不同时间尺度SPEI在各种草原类型中发生的干旱存在差异。典型草原中,SPEI-3和SPEI-24发生轻度干旱的频率最高分别达到28.6%和14.3%。草甸草原中,SPEI-24发生轻度干旱的频率最高达到19.0%,SPEI-1发生中度干旱的频率最高达到14.3%,SPEI-3和SPEI-12发生严重干旱的频率最高分别达到9.5%和4.8%。荒漠草原中,SPEI-6发生轻度干旱的频率最高达到19.0%,SPEI-48发生中度干旱的频率最高达到19.1%,SPEI-1严重干旱的频率最高达到9.5%。其它草原中,SPEI-24发生轻度干旱的频率最高达到23.8%,SPEI-1发生中度干旱的频率达到19.0%,SPEI-3发生严重干旱的频率最高达到4.8%。(3)锡林郭勒盟草地AGB的暴露度分析发现,大部分区域呈现出无旱状态,2011~2015年干旱主要发生在苏尼特右旗,2016~2020年干旱主要发生在阿巴嘎旗北部。锡林郭勒盟草原干旱敏感性计算结果显示,各种草原类型中草甸草原干旱敏感性最高,荒漠草原干旱敏感性较低。干旱适应性计算结果表明,2000~2005年锡林郭勒盟草原干旱适应性最低,2011~2015年间干旱适应性普遍较高。干旱脆弱性研究结果显示,苏尼特左旗和苏尼特右旗在各个研究时间段内展现出较低的干旱脆弱性,而东乌珠穆沁旗和西乌珠穆沁旗的干旱脆弱性普遍较高。本文的研究结果,对于科学调整草畜关系、保护生态环境安全、实现草地资源可持续发展具有重要意义。