喀斯特区域植被碳对极端气候变化的多时间尺度响应

Vegetation carbon plays a particularly important role, for a major factor in regulating the ecological process, in the karst ecosystem restoration of southwest China, due to shallow soil / less soil. In view of the increasing of sharp drought extreme climate risk in this karst region, due to global climate change and geological background, but the analysis of regional vegetation carbon focused on single scale and the linear response, the hidden information of multi time scale and nonlinear dynamical mechanism needs to be further studied. The long-term trend of vegetation carbon, nonlinear characteristics of abrupt and multi time scale, and spatial heterogeneity would be obtained in this study karst region, based on previous research experiences and accumulated dataset, combined the long time series remote sensing images of optical and microwave, through the methods of trend analysis and scale decomposition. Further, the interactive effect and the relative importance of extreme climate and human activities on regional vegetation carbon would be explored, through the methods of Boosted Regression Tree, geographical weighted regression, and partial least squares regression et al. This study tries to analyze and to verify the interaction effects and their relative importance/contribution of extreme climate and human activities impacting on the change of regional vegetation carbon, so as to provide scientific reference to reduce the uncertainty for the estimation and prediction of vegetation carbon in karst region, but also to provide strong evidences to reveal the nonlinear dynamic mechanism of vegetation carbon change and the evaluation of desertification control benefits in the special karst region.

植被碳作为调节生态过程的主要因子，在土层浅薄/土壤总量少的西南喀斯特区生态恢复中扮演着尤为重要的角色。针对该区域在全球气候变化与地质背景双重作用下具旱涝急转/极端气候风险增强特征、但有关该区域植被碳响应研究集中于单一时间尺度及线性分析、其多时间尺度隐藏信息及非线性动力机制有待深入探讨的问题。本项目拟基于前期数据积累与研究基础，综合光学遥感影像与微波遥感影像长时序数据，通过趋势突变分析与尺度分解方法，分析基于像元的喀斯特区域植被碳变化长期趋势、突变与多时间尺度非线性特征及其空间异质性；并进一步通过增强回归树、地理加权回归与偏最小二乘回归等方法，对比区分并验证极端气候变化与人类活动对喀斯特区域植被碳变化影响的交互效应及其相对重要性/贡献，从而为喀斯特区域植被碳平衡估算及其变化预测减少不确定性提供科学参考，同时也为喀斯特区域植被碳变化非线性动力机制认识与石漠化治理效益评估提供有力证据。

本项目主要针对旱涝急转的喀斯特区植被碳长期变化趋势与多时间尺度特征不明确、人类活动与极端气候变化对其影响不清晰的问题，探讨了基于像元的喀斯特区域植被碳对极端气候变化的多时间尺度响应。通过项目组成员的共同努力与协作攻关，较为圆满的完成了研究目标。研究结果发现，西南喀斯特区气候变化以暖干趋势为主，极端气候存在突变、多特征时间尺度及趋势转换非线性变化特征；区域植被碳变化表现出短/中/长特征时间尺度、突变、趋势转换等非线性特征及高度的空间异质性；不同特征时间尺度二者相关性具差异，短/中时间尺度上主要由海拔、植被类型、地貌决定(在6年时间尺度下由降水量驱动)，但在长期趋势上主要由植被类型、喀斯特地形和气候因子所驱动，季前水分(尤其蒸汽压亏欠，65.50%的区域负相关)在植被碳增长变化中发挥了关键限制作用；区域植被碳变化空间上总体表现为，在广西和贵州北部气候变化的影响大于人类活动的影响，二者交互效应在整个区域为29.6±15.8%；区域植被碳突变在空间上大致表现为，西部主要由气候变化(尤其极端气温升高)所驱动(短时间尺度更明显)，东部区主要是由于生态保护人类活动影响所致(长期趋势更明显)。并且，累积绿化期温度、水汽压差、土壤湿度是重要的环境变量(31.31%、14.79%、13.92%)。研究结果显示，极端气候对区域植被碳空间分异及变化起着关键制约作用，人类活动则是区域植被碳变化的关键主导因素，气候变化相对贡献远高于人类活动的影响(80.81%&19.19%)；研究结果同时也表明，突变和多特征时间尺度方法相结合，有助于准确、全面地评估区域植被碳与极端气候变化及人类活动的关系(r2=0.78，p<0.01；直接拟合r2=0.66)。通过本项目的实施，完成了项目设定的研究目标，研究结果支撑了喀斯特区域植被碳平衡估算与变化预测减少不确定性，同时为喀斯特区域植被碳变化非线性动力驱动机制的深入认识与石漠化治理效益的综合评价提供了有力证据。.