青藏高原灌丛扩张的三十年最小限度扩展：多源遥感揭示的生态过渡带动态与气候驱动机制

本研究针对青藏高原(TP)灌丛扩张的空间异质性和驱动机制不明确的问题，整合Landsat、Sentinel-1/2多源遥感数据，开发了基于物候特征的像元级分类方法。通过随机森林(RF)模型（Kappa=0.70-0.81）发现灌丛主要分布在森林-草地过渡带，其扩张呈现聚集模式（1990-2022年面积从3.40%增至4.71%），干旱区阴坡因水分条件优越成为扩张热点。研究首次揭示了太阳辐射强度（湿润区）和水分可利用性（干旱区）的分区主导机制，为高海拔生态系统对气候变化的响应提供了新认知。

　　

在全球气候变化背景下，灌丛扩张已成为影响陆地生态系统的关键过程。作为"第三极"的青藏高原，其灌丛扩张速率远超全球平均水平（39%高寒草甸已被灌丛-草地替代），但传统调查方法难以捕捉这种大尺度空间异质性。更棘手的是，灌丛与草地在光谱特征上的相似性导致现有土地覆盖产品精度参差，使得青藏高原灌丛动态充满不确定性。这种认知空白严重阻碍了我们对高海拔生态系统响应气候变化的预测能力。

中国科学院的研究团队通过整合1990-2022年间Landsat、Sentinel-1/2等多源遥感数据，创新性地开发了基于物候特征的像元级分类方法。研究采用平滑滤波强度调制(SFIM)融合技术处理异构数据，构建了包含NDVI（归一化差异植被指数）、LSWI（地表水分指数）等18个特征参数的分类体系，并利用随机森林(RF)模型进行地类识别。通过无人机(UAV)获取的619个地面验证点和502个高分辨率影像解译点验证了模型可靠性。

3.1 青藏高原灌丛类型的空间分布
研究首次绘制了TP全域灌丛分布图，显示灌丛主要分布在森林-草地过渡带（2022年占比4.71%）。在湿润的东南部高原亚热带湿润区(PTHSR)分布最广，而在干旱的高原温带干旱半干旱区(PTASR)呈斑块状分布。典型地貌中，河谷冲积扇（如雅鲁藏布江）和海拔2800-4600m的阴坡形成灌丛聚集区。

3.2 灌丛分布的区尺度决定因素
随机森林特征重要性分析揭示：湿润区灌丛分布受地形主导（海拔和坡度，p<0.01），而干旱区则受土壤有机碳(SOC，649.92 vs 418.86 g/kg)、年均降水(AMP，44.41 vs 31.06 mm)和土壤湿度(SM，54.17% vs 30.55%)控制（p<0.001）。值得注意的是，-25.03°C的冬季最低温构成灌丛生存阈值，人类活动足迹在灌丛区显著更高（p<0.01）。

3.3 局部地形对灌丛分布的影响
海拔梯度分析显示：湿润区4400m以下灌丛面积与太阳辐射强度显著正相关（p<0.0001），而干旱区2800-4600m灌丛扩张与土壤湿度密切关联。阴坡在干旱区聚集了68.51%的灌丛，其土壤湿度显著高于阳坡（p<0.05）。沟谷地形分析进一步证实，干旱区沟内灌丛占比是沟外的2.13倍（土壤湿度3.75% vs 1.76%，p<0.05）。

3.4 1990-2022年灌丛扩张格局
三十年期间灌丛面积增长1.31%，但空间异质性显著：PTASR扩张最快（+1.13%），而PSASR仅增0.02%。景观指数显示灌丛斑块聚集度(AI)从31.23升至34.30，表明扩张呈集群模式。海拔分异显示：干旱区阴坡3000m以上区域灌丛面积翻倍，而湿润区4400m以上阳坡出现退缩。

讨论部分指出，该研究解决了中分辨率遥感识别灌丛的两大难题：通过秋季物候窗口（10-11月云量<5%）捕捉灌丛-草地光谱差异，并融合Sentinel-1雷达数据克服稀疏灌丛识别瓶颈。研究发现的气候驱动机制分区现象（湿润区光热主导vs干旱区水分限制）颠覆了传统认知，特别是阴坡作为"水分避难所"的扩张热点现象，为理解气候变化下植被边界迁移提供了新视角。研究还警示，尽管CO₂施肥效应可能促进灌丛扩张，但干旱区水分限制将形成生态阈值，这种非线性响应对预测高海拔生态系统碳汇功能具有重要启示。

该成果不仅为青藏高原生态安全屏障建设提供科学依据，其开发的"物候特征-像元级-多源融合"技术框架更可推广至北极等类似生态系统。未来研究需结合CO₂控制实验和毫米波雷达等新型遥感手段，以揭示灌丛扩张对碳氮循环的深层影响。