非洲热带稀树草原植被健康对气候极端事件的响应机制：基于SIF与BRT模型的20年动态分析

本研究针对非洲热带稀树草原生态系统对气候变化的脆弱性问题，通过线性回归和增强回归树（BRT）模型，系统评估了2000-2020年间降水、温度、蒸汽压亏缺（VPD）、土壤湿度（SM）和干旱（scPDSI）对太阳诱导叶绿素荧光（SIF）的影响。研究发现26.55%区域植被显著改善，5.56%显著退化，揭示VPD（26%）和温度（21%）是主导驱动因子，为制定生态恢复策略提供了科学依据。

　　

非洲热带稀树草原作为全球第二大生物群落，支撑着大量野生动物和人类生计，却在气候变化面前显得尤为脆弱。这片广袤的土地占非洲大陆65%面积，却面临着温度升高、降水格局改变和干旱频发的多重威胁。随着"人类世"概念被广泛接受，科学家们愈发担忧这些生态系统能否在日益极端的气候条件下维持其生态功能。联合国"2021-2030生态系统恢复十年"计划特别强调了保护这些区域的重要性，但关键问题依然悬而未决：不同植被类型对气候变化的响应机制有何差异？哪些气候因子起着决定性作用？回答这些问题对制定精准保护策略至关重要。

中国科学院的研究团队通过创新性地结合太阳诱导叶绿素荧光（SIF）监测和机器学习算法，对非洲热带稀树草原开展了为期20年（2000-2020）的系统研究。这项发表在《Global Ecology and Conservation》的研究揭示了气候极端事件对植被健康的复杂影响机制，发现约四分之一区域植被显著改善，但同时有5.6%区域出现严重退化，其中VPD和温度被确认为最关键驱动因子。这些发现为理解气候变化下稀树草原的适应机制提供了新视角，也为区域生态管理策略的制定提供了量化依据。

研究团队采用了多源数据融合与机器学习相结合的技术路线。关键方法包括：1）基于OCO-2卫星的全球SIF数据集（GOSIF，0.05°分辨率）量化植被光合活性；2）ERA5和ERA-Interim再分析数据获取气候因子；3）标准化异常值处理消除量纲差异；4）线性回归趋势分析评估长期变化；5）增强回归树（BRT）模型解析多因子贡献度。特别值得注意的是，研究采用自校准帕默尔干旱指数（scPDSI）精确表征干旱强度，并通过四层土壤湿度数据整合提高了水分胁迫评估的准确性。

研究结果部分呈现了丰富发现：

"热带稀树草原SIF动态特征"显示，2000-2020年间植被呈现显著空间异质性。26.55%区域（主要为稀树草原和森林-稀树草原镶嵌带）SIF显著增加（>0.1 Wm^-2μm^-1sr^-1/a），而5.56%区域（集中在灌丛和林地）显著降低。东苏丹和萨赫勒地区改善明显，而安哥拉和赞比西区域退化突出。

"不同稀树草原类型的SIF动态特征"揭示植被响应存在类型依赖性。灌丛退化最严重（26.98%显著降低），而稀树草原改善最显著（41.5%显著增加）。引人注目的是，草地表现出特殊稳定性，42.52%区域无明显变化，可能与其抗旱适应策略有关。

"植被动态变化趋势"通过五年间隔分析发现阶段性波动。2000-2005年森林-稀树草原镶嵌带下降10.6%，但2015-2020年恢复51.6%，与降水增加同步。2016年干旱对赞比西林地造成持续影响，印证了极端气候事件的遗留效应。

"气候与干旱变量年际变化"显示全区域99.87%显著升温（最高+0.153°C/a），但降水呈两极分化：57%区域增加（最大+0.141 mm/a），43%减少。土壤湿度（SM）下降区域（51%）与VPD上升区（32.3%）空间重叠，凸显水热耦合效应。scPDSI指数表明67%区域趋向湿润，但33%面临干旱加剧。

"气候因子贡献度分析"通过BRT模型量化了各驱动力的相对重要性。VPD贡献度达26%，温度21%，两者在灌丛和稀树草原中影响尤为突出。值得注意的是，scPDSI对特定生态系统（如灌丛）贡献高达54.2%，揭示了干旱敏感性的类型差异。

讨论部分深入阐释了这些发现的科学价值。VPD作为大气水分需求指标，其主导作用（26%）改写了传统认知中降水决定论，表明在变暖背景下，空气干燥度可能成为比降水更关键的限速因子。温度与VPD的协同效应在灌丛和稀树草原中表现迥异，暗示不同光合途径（C₃/C₄）植物可能存在差异适应策略。研究还发现，虽然降水增加促进部分区域（如东非）植被恢复，但土壤湿度下降区（如草原）仍面临退化风险，说明土壤持水能力可能是缓冲气候波动的关键。

该研究的创新性体现在三方面：首次在非洲尺度上量化SIF对多气候因子的响应；揭示VPD在稀树草原动态中的核心地位；建立基于机器学习的生态敏感性评估框架。这些成果不仅为理解"全球变化-植被反馈"机制提供了新证据，也为实施"联合国生态系统恢复十年"计划提供了科学支撑。研究者建议未来应重点关注VPD变化趋势，在敏感区域建立早期预警系统，并针对不同植被类型制定差异化适应策略。值得注意的是，研究也指出人类活动因素的潜在干扰，建议后续工作应整合土地利用数据以完善评估模型。