阿拉斯加内陆多年冻土解冻阶段的多源遥感协同制图与火灾影响机制解析

针对生态系统保护型多年冻土(ecosystem-protected permafrost)解冻阶段难以大尺度表征的难题，研究人员整合重复机载激光雷达(lidar)、WorldView-2、Sentinel-2等多源遥感数据，首次开发出解冻四阶段（老化解冻/侧向解冻/垂直浅层解冻/垂直深层解冻）分类协议，在2500 km2冰缘低地实现79%分类精度，揭示了火灾-植被-解冻的级联响应机制，为北极多年冻土-火灾-气候系统研究提供新范式。

　　

随着全球变暖加剧，北极地区正经历着显著的多年冻土(permafrost)退化。这种被称为"北极放大效应"的现象导致阿拉斯加内陆多年冻土区解冻速度加快，而野火频发进一步破坏了地表植被和有机层的隔热作用，形成气候变暖-火灾-解冻的恶性循环。然而，传统方法难以大尺度监测生态系统保护型多年冻土(ecosystem-protected permafrost)的解冻过程，因为其解冻具有空间异质性和多维性（垂直+侧向），且缺乏有效的参考数据采集手段。

美国陆军工程兵团寒区研究工程实验室(ERDC-CRREL)的Caiyun Zhang团队创新性地将重复机载激光雷达(lidar)与多源卫星遥感相结合，在阿拉斯加Tanana Flats低地2500 km²范围内开发出首个多年冻土解冻阶段分类协议。研究通过融合20年野外观测数据、WorldView-2高分辨率影像、Sentinel-2/Landsat时间序列和数字高程模型(DEM)，成功区分出老化解冻(old thaw)、侧向解冻(lateral thaw)、垂直浅层解冻(vertical shallow thaw)和垂直深层解冻(vertical deep thaw)四阶段，总体分类精度达79%。

关键技术包括：1）基于重复lidar（2009/2014/2020）的地表形变分析提取解冻参考样本；2）结合WorldView-2光谱特征建立解冻阶段判别规则；3）利用Sentinel-2和Landsat NDVI时间序列追踪火灾后植被动态；4）采用面向对象的机器学习集成分类方法。

【研究结果】

1. 新生态类型制图：2020年Sentinel-2与2023年Landsat分类显示，研究区东南部以针叶林为主，东北部为低位沼泽(fen)，西部因火灾影响以灌木为主，两类传感器总体分类精度达75-78%。

2. 解冻阶段空间格局：解冻模式受火灾主导并受局部因素调节，老化解冻多分布于低位沼泽区，侧向解冻集中在解冻边缘带，垂直解冻则与稀疏植被区相关。

3. 火灾-植被-解冻关联：2001年火灾后20年的植被演替路径为：常绿林→稀疏植被→灌木丛，低位沼泽系统因水文条件改变更易发育灌木-rich fen系统，加速解冻进程。

【结论与意义】
该研究突破性地解决了生态系统保护型多年冻土解冻参考数据获取的瓶颈问题，首次实现大尺度解冻阶段制图。提出的多源遥感协同协议比传统热喀斯特(thermokarst)制图技术更能反映解冻的多维复杂性，尤其通过重复lidar成功捕捉到侧向解冻这一关键过程。研究发现火灾通过改变植被结构和水文条件，引发"垂直解冻→侧向扩展→生态系统转型"的级联效应，这对理解北极多年冻土碳释放机制和气候反馈具有重要价值。论文提出的技术框架可推广至其他冰缘区，为北极基础设施风险评估和碳循环建模提供新工具。