中国北方新乐市沙河地表水渗漏对浅层地下水水位及水化学的响应机制与空间变异性研究

为解决干旱传播机制复杂、传统线性模型难以捕捉高维非线性关系的问题，研究人员采用收敛交叉映射(CCM)和广义随机森林(GRF)融合框架，系统分析了塔里木河流域气象-水文-农业-生态干旱的长链传播路径、滞后反馈及驱动机制。研究发现气象干旱向水文/农业/生态干旱的传播强度分别为0.7/0.4/0.8，滞后2/5/8个月，反馈效应呈现明显非对称性。土壤水分(16.03%)和潜在蒸散发(14.28%)被确定为关键驱动因子，为干旱早期预警和生态风险管理提供了新方法。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，干旱已成为最具破坏性的自然灾害之一，其影响贯穿水文过程、生态系统功能、农业生产和社会经济稳定。传统研究多采用线性统计方法分析干旱传播，难以捕捉干旱类型间复杂的非线性、时滞和反馈驱动关系。特别是在塔里木河这类封闭的内陆干旱盆地，干旱动态同时受自然变异和人类干预影响，形成高维非线性系统，这对理解干旱演化机制和制定应对策略提出了严峻挑战。

针对这一科学难题，中国科学院新疆生态与地理研究所干旱区生态安全与可持续发展国家重点实验室的研究团队创新性地构建了融合收敛交叉映射(Convergent Cross-Mapping, CCM)和广义随机森林(Generalized Random Forest, GRF)的混合因果推断框架。该研究以中国最大内陆干旱区——塔里木河流域为案例，首次系统量化了气象(SPI)、水文(SRI)、农业(SSMI)和生态(NDVI)四类干旱间的长链传播机制，相关成果发表在《Ecological Modelling》期刊。

研究采用的关键技术包括：1）基于互信息和虚假最近邻法优化时间序列的嵌入维度；2）应用CCM分析干旱类型间的双向因果强度和时滞特征；3）利用GRF模型量化因果效应的空间异质性并识别主导驱动因子；4）结合Lyapunov指数和Hurst指数揭示干旱系统的非线性特征。数据来源于中国气象科学数据中心、国家青藏高原数据中心等机构的2000-2020年气象水文观测及遥感产品。

研究结果部分，"干旱反馈与滞后 via CCM"章节显示：通过状态空间重构确定SPI、SRI、SSMI和NDVI的最佳嵌入维度分别为23、10、3和17，反映出不同干旱类型的内在复杂性差异。CCM分析揭示气象干旱向水文/农业/生态干旱的传播强度呈阶梯式递减(0.7→0.4→0.8)，而反馈效应显著较弱(0.2-0.4)，呈现明显因果不对称性。特别值得注意的是水文与生态干旱间存在强双向耦合(SRI?NDVI交叉映射技能达0.85-0.95)，滞后分析显示这类反馈需要10-12个月才能充分显现。

"GRF分析的异质性与关键驱动因素"章节发现：干旱传播强度存在显著空间异质性，SPI→NDVI的因果效应在0.01-0.91间波动(均值0.47)。分裂增益分析表明土壤水分(相对重要性16.03%)和潜在蒸散发(14.28%)是主导驱动因子，而地下水储量异常在SPI→SRI和SRI→NDVI传播中起关键调节作用。阈值分析进一步揭示，多数干旱传播路径的因果强度随干旱程度加剧而增强，但SPI→SRI和SSMI→NDVI等特定路径在极端干旱下反而减弱，暗示系统可能出现解耦或饱和现象。

讨论部分强调，该研究突破了传统线性模型的局限，首次在区域尺度上揭示了干旱传播的非线性网络特征。相比湿润地区常见的单向级联模式，塔里木河流域表现出更强的双向反馈和状态依赖效应，这主要源于其封闭水文结构、深层土壤水分记忆和耐旱植被的适应性特征。研究提出的CCM-GRF混合框架为理解复杂干旱系统提供了新范式，其中GRF模型成功量化了不同环境背景下因果效应的异质性，而CCM则捕捉到传统方法难以识别的时滞反馈。

这项研究对干旱风险管理具有重要实践价值：1）早期预警系统应整合土壤水分和地下水等滞后指标；2）生态恢复措施需考虑植被-水文反馈的长期累积效应；3）灌溉调度应关注农业干旱对气象条件的快速反馈(滞后仅2个月)。方法论层面，该框架可推广应用于其他干旱区，未来研究可通过纳入人类活动因素进一步优化模型。这些发现为应对气候变化下的复合干旱风险提供了科学依据，支撑了联合国可持续发展目标(SDGs)中"清洁饮水和卫生设施"、"陆地生物"等目标的实现。