气候驱动下干旱地区空气质量、土地利用与植被健康的动态关联研究——以伊朗中央省为例

《Innovation and Green Development》：Climate-driven dynamics of air quality, land use, and vegetation health across arid regions

　　本研究针对干旱地区环境退化问题，通过卫星遥感与格兰杰因果分析，揭示了2001-2022年间伊朗中央省不同气候带地表温度（LST）上升2.8°C、PM2.5浓度增加31%、植被健康指数（NDVI）下降18%等关键发现，为干旱区生态环境综合治理提供了科学依据。

　　

在气候变化与人类活动双重压力下，干旱地区的生态环境正面临着前所未有的挑战。地表温度持续升高、降水模式改变、空气污染加剧、植被退化等问题交织在一起，构成了复杂的生态环境危机。特别是在伊朗中央省这样的典型干旱区域，快速的城市化进程和农业活动对原本脆弱的生态系统造成了更大压力。然而，传统研究往往将气候、土地利用和空气质量作为独立领域进行分析，缺乏对它们之间相互作用机制的深入探讨。正是为了填补这一研究空白，来自阿拉克大学的研究团队开展了一项创新性的综合研究。

这项发表于《Innovation and Green Development》的研究，通过整合多源卫星数据和先进统计方法，首次在干旱地区环境中系统揭示了气候因子、土地利用变化和空气质量之间的时空动态关系。研究人员采用Google Earth Engine（GEE）平台处理了2001、2012和2022三个时间节点的环境数据，结合格兰杰因果分析（Granger causality analysis）方法，深入探讨了各环境变量之间的因果关系和时间滞后效应。

研究团队主要运用了卫星遥感数据获取、时空序列分析和因果推断等关键技术方法。通过MODIS、TERRACLIMATE等卫星数据集，提取了地表温度（LST）、降水、蒸发、PM_2.5浓度、植被指数（NDVI）以及土地利用等多维环境指标。利用格兰杰因果分析建立了变量间的时序关系模型，识别了环境因子间的因果联系。

3.1. 关键环境指标的时空变异性

研究显示，不同气候带的环境指标存在显著差异。超干旱区白天地表温度最高达53.32°C，而半干旱区温度相对较低。城市扩张在干旱区最为显著，增加了38%的建设用地，直接导致PM_2.5浓度上升31%。

3.2. 白天地表温度（LST）变化

超干旱区地表温度上升幅度最大（2.8°C），干旱区和半干旱区分别上升2.1°C和1.6°C。温度升高与植被覆盖减少形成正反馈循环，加剧了区域热应力。

3.3. 夜间地表温度动态

所有气候区都表现出夜间升温趋势，特别是在夏季月份。这种夜间增温会影响植物呼吸作用和作物恢复能力，进一步加剧水资源压力。

3.4. 降水趋势和变异性

降水减少了15-23%，潜在蒸发增加了9-14%。超干旱区夏季降水极度匮乏，半干旱区相对保持较好的水文稳定性。

3.5. 蒸发的时空格局及其对水资源管理的影响

蒸发量在夏季达到峰值，超干旱区最高可达217.97毫米。蒸发增加加剧了区域水资源压力，对农业灌溉提出了更高要求。

3.6. PM_2.5浓度的时空变异性

PM_2.5浓度在所有气候区均呈现上升趋势，特别是在超干旱和干旱区。污染峰值出现在6-8月，与沙尘暴频发和工业排放密切相关。

3.7. 耕地分布的时空趋势

超干旱区耕地减少9%，半干旱区反而增加6%。这种差异反映了不同气候条件下农业适应策略的差异性。

3.8. 城市用地变化

干旱区城市用地扩张最为显著，从1.9亿平方米增至2.95亿平方米。城市扩张与地表温度升高存在双向因果关系，形成了城市热岛效应。

3.9. 植被健康和密度：NDVI分析的启示

超干旱区NDVI值稳定在低位（约62480单位），植被生长受到严重限制。干旱区和半干旱区NDVI表现出一定的季节性波动，但整体呈现下降趋势。

3.10. 环境驱动因子的时间因果性和敏感性

格兰杰因果分析揭示了环境变量间的复杂网络关系。地表温度（LST）对蒸发和降水具有预测作用，PM_2.5浓度对地表温度产生影响，而降水变化则会格兰杰引起NDVI和耕地面积的变化。

研究结论部分强调，干旱地区环境系统的各要素之间存在显著的时空异质性和复杂的因果联系。地表温度升高、降水减少、蒸发增加、PM_2.5浓度上升以及植被退化等问题相互关联，形成了复杂的生态环境挑战。特别是在超干旱区，温度动态是主导因素，而在干旱和半干旱区，降水成为生态和土地利用变化的核心驱动因子。

这项研究的重要意义在于首次在干旱地区环境中建立了气候-土地-空气质量的综合分析框架，通过格兰杰因果分析揭示了环境变量间的时序关系，为理解干旱地区环境变化的机制提供了新视角。研究成果不仅为区域环境管理提供了科学依据，也为类似干旱地区的可持续发展策略制定提供了重要参考。研究指出的集成土地用途规划和空气质量管理、气候适应性水资源治理、可持续城市发展等策略方向，对于应对全球气候变化背景下的干旱地区环境挑战具有重要指导价值。