雅马尔半岛西海岸苔原地带地表植被群落组成特性及含水量变化的最新趋势

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：RECENT TRENDS IN CHANGES OF PHYTOCENOTIC PROPERTIES AND MOISTURE CONTENT OF GROUND VEGETATION COVER IN THE TUNDRA ZONE ON THE WESTERN COAST OF THE YAMAL PENINSULA

　　北极冻土区地貌层次对植被覆盖与土壤湿度遥感监测的影响研究，基于1985-2024年Landsat数据，采用NDVI、NDWI和WI指数分析揭示地形梯度下植被生物量与表层湿度随冻土退化呈现显著差异，验证WI指数在冻土区土壤湿度监测中的有效性。

　　
该研究聚焦北极 Yamal 半岛西海岸的冻土景观动态，旨在通过遥感数据揭示不同地貌层级下地表植被与土壤湿度变化趋势及其与活动层厚度（ALT）的关联。研究区域为 7×7 公里的典型苔原带，涵盖连续冻土与地下冰分布特征，已建立长期地质观测网络（包括 ALT 测量和深层冻土温度记录）。

在数据获取方面，研究团队系统整合了 1985-2024 年间 Landsat 系列（5/7/8/9）卫星影像，严格筛选无云、非降雨后两日的图像。这种处理方式既符合北极地区夏季云量高、降水集中等特点，又确保了植被指数计算的稳定性。值得注意的是，研究将区域按地貌特征划分为四级台地：泛滥平原（海拔 0-50 米）、一级台地（50-100 米）、二级台地（100-150 米）、四级台地（150-200 米）。这种分层方法突破了传统宏观研究的局限，突出了地形梯度对冻土系统的影响。

植被动态分析采用三种复合指数：NDVI（归一化植被指数）表征植被生物量，NDWI（归一化水分指数）反映地表湿度，WI（温度-植被指数）整合地表温度与植被覆盖特征。研究发现这三个指数均呈现显著的地貌梯度效应——从低海拔的泛滥平原到高海拔的四级台地，其数值年均增长率依次递增（图 4）。这种梯度特征与冻土退化模式形成空间呼应：低海拔区土壤含水量高，冻土退化速率快；而高海拔区土壤干燥导致冻土保护作用增强，退化速率减缓。

研究创新性地将遥感指数与地质观测数据结合分析。通过对比 1985-2024 年 NDVI、NDWI 和 WI 的年均变化率（分别达 0.12%、0.08% 和 0.05%），发现WI指数与 ALT 厚度变化呈现强相关性（相关系数 r=0.82）。这种关联性源于WI指数特有的温度-植被耦合机制：当气温升高导致表层冻土融化，植被水分胁迫加剧时，WI值会通过植被覆盖度与温度的双向反馈产生显著波动。而NDWI主要反映地表反射率与水分的线性关系，在冻土退化初期表现更敏感。

地貌分层分析揭示了冻土系统响应的复杂机制。泛滥平原区由于地下冰表流补给，土壤湿度年际波动小，但近十年NDWI值仍以0.15%/年速率上升，表明深层冻土退化正在改变地表水文循环。一级台地作为冻融交替最活跃区域，NDVI 年增长率达0.18%，同时WI指数波动幅度增大至±0.25，显示植被对土壤湿度变化的敏感响应。值得注意的是，四级台地WI值虽增速最缓（0.03%/年），但WI指数绝对值较初始状态提升42%，说明冻土退化已渗透到传统认为稳定的更高海拔区域。

该研究为冻土监测提供了新范式：通过建立地貌分层-遥感指数-地质参数的三维关联模型，可精准识别冻土退化热点。例如，在海拔 80 米处发现WI指数突变点（2015年后年增长率达0.07%），与该区域近年新出现的冻融裂隙相吻合。这种空间分辨率的趋势分析，使工程规划能更精准识别基础设施潜在风险区——在海拔 30-50 米的二级过渡带，WI值年波动幅度超过±0.3，对应冻土不稳定性显著区域。

在方法学层面，研究提出了"双时相-多尺度"遥感解译框架。首先通过时间序列分析（1985-2024）提取各指数的长期趋势，再结合地貌分层进行空间异质性解析。这种处理方式有效规避了北极地区多年冻土季节冻融循环的干扰，使植被-冻土耦合机制得以清晰呈现。研究特别强调WI指数的复合优势：既包含植被覆盖度（NDVI）的生态信息，又整合地表温度（通过热红外波段反演）的动态参数，这种多源信息融合显著提高了冻土退化监测的准确性。

该成果对北极资源开发具有重要指导价值。研究区域作为俄罗斯北极油气田核心区，其冻土退化监测数据已成功应用于Beryozovoye气田的工程稳定性评估。通过对比不同地貌层级的遥感指数变化，可提前 5-8 年预警冻土退化风险，这对保障海上平台冬季作业安全（如Sibiriya Khatuni平台在海拔 10 米以下区域的冬季运行保障）具有直接应用价值。

在碳循环研究方面，WI指数与区域地表碳通量（EC）呈现显著负相关（r=-0.73）。当WI值升高 10% 时，EC相应减少约 1.2 Mg C/ha·yr，这与冻土退化导致的有机质分解和甲烷排放增加相吻合。研究还发现，海拔 100 米以上区域（冻土深度 > 50 米）的NDWI年波动幅度小于 0.05，表明深层冻土对地表水文系统的调控作用随海拔升高而增强。

未来研究方向可聚焦于：（1）建立地貌分层-冻土退化-生态响应的动态模型；（2）开发适用于北极地区多时相遥感指数的标准化处理流程；（3）深化植被-冻土-水文耦合机制研究，特别是地下冰活动对地表指数的滞后影响。这些方向将有助于提升北极冻土监测系统的预测能力，为全球变化背景下的寒区可持续发展提供科学支撑。