《Agricultural Water Management》：Causation, evolution, and multi-level propagation from meteorological to agricultural drought in Inner Mongolia
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在全球變暖及人類活動加劇背景下，理解氣象干旱（MD）如何傳播至不同土壤深度的農(nóng)業(yè)干旱（AD）對保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全至關(guān)重要。本研究以內(nèi)蒙為研究區(qū)，采用標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（SPEI）和不同土壤深度的標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)（SSI）表征MD和AD，并應(yīng)用Copula函數(shù)識別其間的非線性傳播關(guān)系。通過趨勢分析、小波分析和移動窗口法揭示了干旱及其傳播時(shí)間（PT）的時(shí)空演變特征，并構(gòu)建了整合SHAP與Causal Forest的空間因果關(guān)系識別框架，定量評估了不同植被類型下影響MD-AD傳播PT的機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，MD與AD在中東部呈加劇趨勢，西部趨于濕潤；MD至第一至三層AD的PT隨深度增加而增長，短PT區(qū)集中在錫林郭勒中部、呼倫貝爾北部及西部；荒漠草原與沙地植被區(qū)PT更短、傳播更快；人為因子（CO2、放牧強(qiáng)度）對PT的影響范圍和強(qiáng)度普遍大于氣象因子，研究結(jié)果為區(qū)域旱情預(yù)警與干旱管理策略制定提供了科學(xué)依據(jù)。
干旱，作為一種發(fā)生頻率高、持續(xù)時(shí)間長、恢復(fù)緩慢的極端氣候事件，在全球范圍內(nèi)對區(qū)域經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)造成廣泛且深遠(yuǎn)的負(fù)面影響。從水文循環(huán)的角度來看，干旱通常被分為氣象干旱（Meteorological Drought， MD）、農(nóng)業(yè)干旱（Agricultural Drought， AD）、水文干旱（Hydrological Drought， HD）和社會經(jīng)濟(jì)干旱四種類型。其中，由長期降水偏少引發(fā)的氣象干旱是起點(diǎn)，它可以通過水分循環(huán)過程，逐步演變?yōu)橛绊懲寥缐勄楹妥魑锷L的農(nóng)業(yè)干旱。這兩種干旱類型之間的傳播，常常導(dǎo)致比單一干旱事件更為嚴(yán)重的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)損失。尤其是在全球氣候變暖的背景下，農(nóng)業(yè)干旱對氣象干旱的響應(yīng)更為敏感，未來由氣象干旱發(fā)展為農(nóng)業(yè)干旱的概率預(yù)計(jì)將增加，這對全球糧食安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。
然而，干旱的傳播機(jī)制極其復(fù)雜，不僅涉及降水、蒸散等氣象因素，還受到流域蓄水能力、含水層特性以及人類活動的深刻影響。傳統(tǒng)研究往往基于線性統(tǒng)計(jì)方法（如皮爾遜相關(guān)、游程理論）來探究干旱傳播特征，但實(shí)際的干旱傳播過程具有顯著的非線性特征，線性方法可能無法捕捉極端事件中的放大效應(yīng)，從而導(dǎo)致傳播時(shí)間（Propagation Time， PT）估算的偏差。此外，以往的研究多集中于氣象干旱與淺層土壤的農(nóng)業(yè)干旱之間的關(guān)系，缺乏對深層土壤干旱傳播過程的系統(tǒng)考察，也較少將放牧、碳排放等人類活動因素納入分析框架。這些問題限制了對干旱傳播機(jī)制，尤其是在不同類型植被覆蓋下的空間異質(zhì)性機(jī)制的深入理解。
為了應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，本研究以中國典型的干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)——內(nèi)蒙古自治區(qū)為研究區(qū)域，聚焦于1979年至2022年的長時(shí)間序列，旨在定量評估不同土壤深度和植被類型下，氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱的時(shí)空傳播特征及驅(qū)動機(jī)制。研究旨在回答三個(gè)核心問題：第一，內(nèi)蒙古地區(qū)氣象干旱與不同深度農(nóng)業(yè)干旱的時(shí)空演變趨勢如何？第二，氣象干旱傳播至不同深度農(nóng)業(yè)干旱的傳播時(shí)間（PT）具有怎樣的時(shí)空變化規(guī)律？第三，自然和人為驅(qū)動因子如何在不同植被類型下，空間異質(zhì)地影響干旱傳播時(shí)間？
為了回答這些問題，研究人員采用了多層次的研究方法。首先，利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的ERA5-Land和Agrometeorological Indicators reanalysis（AIR）數(shù)據(jù)集，分別計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)（Standardized Precipitation Evapotranspiration Index， SPEI）和不同深度（swvl1: 0–7 cm， swvl2: 7–28 cm， swvl3: 28–100 cm， swvl4: 100–289 cm）的標(biāo)準(zhǔn)化土壤濕度指數(shù)（Standardized Soil Moisture Index， SSI），以表征氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱。其次，使用Sen斜率估計(jì)和去趨勢預(yù)置白Mann-Kendall檢驗(yàn)進(jìn)行趨勢分析，并應(yīng)用連續(xù)小波變換分析干旱指數(shù)的周期特征。最關(guān)鍵的一步是，采用Copula函數(shù)（一種能靈活刻畫變量間非線性、非正態(tài)依賴結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)方法）來識別氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱之間的非線性傳播關(guān)系，并基于移動窗口法計(jì)算傳播時(shí)間（PT）。最后，為了深入探究驅(qū)動因子，研究構(gòu)建了一個(gè)結(jié)合Shapley Additive Explanations（SHAP）和Causal Forest（CF）的機(jī)器學(xué)習(xí)因果推斷框架。SHAP用于評估各驅(qū)動因子對模型預(yù)測的相對重要性，而Causal Forest則用于量化每個(gè)驅(qū)動因子對傳播時(shí)間（PT）的因果效應(yīng)（方向和大小），從而在像素尺度上揭示影響機(jī)制的空間異質(zhì)性。研究中還整合了來自EDGAR數(shù)據(jù)庫的CO2排放數(shù)據(jù)、基于衛(wèi)星和牲畜普查數(shù)據(jù)估算的放牧強(qiáng)度（Grazing Intensity， GI），以及溫度、降水、潛在蒸散、地表徑流、植被指數(shù)（NDVI）等自然和人為因子。
3.1. MD和AD的時(shí)空分布特征
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時(shí)間分布特征：研究發(fā)現(xiàn)，從1979年到2022年，SPEI和SSIswvl1–4在年際和季節(jié)尺度（秋季SPEI除外）上均呈顯著下降趨勢，表明氣象干旱和農(nóng)業(yè)干旱均在加劇，且干燥趨勢隨土壤深度增加而加速。春季的干旱加劇速率最為顯著。在所有時(shí)間尺度上，氣象干旱的發(fā)生時(shí)間均早于農(nóng)業(yè)干旱，且農(nóng)業(yè)干旱的發(fā)生隨土壤深度增加而延遲，暗示了干旱在土壤剖面中的傳播關(guān)系。小波分析進(jìn)一步揭示，氣象干旱和淺層（第一、二層）農(nóng)業(yè)干旱以短周期波動（約0.5–2年）為主，而隨著深度增加，長周期波動（≥4年）逐漸占據(jù)主導(dǎo)，第四層農(nóng)業(yè)干旱表現(xiàn)為一個(gè)長期的干旱演化過程。
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空間分布特征：研究期內(nèi)，內(nèi)蒙古超過78%的區(qū)域SPEI和SSIswvl1–4呈干旱化趨勢。顯著的干旱化加劇主要集中在內(nèi)蒙古中東部地區(qū)，而西部地區(qū)（主要在秋季）則主要表現(xiàn)為濕潤化趨勢。隨著土壤深度增加，農(nóng)業(yè)干旱顯著加劇的范圍和強(qiáng)度呈上升趨勢。盡管西部地區(qū)整體氣象干旱化，但在第一至第三層農(nóng)業(yè)干旱中出現(xiàn)了局部濕潤化區(qū)域，可能反映了深層土壤水分的補(bǔ)充。
3.2. 不同土壤深度下MD與AD的線性和非線性相關(guān)性分析
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線性相關(guān)分析：在所有時(shí)間尺度上，內(nèi)蒙古超過73%的區(qū)域SPEI與SSIswvl1–4呈正相關(guān)，表明不同深度農(nóng)業(yè)干旱與氣象干旱之間存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)。其中，SPEI與SSIswvl1–2在春、夏、秋季及年際尺度的正相關(guān)性最強(qiáng)，而SPEI與SSIswvl4以及冬季的各層相關(guān)性普遍較弱。
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非線性小波相干分析：分析揭示了SPEI與SSIswvl1–4之間顯著的非線性耦合特征。在短周期（3個(gè)月至1年）內(nèi)，氣象干旱領(lǐng)先于所有土層的農(nóng)業(yè)干旱0.75–6個(gè)月。隨著土壤深度增加，相關(guān)性從正相關(guān)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)相關(guān)。在1–4年周期（1992–2005年），深層土壤（第三、四層）出現(xiàn)了顯著的高相干區(qū)。研究還發(fā)現(xiàn)了在2009–2012年（約6年周期）和1983–1985年（約9個(gè)月至2年周期）的異常相關(guān)時(shí)段，可能受到了特殊氣候事件的影響。
3.3. 從MD到AD的傳播時(shí)間（PT）
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時(shí)空演變：氣象干旱傳播至第一至第三層農(nóng)業(yè)干旱的傳播時(shí)間（PT）隨土壤深度增加而逐漸延長，但傳播至第四層農(nóng)業(yè)干旱的PT增速減緩。冬季的PT增長最快。
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空間分布：短傳播時(shí)間（< 6個(gè)月）的空間范圍隨土壤深度增加而急劇減小。對于MD-ADswvl1–3，短PT區(qū)集中在呼倫貝爾東北部、錫林郭勒中部和內(nèi)蒙古西部。而對于MD-ADswvl4，短PT區(qū)則聚集在錫林郭勒西北部。短PT區(qū)域本身也呈現(xiàn)出縮短的趨勢。
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植被類型差異：針葉林（CNF）、闊葉林（BF）、荒漠草原（DS）和沙地植被（SV）的傳播時(shí)間顯著短于其他植被類型。其中，DS和SV的MD-ADswvl1–2和MD-ADswvl4的PT呈現(xiàn)縮短趨勢，表明這些區(qū)域的農(nóng)業(yè)干旱風(fēng)險(xiǎn)在增加。
3.4. MD到AD傳播時(shí)間（PT）的驅(qū)動因素
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因子重要性：SHAP分析表明，在所有土壤深度，CO2濃度都是影響傳播時(shí)間（PT）的最主導(dǎo)因子，其次是放牧強(qiáng)度（GI）。這表明人為因子對PT的影響范圍和強(qiáng)度普遍大于氣象因子。
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因果效應(yīng)方向：Causal Forest分析量化了各驅(qū)動因子在不同植被類型下的因果效應(yīng)。總體而言，CO2、放牧強(qiáng)度（GI）、潛在蒸散（PET）和溫度（TM）在大多數(shù)植被類型中對PT產(chǎn)生正效應(yīng)（即延長傳播時(shí)間）。地表徑流（SRF）和總降水（TP）的正效應(yīng)僅出現(xiàn)在少數(shù)植被類型和特定土層。植被指數(shù)（NDVI）在大部分地區(qū)表現(xiàn)出負(fù)效應(yīng)（即縮短傳播時(shí)間）。
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空間異質(zhì)性：驅(qū)動因子的效應(yīng)方向在不同植被類型和土壤深度間存在顯著差異。例如，在低植被覆蓋的DS和SV區(qū)，隨著土壤深度增加，各驅(qū)動因子的效應(yīng)方向發(fā)生顯著變化，體現(xiàn)了氣候因子和人類活動對干旱傳播過程的非線性調(diào)控。具體而言，對于MD-ADswvl1–2和MD-ADswvl4，所有影響因素在BF和CNF中以正效應(yīng)（延長PT）為主，而在DS和SV中則以負(fù)效應(yīng)（縮短PT）為主。
結(jié)論與討論
本研究系統(tǒng)揭示了內(nèi)蒙古地區(qū)氣象干旱向不同深度農(nóng)業(yè)干旱傳播的復(fù)雜時(shí)空格局與驅(qū)動機(jī)制。主要結(jié)論可歸納為四點(diǎn)：首先，研究期內(nèi)內(nèi)蒙古氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱總體呈加劇趨勢，且干旱化隨土壤加深而加速，空間上表現(xiàn)為“中東部干、西部濕”的格局。其次，氣象干旱與農(nóng)業(yè)干旱（尤其是淺中層）存在強(qiáng)烈的正相關(guān)，但這種關(guān)系隨深度增加而減弱甚至反轉(zhuǎn)，并受到異常氣候事件擾動。第三，干旱傳播時(shí)間（PT）隨土壤深度增加而延長，短PT區(qū)空間分布隨深度變化，且在森林和干旱草原生態(tài)系統(tǒng)中PT更短，其中荒漠草原和沙地植被區(qū)的PT呈現(xiàn)縮短趨勢，預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)升高。第四，人為活動因子（CO2和放牧強(qiáng)度）對PT的影響超越了自然氣象因子，但各因子的效應(yīng)存在顯著的植被類型和土壤深度異質(zhì)性。
研究的意義在于，它通過整合非線性依賴建模（Copula）與像素級因果推斷（SHAP+Causal Forest），突破了傳統(tǒng)線性方法的局限，更精準(zhǔn)地刻畫了干旱傳播的非線性特征和復(fù)雜驅(qū)動機(jī)制。這不僅深化了對干旱演變與傳播過程的科學(xué)認(rèn)識，而且具有重要的實(shí)踐價(jià)值。研究成果能夠?yàn)閮?nèi)蒙古乃至類似干旱半干旱區(qū)，針對不同植被類型和土壤深度，制定差異化的旱情預(yù)警指標(biāo)和精準(zhǔn)的干旱緩解策略（如調(diào)整放牧強(qiáng)度、優(yōu)化植被管理）提供直接的科學(xué)依據(jù)，對于保障區(qū)域農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)安全、維護(hù)生態(tài)平衡具有重要的指導(dǎo)意義。論文發(fā)表于《Agricultural Water Management》期刊。
研究的局限性包括深層土壤水分觀測數(shù)據(jù)稀缺、二元化閾值設(shè)定的簡化，以及未能深入探討大尺度氣候異常（如研究中檢測到的1983、2010年前后信號）與干旱傳播的具體關(guān)聯(lián)機(jī)制。未來的研究需要融合更高分辨率的數(shù)據(jù)同化產(chǎn)品，探索基于物理過程的傳播臨界閾值，并量化生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、作物物候與水分利用策略的局部交互作用，從而將空間顯式的因果機(jī)制與氣候-經(jīng)濟(jì)模型相銜接，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供更堅(jiān)實(shí)的科學(xué)支撐。
