[论文解读] Dynamics and resilience of vegetation bands in the Horn of Africa

Karna Gowda, Sarah Iams+1 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2017

Ecosystem dynamics and resilience被引用 1

一句话总结

本研究利用1950年代的航空照片与现代卫星图像，分析了非洲之角60年来植被带的变化，发现尽管带状结构的波长保持稳定，但人类活动导致了反直觉的向下坡方向带宽扩大。研究结果强调人类活动是干旱地生态系统韧性的重要影响因素，挑战了数学模型中的既有假设，并呼吁在未来生态理论与监测中整合人为因素。

ABSTRACT

Bands of vegetation alternating periodically with bare soil have been observed in many dryland environments since their discovery in the Horn of Africa in the 1950s. Mathematical modeling efforts over the past two decades have sought to account for these bands via a self-organizing interaction between vegetation and water resources. Many model predictions for vegetation band response to climatic and human pressures, such as an increase in band wavelength, have yet to be observed, perhaps due to a lack of long-term observation. In this study we bring photographs taken in the 1950s over the Horn of Africa together with present-day satellite imagery to assess vegetation change over six decades. For many areas, changes in the vegetation bands are modest, with individual bands remaining identifiable between the images. Other areas have experienced substantial increases in land development since the 1950s, with many bands disappearing from the landscape. While wavelengths have remained approximately unchanged in all study areas, bands in the human-impacted areas have counterintuitively widened in the direction of slope, suggesting that band widths respond to human impacts on time scales relevant for remote monitoring. Our observations underscore the importance of human impacts to the resilience of dryland vegetation, and indicate novel future directions for both empirical and theoretical investigation.

研究动机与目标

• 利用历史与当代遥感数据，评估非洲之角植被带长期变化情况。
• 评估植被带在六十年间对气候与人为压力的韧性响应。
• 检验数学模型关于环境压力下带状结构波长与宽度变化的预测。
• 识别人类土地利用在改变植被带形态与稳定性中的作用。
• 通过将观测到的变化与人为驱动因素关联，为未来理论与实证研究提供依据。

提出的方法

• 将1950年代的历史航空照片与现今日卫星图像融合，构建非洲之角植被带模式的纵向数据集。
• 在非洲之角多个研究区域，制图并比较植被带的位置、波长与宽度。
• 运用空间分析技术追踪带状结构在时间上的持续性与形态变化。
• 通过测量两个时期内连续带之间的距离，量化带宽与波长的变化。
• 分析带宽的方向性变化，特别是与人类土地利用强度相关的向下坡方向带宽扩大。
• 将观测到的形态变化与已知的人类影响（如农业、放牧与聚落扩张）进行相关性分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 过去六十年间，非洲之角的植被带波长与宽度发生了怎样的变化？
• RQ2 人类土地利用活动在多大程度上影响了植被带的形态稳定性与韧性？
• RQ3 观测到的植被带结构变化是否与自组织植被模式数学模型的预测一致？
• RQ4 为何在人类影响区域，尽管波长稳定，植被带却出现向下坡方向的加宽？
• RQ5 与气候驱动因素相比，人为因素在改变干旱地植被系统动态中的作用是什么？

主要发现

• 在许多区域，1950年代与现今日影像中均能识别出相同的植被带，表明带状结构具有长期持久性。
• 尽管数学模型预测波长将发生变化，但所有研究区域在60年期间内带状波长基本保持不变。
• 在人类影响区域，植被带在向下坡方向出现加宽，这是一种此前模型模拟中未记录的反直觉响应。
• 人类影响区域带状结构的加宽表明，人为干扰可在遥感监测可检测的时间尺度上影响带状形态。
• 在1950年代以来经历大规模土地开发的区域，许多植被带已完全从景观中消失。
• 研究结果表明，人类影响是塑造干旱地植被系统韧性与动态的主导因素，挑战了当前模型中气候因素占主导地位的假设。