基于可解释机器学习的青藏高原草地物候变化多因素影响分析

来源：环境科学杂志2024年第1期北京时间：

作者：刘慧文,刘欢,胡鹏,彭辉,王硕

单位：中国海洋大学环境科学与工程学院, 青岛 266100,中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室, 北京 100038,中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室, 北京 100038,中国海洋大学环境科学与工程学院, 青岛 266100,中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室, 青岛 266100,中国海洋大学海洋环境地质工程山东省重点实验室, 青岛 266100,中国海洋大学环境科学与工程学院, 青岛 266100

摘要：气候变化背景下,青藏高原植被物候发生显著改变.然而,影响物候的水热因素众多,目前较少有研究关注多因素对青藏高原物候的影响效应,导致对青藏高原物候变化机制认识不足.为此,研究通过遥感数据解译,在对2002~2021年青藏高原草地物候时空变化特征分析的基础上,聚焦降水、气温、海拔和土壤等多方面,利用可解释机器学习方法（SHAP）揭示物候变化的主导因素,并量化分析多因素对物候的交互影响.结果表明:①青藏高原分别有56.32 %、67.65 %和65.50 %的草地表现出生长季开始时间（SOS）提前、生长季结束时间（EOS）延迟和生长季长度（LOS）延长趋势；②青藏高原草地SOS和LOS主要受水分条件影响,3月0~10 cm土壤水分对SOS提前和LOS延长起促进作用的范围分别在10~25 kg·m-2和15~25 kg·m-2之间,峰值分别在20 kg·m-2和18 kg·m-2左右；EOS则主要受温度影响,9月和10月温度越高对EOS延迟促进作用越强,并分别在高于8 ℃和-0.5 ℃时达到峰值；③水热等因素对物候的影响存在非线性交互效应,3月0~10 cm土壤水分达到20 kg·m-2后,更有利于低降水和低海拔地区SOS提前；10月温度高于0 ℃后较好的水分条件更有利于EOS延迟；3月0~10 cm土壤水分在12~22 kg·m-2之间时,高降水地区LOS更长.研究表明,可解释机器学习方法可为物候变化的多因素影响定量分析提供一种新的方法.

关键词：青藏高原,草地物候,时空变化,极限梯度提升(XGBoost),SHAP,交互影响,