基于层次聚类与相关分析的干旱风险因子空间耦合机制研究——以上碧差汶河上游流域为例

时间：2025年6月6日

来源：Environmental Advances

编辑推荐：

本研究针对气候变化与人类活动加剧背景下干旱风险的复合驱动机制，采用Agglomerative Hierarchical Clustering（AHC）和Pearson相关系数（PPMC）方法，系统解析了泰国上碧差汶河上游流域（UPRB）气候、地形、土壤和人为因素的交互作用。研究发现降水-干旱指数（AI）与土地利用呈现高度协同效应（r=1.000），土壤侵蚀与坡度梯度呈显著负相关（r=-0.818），并识别出三大关键因子集群。该研究为热带流域干旱风险的空间分异机制提供了新证据，对制定区域适应性管理策略具有重要指导意义。

随着全球变暖加剧，干旱已从单纯的气象现象演变为交织着气候变异与人类活动的复合型灾害。联合国防治荒漠化公约（UNCCD）数据显示，过去20年全球干旱频率增加29%，到2050年或将影响75%人口。泰国上碧差汶河上游流域（UPRB）作为典型的热带季风区，正面临降水格局改变与土地覆被转型的双重压力，其上游雨林保护区与中下游农业带的生态水文差异更凸显了干旱风险的时空异质性。传统研究多聚焦单一驱动因子，而气候-土壤-地形-人为的级联效应（cascading effects）如何塑造区域干旱脆弱性，仍是灾害防控的关键科学盲区。

针对这一挑战，研究人员采用空间显式分析方法，整合30年气象观测、数字高程模型（DEM）和Landsat遥感数据，通过Agglomerative Hierarchical Clustering（AHC）和Pearson相关系数（PPMC）揭示了10个关键风险因子的交互网络。研究发现：降水（P）与干旱指数（AI= P/PET）呈现完美正相关（r=1.000），证实气象干旱对土壤侵蚀的正反馈机制；坡度梯度与土壤肥力（r=0.998）、排水性（r=0.997）的强关联揭示了地形对持水能力的控制作用；而土地利用与气候因子的超强耦合（r=1.000）则凸显人类活动对水文循环的深刻重塑。这些发现发表于《Environmental Advances》，为热带流域综合风险管理提供了新范式。

关键技术方法包括：1）基于Penman-Monteith方程的潜在蒸散发（PET）计算；2）利用Universal Soil Loss Equation（USLE）量化土壤侵蚀；3）Ward's linkage层次聚类分析；4）30年气象站与卫星数据的空间插值；5）ArcGIS 10.8.1平台的多准则空间分析。

3.1 干旱风险因子的流域尺度耦合机制
研究首次量化了UPRB四类因子的协同效应：气候-地理因子相关系数达0.968，土壤-人为因子达0.963。特别值得注意的是，降水与土地利用的极强相关（r=0.997）揭示出农业扩张对降水再分配的放大效应，这与长江流域（Huang et al., 2023）的发现形成跨区域印证。

3.2 层次聚类揭示的三元结构
AHC将10个变量划分为特征鲜明的集群：Cluster 1（降水-AI-土壤侵蚀）呈现"气象驱动-土地退化"闭环；Cluster 2（坡度-土壤质地-肥力）体现地形对土壤功能的调控；Cluster 3（高程-土地利用-覆被）反映人类对自然梯度的人为改造。这种三元结构为分区治理提供了科学依据。

3.3 政策启示与可持续路径
基于土壤侵蚀模数（A=R×K×L×S×C×P）的空间模拟显示，上游保护区虽坡度>35%，但森林覆盖使侵蚀量降低42%。研究建议在中下游推广等高耕作（contour farming），并建立基于AI阈值的早期预警系统，这与IPCC（2022）倡导的生态系统适应性管理（EbA）策略高度契合。

该研究创新性地构建了"气候-地形-人为"三维干旱风险评估框架，其方法论突破体现在：1）首次在热带流域验证UNDRR风险三要素（灾害-暴露-脆弱性）的空间耦合方程；2）发现坡度与土壤侵蚀的负相关（r=-0.818）颠覆了传统认知，表明陡坡区植被的缓冲作用超预期。这些成果为东南亚类似流域的可持续发展目标（SDGs）本地化提供了关键技术支撑，特别是在应对AR6（IPCC第六次评估报告）预测的极端事件加剧方面具有前瞻意义。未来研究需融合CMIP6气候情景与多智能体系统（MAS）模型，以捕捉社会-生态系统的动态反馈。