新技术绘制了阿拉斯加火灾引起的永久冻土融化的大规模影响

阿拉斯加内陆约 40% 的土地下方是富含冰的永久冻土——由土壤、砾石和沙子组成的永久冻土——由冰结合在一起。某些条件，例如气候变暖，加剧了苔原野火，这对永久冻土融化具有深远影响。

地表植被在保护永久冻土免受夏季高温影响方面起着主导作用，因此植被结构的任何改变，特别是在严重的野火之后，都可能导致自上而下的剧烈解冻。

严重的野火会带走植被和表层土壤有机质，而这种隔热层的丧失会增加地面热通量并促进永久冻土融化。这种解冻会引发地面下沉和热岩溶(永久冻土解冻造成的地表塌陷)发展，并导致地表水泛滥、植被变化、土壤碳平衡和碳排放发生变化，所有这些都会影响气候变暖。

几十年来，永久冻土-火灾-气候系统一直是研究热点。这些野火对土地覆盖变化、火灾后恢复力和随后的解冻定居点的大规模影响仍然未知。解冻沉降很难测量，因为通常没有绝对的参考框架来与永久冻土景观中微妙但广泛的地形变化进行比较。

佛罗里达大西洋大学的研究人员与陆军工程兵团寒冷地区研究与工程实验室、阿拉斯加生态科学公司合作，系统地分析了自 2000 年以来发生的六场大火对阿拉斯加内陆塔纳纳平原低地的影响。覆盖变化、植被动态和地形下沉或下沉。

他们首次开发了一种基于机器学习的集成方法来量化整个塔纳纳平原(Tanana Flats)因火灾引起的解冻沉降，该平原面积超过 300 万英亩(约 1,250 平方公里)。研究人员将机载重复激光雷达数据与时间序列陆地卫星产品(卫星图像)联系起来，以描绘六个火痕的解冻沉降模式。这种新颖的方法有助于解释激光雷达检测到的高度变化中大约 65% 的差异。

发表在《环境研究快报》上的研究结果表明，从 2000 年到 2014 年，六场火灾总共导致近 155,000 英亩(约 590 平方公里)受火灾影响的常绿林损失了近 99,000 英亩(约 400 平方公里)不同程度烧伤的森林。大火为灌丛(低矮灌木)的发展提供了有利条件，导致灌木丛和常绿林在火灾后的覆盖率相当，并且灌木丛越来越多地侵蚀植被稀疏的地区。

重要的是，根据 Landsat 观测，研究人员在 2001 年最古老的火灾发生 13 年后没有观察到森林的再生。

“我们的研究表明，将机载重复激光雷达与 Landsat 产品联系起来是一种令人鼓舞的工具，可用于大规模量化火灾引起的解冻沉降，”资深作者、该校地球科学系教授张彩云博士说。 FAU 的Charles E. Schmidt 科学学院。“由于越来越多地在北部永久冻土地区进行机载激光雷达测量，我们的方法是一种有价值的方法，可以通过使用数据驱动的机器学习技术来预测受永久冻土影响的统一景观中整个火痕的海拔变化。”

塔纳纳平原占地超过 600 万英亩(约 2,500 平方公里)，是阿拉斯加内陆费尔班克斯以南低地景观的代表。它由富含冰的永久冻土和无永久冻土的生态系统组成，是热岩溶的温床。大部分土地是国防部管理的军事训练区的一部分。

在这项研究中，研究人员评估了三种常用的机器学习算法，包括人工神经网络、支持向量机和随机森林，用于火灾诱导的融化沉降建模。

“机器学习已广泛应用于地球科学建模，”张说。“这个想法是，每种算法都有其优点和缺点，比较模型的整体分析可以产生比单一模型的应用更稳健的估计。”

当前和未来预计的年平均气温升高、夏季生长季节的长度以及野火的严重程度和范围预计将导致野火在永久冻土生态系统中的主导作用越来越大。

“绘制野火导致的融化定居点至关重要，因为它与随后的热喀斯特发展、积雪、水文、植被变化以及水、能量和温室气体的陆地-大气交换的相应变化有关，”张说。“主动机载激光雷达传感器与被动星载光学传感器的结合将使科学家能够测量寒冷地区受野火影响的广泛和大面积区域，特别是在气候变暖和火灾事件增加的情况下。”

本研究由陆军工程兵团、工程师研究与发展中心应用研究项目办公室设施和操作环境与基础研究项目 (PE 0601102/AB2)、国防部战略环境研究与发展项目(项目RC2110 和 RC18-1170)，以及能源部科学办公室环境系统科学计划 (0000260300)。

研究的合著者是 Thomas A. Douglas 博士，陆军寒冷地区研究与工程研究化学家和高级科学家;David Brodylo，博士 FAU地球科学系学生;和 M. Torre Jorgenson，阿拉斯加生态科学。