在气候变化和森林结构变化的共同作用下，微气候的脆弱性

《Agricultural and Forest Meteorology》：Microclimate vulnerability under coupled effects of changing climate and forest structure

森林冠层开放度和类型对比影响北美沿海平原松树林 understory 微气候，分析75年温度趋势发现昼夜温差减小，但开放冠层导致 understory 温度极值增大，强调森林结构对气候缓冲作用。

　　全球气候变化对生态系统的影响日益显著，尤其是在生物多样性热点地区。森林结构作为影响局部微气候的关键因素，其变化可能对物种分布、生态功能及生物多样性保护产生深远影响。本文以北美海岸平原（NACP）中的长岛中央松木荒原（LICPB）为研究对象，探讨了森林结构如何调节微气候变量，从而缓冲或加剧气候变化带来的影响。研究结果揭示了气候变化趋势与森林结构变化之间的复杂关系，特别是在极端高温和低温对植物耐热性及生存的影响方面。

随着全球气温的上升，生态系统中的生物多样性面临巨大挑战。气候变化不仅影响气温的平均值，还对温度的极值和波动性产生重要影响。例如，研究发现，在全球范围内，最低气温（Tmin）的上升速度通常快于最高气温（Tmax），这表明在评估气候变化对生态系统的冲击时，除了考虑平均气温外，还需关注极端温度和温度波动性（即温度幅度，Tamp）。这种趋势在北美海岸平原的LICPB地区尤为明显，过去75年间的夏季温度数据显示，最低气温上升了3.3°C，最高气温上升了1.4°C，导致温度幅度下降了约2°C。这一现象与全球气温上升趋势相一致，且超过了2100年全球平均气温上升1.5°C的预测值。

然而，森林结构的变化可能对这些趋势产生显著的调节作用。森林的冠层开度和类型是影响局部微气候的重要因素。研究发现，随着冠层开度的增加，从0%到80%，森林下层的最高气温上升了2.5°C，最低气温下降了2.7°C，导致温度幅度增加了5.1°C。这一变化在以松树为主的开放冠层生态系统中尤为显著。因此，当全球气候变暖导致干旱、树木死亡率上升以及火灾频率增加时，森林冠层可能会变得更加开放，从而使得森林下层的温度变化与区域气候趋势有所不同。特别是在夏季的极端高温和低温方面，开放冠层可能加剧最高气温的上升，同时缓冲最低气温的上升趋势，从而影响温度波动性。

森林微气候的变化不仅与气候趋势有关，还受到植被类型、冠层高度、边缘效应以及干扰历史等因素的影响。这些因素共同作用，塑造了不同生态系统的微气候特征。例如，在沿海生态系统中，如美国东部的松木荒原，微气候受到森林结构、海洋气流和沙质土壤的共同影响，形成了较为凉爽的“冰洞”和较为温暖的区域。这种微气候的差异对物种的适应性和生存策略具有重要意义，尤其是在面对全球变暖时，某些物种可能更倾向于选择凉爽的微气候区域以减少热应激。

在研究过程中，我们提出了四个假设，以探讨森林结构对微气候的影响。首先，假设夏季的气候变暖趋势在最低气温（Tmin）上更为显著，从而导致温度波动性（Tamp）随时间下降。其次，假设森林的夏季微气候参数（包括Tmin、Tmax、Tmean和Tamp）会因森林类型的不同而有所差异。第三，假设随着冠层开度的增加，夏季的温度极值（Tmin和Tmax）会同步上升，从而导致温度幅度（Tamp）增加。最后，假设随着冠层开度的增加，夏季的最高气温会进一步加剧，而最低气温的上升趋势则可能被部分缓冲，从而影响温度波动性。

研究结果支持了这些假设，特别是在开放冠层生态系统中，温度极值的增加尤为明显。这一现象对植物的耐热性和生存能力构成挑战，尤其是在夏季高温达到年度最高值时，植物可能面临超出其热耐受范围的风险。此外，研究还发现，森林的冠层结构对微气候的调节作用在夜间尤为显著，密集的冠层能够有效缓冲最低气温的上升，而开放的冠层则可能导致最低气温的下降和最高气温的上升，从而增加温度波动性。

森林结构的变化对微气候的影响具有重要的生态意义。在面对全球变暖时，森林的冠层开度和类型可能成为调节局部微气候的关键因素。例如，开放冠层的森林可能在夏季经历更高的最高气温和更低的最低气温，导致更大的温度波动性，从而增加热应激的风险。相反，密集冠层的森林可能在夜间保持相对较低的温度，减少对植物的热应激影响。因此，在预测森林对气候变化的响应时，必须考虑森林结构的变化，以及其对微气候的调节作用。

此外，研究还发现，森林结构的变化可能对物种分布产生影响。在局部微气候差异显著的生态系统中，某些物种可能更倾向于选择特定的微气候区域，从而形成独特的生态格局。例如，在美国东部的松木荒原，开放冠层可能促进适应温暖气候的物种占据主导地位，而密集冠层则可能维持适应凉爽气候的物种群落。这种变化不仅影响物种的分布，还可能对生态系统的功能和稳定性产生影响。

综上所述，研究揭示了森林结构与气候变化之间的复杂关系。在面对全球变暖时，森林的冠层开度和类型可能成为调节局部微气候的重要因素，从而影响物种的适应性和生存能力。未来的研究应进一步探讨森林结构变化对微气候的具体影响，以及其在不同生态系统中的适用性。这将有助于更好地理解和预测森林对气候变化的响应，为生态保护和管理提供科学依据。