全球升温超过2°C可能引发黑森林低海拔森林临界点——基于弗莱堡城郊森林的模拟研究

《Forest Ecosystems》：Global warming levels exceeding 2 °C may cause tipping point of low elevation forests in a peri-urban forest of the Black Forest foothills

本研究针对气候变暖对中欧森林生态系统的威胁，采用LandClim景观模型模拟了1.5°C、2°C和3°C升温情景下弗莱堡城郊森林的结构变化和生态系统服务(FES)。研究发现2°C升温将导致450米以下低海拔区域生物量损失达10%，3°C升温则使650米以下区域损失高达40%，连抗旱树种如栎树也出现死亡。研究强调实现《巴黎协定》控温目标的重要性，为森林适应性管理提供了关键科学依据。

　　

随着全球气候变暖加剧，中欧森林正面临着前所未有的生存挑战。2018-2022年的极端干旱事件导致德国森林死亡率显著上升，年死亡率从0.25%飙升至1.73%，这一数字敲响了生态安全的警钟。位于德国西南部黑山脚下的弗莱堡城郊森林，作为著名的"绿色城市"象征，其丰富的树种组成和200-1250米的海拔梯度使其成为研究气候变化影响的天然实验室。这片面积约5000公顷的森林不仅提供木材生产、气候调节等重要生态系统服务，更是当地居民休闲娱乐的重要场所。然而，日益频繁的炎热干旱事件正威胁着这片绿洲的存续。

在此背景下，弗莱堡大学的研究团队在《Forest Ecosystems》期刊上发表了一项开创性研究，通过先进的景观模型揭示了不同升温情景下森林生态系统的响应规律。研究团队采用多模型集成方法，基于18个全球-区域气候模型组合，模拟了1.5°C、2°C和3°C升温情景下80年的森林动态变化。

研究方法上，团队主要运用了LandClim景观尺度动态植被模型，该模型能够模拟气候、植被动态、自然干扰和森林管理之间的相互作用。研究基于高分辨率地形数据、土壤有效持水量数据和森林清查数据，设置了商业照常经营(BAU)和无干预(NM)两种管理情景，同时考虑了风害和云杉八齿小蠹虫害等自然干扰因素。

研究结果揭示了令人警醒的变化规律：

海拔梯度上的临界点现象

研究发现森林对气候变化的响应存在明显的海拔分异。在1.5°C升温情景下，整个海拔梯度上的森林生产力都有所提高，升温的积极效应占主导地位。然而当升温达到2°C时，在450米海拔以下开始出现生物量损失，而450米以上区域仍保持增长态势。最令人担忧的是3°C升温情景，研究首次明确识别出650米的海拔临界点——低于此海拔的区域生物量持续减少，而高于此海拔的区域则呈现增长趋势。

树种特异性响应规律

研究详细分析了主要树种的差异化响应。云杉在低海拔地区表现出高度脆弱性，特别是在结合虫害干扰时，但在海拔1000米以上区域仍能维持生长。欧洲山毛榉在低海拔地区遭受干旱胁迫，但在中高海拔显示出较强的适应潜力。令人意外的是，传统认为抗旱的栎树（包括夏栎、无梗栎和红栎）在3°C升温下低海拔区域出现显著死亡率上升。道格拉斯冷杉表现出最强的抗旱能力，在各海拔梯度上都保持相对稳定。

生态系统服务的变化轨迹

通过对四项关键生态系统服务(FES)的量化评估，研究发现不同服务对气候变化的敏感性存在差异。木材生产的净现值(NPV)在3°C升温下遭受严重损失，特别是栎树和其他阔叶林分。生物量生产力(BP)作为气候变化减缓的指标，对升温响应最为敏感，3°C升温导致年生产力减少120-152千吨。休闲指数(RI)相对稳定，而森林结构多样性指数(FSI)在2°C升温下有所改善，但在3°C升温下显著恶化。

管理策略的缓冲作用

比较BAU和NM情景发现，现行管理措施能在一定程度上缓解气候变化影响，特别是在控制虫害扩散方面效果显著。然而在3°C升温的低海拔区域，管理干预已无法阻止生物量的严重损失，表明超越临界点后管理措施的效果有限。

研究结论强调，将全球升温控制在2°C以内对维持森林生态系统功能至关重要。若升温超过这一阈值，即使是目前认为抗旱的树种也面临生存威胁，这将严重影响森林生态系统服务的持续供给。研究建议森林管理需要重新评估低海拔地区的树种配置策略，考虑通过疏伐提高抗旱性，并在高海拔区域促进山毛榉等适应物种的扩张。

这项研究不仅为区域森林管理提供了科学依据，也为全球类似生态系统的气候变化应对策略提供了重要参考。随着气候变化影响的日益凸显，基于临界点识别的适应性管理将成为维护森林生态系统健康的关键所在。