用于评估气候变化背景下森林生态系统生产力恢复力及转型风险的指标框架

《Ecological Indicators》：An indicator framework for assessing forest ecosystem productivity resilience and transition risks under climate change

本研究开发了一种整合临界慢化（CSD）指标和结构-过程特征的综合评估框架，量化分析2000-2018年中国森林生态系统恢复力（EPR）的空间异质性和气候变化驱动机制。结果表明，57.47%的森林EPR呈下降趋势，主要受气候水资源波动影响，温带针阔混交林在旱涝胁迫下EPR下降最显著。研究识别出两种EPR状态：稳定态（I）与多稳态不稳定态（II），其中24.58%的森林已发生状态转换。未来气候情景下，高排放情景（SSP5-8.5）下EPR下降区域主要集中于高纬度温带地区，而中低纬度亚热带地区受降水增加驱动呈现EPR下降与生产力上升的悖论现象。该框架为森林生态系统韧性评估与适应性管理提供了空间分辨率达0.05°的决策支持工具。

　　森林生态系统正面临日益严峻的气候变率威胁，这种威胁不仅影响生态系统的功能稳定性，还可能削弱其作为碳汇的能力。随着全球气候变化的加剧，森林生态系统的恢复能力受到挑战，从而引发剧烈的状态转变。这种转变可能破坏森林的碳吸收功能，进一步加剧全球变暖问题，并对生物多样性和社会经济系统造成不利影响。因此，研究森林生态系统生产力恢复力（EPR）的变化及其潜在的转变机制，对于制定有效的生态适应管理策略具有重要意义。

生态系统生产力恢复力，即生态系统在受到干扰后维持和恢复其碳固存功能的能力，是生态系统功能恢复力的重要组成部分。以往的研究多关注时间趋势，缺乏对生态系统恢复力状态和转变风险进行空间分析的方法。本文提出了一种综合指标框架，结合了来自植被生产力（GPP）时间序列的临界缓慢响应（CSD）指标，以量化生态系统生产力恢复力的变化。该框架通过整合结构和过程特征，识别了在气候变化背景下森林生产力恢复力的状态及其潜在转变。研究结果表明，从2000年到2018年间，中国约57.47%的森林区域经历了生产力恢复力的下降，其中主要驱动因素是气候水可用性的变化。温带与亚热带过渡区域的针叶-阔叶混交林在水盈余和水亏缺条件下均表现出最严重的突然衰退（ADs）现象。

研究还发现，生产力恢复力的下降与生产力的变化之间存在统计学上的显著联系。当生态系统接近临界阈值时，这种联系变得更加明显。值得注意的是，约24.58%的森林区域已经从统一稳定状态转变为不稳定的多稳定性状态。随着全球持续变暖，生产力恢复力的退化趋势日益加剧，高风险的转变正逐步集中于边界区域和高脆弱性区域，尤其是向低纬度方向迁移的高生产力区域。

本研究的指标框架包括四个模块，分别是基于GPP的CSD指标计算、通过遥感数据和观测记录验证EPR信号、利用结构和过程特征识别EPR状态和潜在转变，以及通过气候情景评估未来EPR和转变风险。研究中使用了多种遥感数据，如NDVI、EVI和LAI，结合了机器学习方法，以提高EPR评估的准确性和空间分辨率。此外，研究还整合了多种气候驱动数据，包括降水量、温度、蒸发量等，以评估气候变化对森林生产力恢复力的影响。

研究结果表明，生产力恢复力的下降主要由气候水可用性驱动。在不同的气候区，生产力恢复力的变化模式表现出显著的区域差异。例如，在温带森林中，SPEI（标准化降水蒸散指数）是生产力恢复力变化的主要驱动因素，而水盈余和水亏缺都会导致生产力恢复力的降低。同时，研究发现，森林生产力恢复力的变化与植被动态密切相关，植被指数的波动能够反映生态系统对环境变化的响应。通过对植被指数的分析，研究进一步揭示了生产力恢复力在不同气候条件下的变化趋势。

此外，研究还发现，生产力恢复力的下降与突然衰退（ADs）之间存在显著的统计联系。在AD事件发生前，TAC（时间自相关性）值通常较高，这表明生态系统在接近临界状态时表现出更强的滞后响应。这种滞后响应不仅能够作为生态系统崩溃的早期预警信号，还能帮助识别生态系统对环境变化的敏感性。在研究中，使用了不同气候区的BRT模型，以探索生产力恢复力变化的主要驱动因素。这些模型显示，气候变量（如温度、降水、蒸发量）对生产力恢复力的影响具有非线性特征，而植被覆盖和植被指数的变化则对生产力恢复力的稳定性起着重要作用。

研究进一步揭示了森林生产力恢复力在不同气候条件下的状态变化。在水盈余和水亏缺条件下，森林生态系统表现出不同的恢复力状态。例如，在水亏缺条件下，温带森林的生产力恢复力显著下降，而在水盈余条件下，针叶-阔叶混交林和沼泽林则表现出更高的突然衰退风险。这种现象表明，森林生态系统对水可用性的变化极为敏感，而水盈余和水亏缺的共同作用可能加剧生态系统的脆弱性。

未来，随着全球气候变化的持续发展，森林生产力恢复力的风险将显著上升。研究预测，在高排放情景下，中国森林生产力恢复力的下降趋势可能在2060-2080年间更加明显。特别是在高原和南部温带地区，森林生产力恢复力的下降概率和幅度可能达到最高。同时，随着生产力恢复力的降低，森林的碳汇能力可能受到严重影响，导致生态系统服务功能的下降。因此，有必要加强对这些高风险区域的监测和管理，以防止生态系统的进一步退化。

研究还强调了气候变率对生态系统功能的复杂影响。在某些情况下，即使森林生产力有所增加，其恢复力可能仍然下降，这表明生态系统可能存在结构性和功能性脱节的风险。此外，研究指出，森林的异质性和生物多样性在提高其恢复力方面具有重要作用。因此，未来的森林管理策略应着重于增强森林的异质性，引入耐旱树种，并采用高效的水资源管理措施，以缓解气候变化带来的压力。

最后，本文提出的框架为全球范围内的生态系统恢复力评估提供了新的思路和方法。通过结合遥感数据和气候模型，该框架能够识别生态系统在不同气候情景下的恢复力变化趋势，为制定科学的生态适应政策提供依据。同时，研究还指出了当前方法的局限性，如传感器噪声、数据异质性以及GPP产品本身的局限性。未来的研究需要进一步结合地面观测和遥感数据，以提高对生态系统恢复力和转变风险的评估精度。此外，还需要考虑外部干扰（如砍伐和病虫害）以及植被结构和功能特征对生态系统恢复力的影响，以实现更全面的生态管理。