中国不同时空尺度上森林绿化过程的热缓冲效应

《Ecosphere》：Thermal buffering of forest greening across spatiotemporal scales in China

中国森林绿化趋势及对地表温度的影响分析

　　中国在过去的几十年中，由于大规模的生态恢复项目，森林覆盖率显著提高。这一变化不仅对生态环境产生了积极影响，还对当地的热环境产生了深远的生物物理效应。本文通过整合多种卫星数据与地表模型模拟，系统地评估了森林绿化对不同空间和时间尺度下地表温度的影响，揭示了其在气候调节中的关键作用。这些发现不仅为理解森林恢复对气候的贡献提供了新的视角，也为制定可持续的生态恢复政策和自然气候解决方案提供了科学依据。

### 森林绿化的背景与意义

森林作为陆地生态系统的主要组成部分，在保护生物多样性和缓解气候变化方面发挥着不可替代的作用。然而，由于农业扩张、城市化和工业化，中国在历史上经历了严重的森林砍伐，导致森林覆盖率在20世纪60年代降至仅8.7%。为应对这一问题，中国政府自上世纪80年代起启动了一系列大规模的生态恢复项目，包括恢复历史退化森林和保护现有森林。这些措施使中国成为全球森林资源净增长最多的国家之一，并且在2001年至2020年间，中国森林绿化的现象变得尤为显著。

森林恢复不仅通过生物地球化学过程（如碳吸收和储存）减缓全球变暖，还通过生物物理过程（如蒸散作用和遮荫效应）缓冲局部温度，从而为物种提供相对稳定的热环境。然而，以往的研究多将森林恢复定义为土地覆盖类型的变化，忽略了森林绿化这一连续过程对局部气候的影响。此外，现有观测方法在处理森林绿化这类持续变化时存在局限性，难以准确反映其空间异质性和动态变化。因此，如何准确量化森林绿化对地表温度的生物物理影响成为研究的关键。

### 方法与数据来源

为解决上述问题，本研究采用了一种整合卫星观测数据与地表模型的方法，以更精确地评估森林绿化的生物物理效应。我们使用了来自中分辨率成像光谱仪（MODIS）的森林叶面积指数（LAI）数据，该数据具有500米的空间分辨率和8天的时间分辨率，涵盖了2001年至2020年中国森林的变化情况。为了减少LAI数据中的噪声，我们采用了基于深度学习的综合重构方法（GANSG），以提高数据的可靠性。

同时，我们结合了中国陆地数据同化系统版本2.0（CLDAS V2.0）提供的大气强迫数据与Noah-MP地表模型，以排除大气环流对地表温度（LST）的影响，从而更准确地归因于植被变化的生物物理过程。通过这一方法，我们能够计算不同森林类型在不同季节和地区的LAI变化对LST的影响，并进一步分析各生物物理过程（如短波辐射、潜热通量和感热通量）对地表温度变化的贡献。

### 森林绿化的趋势与影响

从2001年到2020年，中国森林的LAI总体呈现显著增长趋势，约97%的森林区域显示出0.352平方米/平方米/十年的绿化趋势。这一趋势表明，中国在森林恢复方面取得了显著成效，同时也反映出森林在应对气候变化中的重要性。森林绿化对地表温度的影响主要体现在其生物物理过程，如蒸散作用和遮荫效应，这些过程在不同森林类型和季节中表现出不同的特征。

在年尺度上，森林LAI变化对地表温度的影响主要由潜热通量（LE）和感热通量（H）主导，分别贡献了47.87%和43.42%的温度变化。而短波辐射（SW）的贡献相对较小，仅占6.31%。这种变化趋势表明，森林绿化的降温效果主要依赖于植被对能量的再分配，尤其是通过增加蒸散作用来降低地表温度。在针叶林中，LAI变化对年均地表温度的影响主要通过感热通量的变化，而在落叶阔叶林中则主要通过潜热通量的变化实现。常绿阔叶林则表现出季节性变化，冬季和春季由感热通量主导，而夏季和秋季则由潜热通量主导。

### 不同森林类型的降温效应

研究还发现，不同森林类型在不同季节的降温效应存在显著差异。例如，常绿针叶林（ENF）和常绿阔叶林（EBF）在春季和夏季的降温效应较强，而落叶针叶林（DNF）和落叶阔叶林（DBF）则在冬季表现出一定的升温效应。这种差异可能与不同森林类型对能量的吸收和释放方式有关。例如，常绿阔叶林由于全年保持茂密的树冠，能够持续地通过蒸散作用降低地表温度，而落叶阔叶林在冬季失去叶片后，其降温效应减弱，甚至可能因冬季树冠遮挡雪地而增加地表温度。

此外，混合林（MF）的降温效应在年均和月均尺度上均表现出较强的贡献，主要依赖于潜热通量和感热通量的协同作用。而短波辐射（SW）和地表热通量（G）的贡献相对较小，表明它们在森林降温中的作用不如潜热和感热通量显著。这些结果表明，森林绿化的降温效应并非单一过程，而是多种生物物理机制相互作用的结果，且不同森林类型在不同季节和地区的降温能力存在差异。

### 生物物理过程的相互作用

森林绿化的降温效应主要来源于其对能量平衡的调节。在年均尺度上，森林LAI的变化对地表温度的影响主要由潜热通量（LE）和感热通量（H）共同驱动，而短波辐射（SW）和地表热通量（G）的贡献相对较小。这种相互作用反映了森林对能量的再分配过程，即通过增加蒸散作用（LE）减少地表热量的积累，从而实现降温效果。同时，森林通过遮荫效应（SW）减少地表吸收的太阳辐射，进一步降低地表温度。

在月均尺度上，不同森林类型的降温效应表现出明显的季节性。例如，常绿针叶林（ENF）在冬季的降温效应最强，而落叶阔叶林（DBF）在春季和夏季的降温效应更为显著。这种季节性的变化可能与森林的生长周期和蒸散作用的强度有关。在春季，随着植被的恢复和生长，蒸散作用增强，从而有效降低地表温度。而在冬季，由于森林树冠遮挡了雪地，可能减少了地表反射率（albedo），从而削弱了降温效果。

### 森林绿化的生态与气候意义

本研究的结果表明，中国森林绿化的趋势不仅反映了国家生态恢复政策的成功，也揭示了其在应对气候变化中的重要作用。森林通过其生物物理过程对地表温度的调节，为区域气候提供了缓冲作用，有助于维持稳定的热环境。这种缓冲作用在南方地区尤为明显，因为常绿阔叶林和混合林在全年范围内保持较高的蒸散作用，从而显著降低地表温度。而在北方地区，由于季节性水分供应的限制，森林的降温效果相对较弱，甚至在某些情况下可能引发升温效应。

此外，森林绿化的降温效应还受到植被与当地水文气候之间的反馈机制影响。南方地区的常绿阔叶林和混合林由于更长的生长季节和更充足的水分供应，能够持续地通过蒸散作用降低地表温度，从而增强其对气候的调节能力。而北方地区的落叶阔叶林和针叶林则由于季节性水分短缺，可能在某些月份增加地表温度，这表明森林绿化的降温效应并非完全一致，而是受到多种因素的影响。

### 森林恢复的可持续性与政策建议

本研究强调了可持续森林恢复在应对气候变化中的重要性。尽管森林绿化在一定程度上有助于缓解局部温度上升，但其效果受到植被类型、生长季节和水文条件的影响。因此，未来在制定森林恢复政策时，应更加注重森林的质量和长期可持续性，而不仅仅是扩大森林面积。此外，研究还指出，某些地区的人工林由于选址不当、管理不善和物种选择不合理，可能面临退化的风险，因此需要加强森林管理，避免出现“纸面森林”的现象。

总体而言，本研究通过整合卫星观测与地表模型，揭示了森林绿化对地表温度的复杂影响，为理解森林在气候调节中的作用提供了新的视角。未来的研究应进一步探讨森林绿化与城市扩张、土地退化等因素之间的相互作用，以更全面地评估其对气候的潜在影响，并为全球范围内的森林恢复提供科学支持。