全球管理森林对骤发干旱的脆弱性加剧：机制解析与适应性管理启示

《Nature Communications》：Flash droughts threaten global managed forests

本研究针对骤发干旱(flash droughts)对全球森林影响的认知空白，通过构建高时空分辨率标准化降水蒸散指数(SPEI)数据集和可解释机器学习框架，发现管理森林比原始森林更易因骤发干旱导致褐变(browning)。研究揭示当前以生态系统服务最大化为目标的管理实践反而加剧森林脆弱性，为制定包含极端气候抵抗力的适应性管理策略提供科学依据。

　　

随着全球气候变暖加剧，一种新型干旱——骤发干旱(flash droughts)正以前所未有的速度威胁着全球森林生态系统。与传统干旱不同，骤发干旱在数周内迅速升级为严重水分胁迫，其发生频率和强度随着气温上升而显著增加。这种快速的水分可利用性变化使树木难以调整生理过程，加之伴随的复合干热条件(compound hot-dry conditions)通过陆地-大气反馈进一步加剧，给森林带来巨大压力。然而，全球森林对骤发干旱的响应机制仍存在争议：有的研究发现森林在骤发干旱期间归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index, NDVI)快速下降，有的却显示森林对骤发干旱具有强抵抗力，甚至在某些湿润地区出现NDVI反直觉上升的现象。这种认知空白严重制约了我们对全球森林脆弱性的准确评估和有效管理。

为了解开这一科学谜题，北京林业大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。他们开发了全球高时空分辨率标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation-Evapotranspiration Index, SPEI)数据集(gSPEI-HR，0.1°，日尺度)，利用可解释机器学习框架系统分析了1979-2018年间全球森林对骤发干旱的响应规律。研究发现，全球森林在过去四十年中经历的骤发干旱呈现出加速发生、强度增加和持续时间延长的趋势。尤为重要的是，管理森林(managed forests)比原始森林(intact forests)更容易因骤发干旱而发生褐变(browning)，这种差异主要源于管理森林对极端高温驱动的快速干旱胁迫的适应能力有限。

研究团队采用多项关键技术方法：基于ERA5-Land再分析数据构建了0.1°分辨率的全球高时空分辨率SPEI数据集，准确识别骤发干旱事件；利用PKU GIMMS NDVI、GLOBMAP LAI和GOSIF SIF等卫星遥感数据量化森林响应；应用极端梯度提升模型(XGBoost)和沙普利加性解释(Shapley Additive Explanations)框架解析调控因子重要性；结合全球森林管理数据集和meta分析评估管理实践的影响。

骤发干旱特征的时空格局

全球森林在过去四十年中普遍经历了骤发干旱事件，其特征表现出明显的纬度分异规律。低纬度森林遭遇的骤发干旱频率更高、发生更快(发生速率=-0.89 pentad^-1)、持续时间更长(胁迫持续时间=4.52 pentads)、强度更大(峰值胁迫=-2.12)。亚马逊盆地是骤发干旱最严重的区域，发生速率<-1 pentad^-1，胁迫持续时间>5 pentads，峰值胁迫<-2。撒哈拉地带由于对降水变化的高度敏感性，也成为骤发干旱频发区。中纬度森林的骤发干旱频率相对较低，发生速率较慢(-0.85 pentad^-1)，持续时间较短(4.35 pentads)，强度较小(峰值胁迫=-1.82)。

骤发干旱对全球森林的影响

骤发干旱导致全球42.73%的森林发生褐变(ΔNDVI<0)，主要分布在美国东海岸、巴西高原、撒哈拉地带和东南亚地区。森林结构(叶面积指数, LAI)和功能(太阳诱导叶绿素荧光, SIF)也受到损害，与NDVI变化的一致性分别达到63.19%和63.11%。机器学习重要性分析显示，森林管理(18.37%)是影响ΔNDVI空间变异的首要因子，其次为年均温(mean annual temperature, MAT;12.07%)、温度异常(10.30%)和胁迫持续时间(9.98%)。

管理森林通常表现出比原始森林更低的NDVI，且更容易发生褐变(平均ΔNDVI=-0.11)。当林冠高度超过约23米时，原始森林对骤发干旱的抵抗力减弱，褐变风险增加。背景气候条件显著调节森林响应：较高MAT和较低MAP地区的森林更容易在骤发干旱期间出现NDVI下降，而较冷(MAT<5°C)或较湿(MAP>1500 mm)地区的森林则倾向于表现出中性或有益的响应。

森林管理在调节骤发干旱影响中的作用

森林管理实践显著增加了森林对骤发干旱的脆弱性。原始森林和管理森林对温度异常和胁迫持续时间的ΔNDVI响应呈现明显对比：原始森林能够抵消由温度升高引起的NDVI损失，而管理森林则出现更显著的NDVI下降。当胁迫持续时间超过八个pentads时，管理森林在 prolonged flash droughts期间经历更严重的NDVI下降。

不同管理类型的森林对骤发干旱的敏感性存在显著差异：有管理干预的自然再生森林NDVI下降最小(ΔNDVI=-0.05)，而农林业遭受的减少最大(ΔNDVI=-0.29)。人工林比自然再生森林对骤发干旱响应更敏感(ΔNDVI=-0.08)。在自然再生森林中，采伐显著增加了对骤发干旱的脆弱性，特别是清除所有林分上层的皆伐(clear-cuts)大大降低了森林抵抗力。人工林由于结构简化和物种适应性差，表现出对骤发干旱干扰的高度敏感性。

研究结论与意义

该研究系统揭示了全球管理森林对骤发干旱的脆弱性机制，指出当前以生态系统服务最大化为目标的森林管理实践反而加剧了森林对快速气候变化的敏感性。研究强调需要从生产力为中心的林业实践转向强调生物多样性增强、乡土树种优先、优化林分密度和多样化林分结构的综合管理策略。选择性采伐、保留森林残留物和合理疏伐等可持续采伐实践对减轻骤发干旱影响至关重要。此外，开发强大的骤发干旱早期预警系统，为森林管理者提供关键干预窗口，对最大限度减少生态和经济损失具有重要意义。

这项研究为全球森林适应性管理提供了科学基础，特别是在撒哈拉地带和巴西高原等极端复合干热条件显著增加森林褐变风险的区域。随着气候变化背景下骤发干旱频率和强度的持续增加，该研究成果对维护全球森林生态系统稳定性和实现可持续发展目标具有重要指导价值。