多年冻土提前解冻加速北半球地表绿化：机制、趋势与模型评估

《Nature Communications》：Accelerated land surface greening caused by earlier permafrost thawing

《自然·通讯》最新研究揭示：针对北极多年冻土区植被绿化对冻融周期响应机制不清的问题，研究人员通过多源遥感数据和动态全球植被模型分析，发现春季冻土解冻提前通过降低反照率、促进物候提前和改善土壤水分等途径显著增强地表绿化敏感性，该研究为预测冻土区碳循环反馈提供了关键理论依据。

　　

随着全球变暖的持续加剧，北极地区正经历着前所未有的环境变化。其中，多年冻土（指持续冻结两年以上的岩土层）的退化尤为引人关注。多年冻土区约占北半球陆地面积的四分之一，这些区域不仅是巨大的碳库，储存着约1.5万亿吨有机碳，更是全球气候系统的重要调节器。近年来，卫星观测显示这些区域出现了显著的"绿化"现象，表现为植被绿度、生物量和生产力的增加以及生长季的延长。与此同时，气候变暖导致多年冻土开始解冻的时间（SOT）提前，这可能会通过改变土壤水热条件和养分有效性进一步影响植被生长。然而，目前科学界对冻土解冻时间如何影响植被绿化的认识仍不清晰，特别是这种关系是否随时间发生变化尚属未知，这限制了我们准确预测北极生态系统对气候变化响应的能力。

为了解决这一科学问题，中国科学院地理科学与资源研究所的滑昊、王健及吴朝阳等研究人员在《自然·通讯》上发表了最新研究成果。该研究整合了40年的冻融数据和多种卫星遥感指标，首次系统量化了1982-2021年间北半球多年冻土区春季绿化对冻土解冻时间敏感性的时空变化特征。

研究采用了多项关键技术方法：利用被动微波遥感（FT-ESDR）和再分析数据（ERA5-Land）确定春季冻土解冻日期；结合核归一化植被指数（kNDVI）、太阳诱导叶绿素荧光（SIF）和总初级生产力（GPP）等多源卫星数据评估植被绿化；运用岭回归和移动窗口法计算敏感性（β_SOT）；通过随机森林（RF）和SHAP值进行空间归因分析；采用收敛交叉映射（CCM）和结构方程模型（SEM）解析机理路径；并对比了TRENDY项目中16个动态全球植被模型（DGVMs）的模拟能力。

敏感性增强的普遍性

研究发现，春季冻土解冻提前与植被绿化增强显著相关。基于15年移动窗口的分析表明，38.6%的区域显示β_SOT显著增加（p<0.05），而减少的区域仅占22.0%。连续多年冻土区的增加趋势最为明显，尤其是 boreal forests 和 tundra 生物群系。三种绿化指标（kNDVI、SIF、GPP）均呈现一致模式，证实了结果的稳健性。

空间异质性的驱动因素

随机森林模型解释了81%的β_SOT趋势空间变异。关键驱动因素包括：多年冻土状态（平均SOT和解冻日期SOF）、气候条件（平均温度和变暖趋势）以及植被特征。β_SOT增加区通常具有较晚的基线解冻时间、更低的平均温度但更快的变暖速率，且绿化趋势较缓。

生物地球物理机制

研究揭示了三条关键中介路径：能量平衡（反照率降低）、物候动态（返青期GUD提前）和水分供应（土壤垂直水分差ΔSM增加）。因果分析显示，65.9%的像点存在GUD对β_SOT的因果关系。结构方程模型表明，2002-2021期间反照率的负中介效应增强，而ΔSM的正向作用显著提升。

模型评估与不足

当前DGVMs普遍低估了β_SOT的增长幅度（比观测低87.1%），且在不同模型间存在较大变异。除ORCHIDEE和YIBs模型外，多数模型未能捕捉到以增强为主的空间趋势，凸显了当前模型在刻画冻融过程与植被响应方面的局限性。

该研究首次揭示了多年冻土解冻时间对植被绿化影响增强的时空格局，深化了对北极地区陆-气反馈机制的理解。研究表明，冻土退化不仅通过碳反馈影响气候，还通过改变地表能量平衡、物候进程和水文过程直接调节植被动态。当前模型的不足指向了改进冻土水文过程、三相态水变化和微地形效应等参数化方案的必要性。这项研究为提升地球系统模型在冻土区的预测能力提供了重要科学依据，对准确评估北极碳循环反馈及其全球气候效应具有深远意义。