北半球森林生长对连续霜冻的敏感性：持续时间比孤立事件更具破坏性

《Nature Communications》：Continuous frost causes a greater reduction in forest growth than isolated frost in the Northern Hemisphere

本研究针对当前气候模型普遍忽视霜冻事件持续时间的问题，通过整合多源遥感数据与霜冻控制实验，揭示了连续霜冻事件（≥2个连续霜冻日）比孤立霜冻事件对北半球森林生长（GPP、NPP、EVI、CSIF）造成更显著的抑制作用。研究发现温带和寒带森林对连续霜冻尤为敏感，且干旱区域协同作用加剧生长衰退。CMIP6模型预测显示，高排放情景（SSP5-8.5）下未来森林碳汇能力将面临更严重威胁。该成果为动态植被模型整合霜冻持续时间参数提供了关键依据，对精准预测全球碳循环具有里程碑意义。

　　

随着气候变化加剧，极端气候事件对森林生态系统的冲击日益凸显。在众多气候胁迫因子中，霜冻因其能直接破坏植物组织结构和生理功能而备受关注。当温度降至冰点以下，植物细胞内部形成的冰晶会刺穿细胞膜，导致细胞液外渗和组织坏死，进而显著削弱树木的光合能力和生长活力。传统研究多聚焦于孤立霜冻事件（即单日极端低温）的影响，然而在自然环境中，霜冻往往持续数日形成连续侵袭。这种持续低温胁迫是否会导致累积性损伤？其生态效应是否远超孤立事件？这些问题成为当前森林生态学研究的重要盲区。

为解决这一科学难题，由四川大学陈雷研究员领衔的国际研究团队，在《Nature Communications》上发表了题为"Continuous frost causes a greater reduction in forest growth than isolated frost in the Northern Hemisphere"的重要论文。研究团队创新性地将多源卫星遥感数据与可控环境实验相结合，首次系统量化了连续霜冻事件对北半球森林生长的差异化影响。

研究主要整合了遥感反演技术与生理生态测定方法。通过处理MODIS卫星的GPPMODIS（总初级生产力）、NPPMODIS（净初级生产力）、EVIMODIS（增强型植被指数）和CSIF（连续太阳诱导叶绿素荧光）等数据集，结合CRU JRA v2.4气候数据，构建了2001-2020年北半球森林生长对霜冻响应的空间格局。同时设计精密霜冻控制实验，对7种代表性树种（包括樟子松和栓皮栎）进行隔离霜冻（12小时/次×4次）与连续霜冻（48小时持续）处理，测定净光合速率和相对电解质导度等生理指标。未来预测部分则基于CMIP6模型中NorESM2-MM和CMCC-ESM2的输出数据，模拟不同排放情景下霜冻的长期生态效应。

遥感证据揭示连续霜冻的放大效应

研究将日最低温度低于-4°C定义为霜冻日，通过比较不同持续时间霜冻事件发生时森林生长的变化幅度，发现连续霜冻（≥2连续霜冻日）导致GPPMODIS、NPPMODIS、CSIF和EVIMODIS的下降幅度显著大于孤立事件。线性混合效应模型在控制霜冻日总数的影响后，依然检测到持续时间的独立负效应（P<0.05），证实了连续霜冻的特殊破坏性。

气候带差异响应规律

空间分析显示，温带和寒带森林中连续霜冻造成的生长抑制显著强于孤立事件，而亚热带森林则未呈现显著差异。进一步回归分析表明，在温带和寒带区域，森林生产力（ΔNPPMODIS）与连续霜冻频率呈显著负相关，且这些区域的蒸散发下降幅度更大，暗示能量损失可能是限制后期恢复的关键因素。

干旱与霜冻的协同胁迫

研究还发现干旱区域森林对霜冻更为敏感。在同等霜冻条件下，干旱区森林生长下降幅度显著大于湿润区（P<0.05）。交互作用分析揭示，水分可用性（PDSI）与霜冻存在显著协同效应，随着干旱加剧，霜冻的负面影响被进一步放大。

实验验证生理机制

控制实验数据表明，连续霜冻处理后树木净光合速率降幅更大，相对电解质导度升幅更高（P<0.05），证实了连续低温对细胞膜完整性和光合机构的累积性损伤。快速生长树种（如樟子松）的生理参数变化尤为剧烈，体现了生长-抗逆性之间的权衡关系。

未来情景预测

基于CMIP6模型的预测显示，在所有排放情景下，连续霜冻事件都将在2020-2079年间持续抑制森林生长，其中高排放情景（SSP5-8.5）下GPP下降最为显著，表明气候变化可能通过改变霜冻格局间接影响陆地碳汇功能。

这项研究首次系统论证了霜冻持续时间对森林生长的决定性影响，突破了传统研究仅关注温度阈值的局限。连续霜冻通过破坏细胞膜稳定性（表现为相对电解质导度升高）和抑制光合作用（净光合速率下降）双重途径加剧树木生理胁迫，且这种效应在水分和能量受限的生态系统中更为突出。研究成果强调，当前气候模型亟需整合霜冻持续时间参数，才能准确预测未来森林碳循环反馈。随着气候变暖，树木可能通过调整生理策略适应热胁迫，但这可能以降低抗寒性为代价，使其在面对偶发但强烈的霜冻事件时更为脆弱。因此，在制定森林保护策略时，不仅要关注霜冻发生频率，更需重视其持续时间的生态效应，这对实现碳中和目标下的森林可持续管理具有重要指导意义。