全球城市化对植被碳汇能力的间接增强效应：多尺度遥感证据与机制解析

本研究针对城市化进程中植被碳汇能力(NEP)响应机制不明确的问题，基于全球508个大城市的多源遥感数据(GAIA/BEPS)，量化了2000-2020年间城市化对净生态系统生产力(NEP)的直接(ωd)与间接影响(ωi)。发现88%城市存在19.6%的间接增强效应，可抵消14.7%的直接碳损失，其中干旱区(32.95%)和寒带(24.25%)效应最显著。研究揭示了城市化强度(UI)、人类足迹(HF)与气候因子的协同作用，为可持续城市植被管理提供了科学依据。

　　

随着全球城市化率预计在2050年达到68%，城市扩张正以前所未有的速度改变地表景观。这种转变不仅直接吞噬自然植被，更通过"城市环境过滤器"——包括热岛效应(UHI)、大气CO₂浓度升高和人为管理措施等，对残留植被的碳汇功能产生复杂影响。尽管小尺度实验表明城市环境可能抑制植物生长，但近年大尺度遥感观测却发现了"植被促进"现象，这种矛盾凸显了传统研究在尺度拓展和机制解析上的局限性。更关键的是，气候变化背景下，不同气候带城市植被对城市化响应的异质性规律仍属未知，这严重制约了全球城市碳中和策略的精准制定。

为破解这一难题，研究人员开展了首项覆盖全球508个大型城市(面积>200 km²)的系统研究。通过整合全球人工不透水面(GAIA)数据集和 boreal ecosystem productivity simulator (BEPS)模型生成的NEP数据，构建了2000-2020年间0.0727°分辨率的碳通量时空序列。研究创新性地采用Zhao等提出的概念框架，将城市化强度(β)梯度上的NEP变化分解为直接效应(ω_d)和间接效应(ω_i)，并通过三次多项式拟合量化其非线性特征。

关键技术方法包括：1) 基于30米分辨率GAIA数据提取城市边界和β梯度；2) 利用BEPS模型融合植被参数与多源遥感数据生成日尺度NEP；3) 采用Mann-Kendall趋势检验分析ω_i时空变化；4) 通过随机森林(RF)和偏相关分析解析气候(TEM/PRE/UHI)与人为因素(CO₂/UG/UI/HF)的驱动贡献。

3.1 全球城市化间接效应的空间格局
研究发现446个城市(88%)存在显著正向间接效应(ω_i平均19.6%)，可抵消14.7%的直接碳损失(τ系数)。效应强度呈纬度梯度，北半球高于南半球，其中北美东部和西欧城市表现最突出。值得注意的是，热带城市ω_i仅9.65%，而干旱区和寒带分别达32.95%和24.25%，揭示"水文-热力限制假说"——环境胁迫越强，城市化补偿效应越显著。

3.2 气候带的调控作用
通过K?ppen-Geiger气候分区发现：热带区ω_i与降水(PRE)正相关，反映高温下的水分依赖；温带区则与温度(TEM)负相关，暗示热浪的抑制作用；寒带区UHI和CO₂均呈正效应，证实暖化延长生长季的益处。这种"气候情境依赖性"为区域差异化政策提供了依据。

3.3 人为因素的核心驱动
偏相关分析显示，城市化强度(UI)和人类足迹(HF)是ω_i增长的主要推手(p<0.01)。在发达城市，高β区域(>0.8)的ω_i达22.34%，显著高于发展中国家(19.16%)，反映精细化管理的优势。而发展中国家的ω_i年增长率(1.36%)更高，体现后发城市的改善潜力。

3.4 时间动态与可持续启示
2010-2020年间全球ω_i增长3.5%，其中寒带(+5.5%)和温带(+4.4%)增幅最大。这种"加速补偿"现象与气候变暖背景下CO₂施肥效应(CFE)增强有关，但温带区UHI的负面效应警示需防范极端高温的抵消作用。

这项发表于《Geography and Sustainability》的研究，首次在全球尺度上揭示了城市化对植被碳汇的"双刃剑"效应。其核心突破在于：1) 证实了城市化间接增强效应的普遍性，挑战了"城市环境必然抑制植被"的传统认知；2) 建立了气候-人为因子的交互作用模型，发现干旱/寒带城市的更高适应性；3) 提出了"发展水平-管理效能"关联理论，为《巴黎协定》城市减排目标提供了量化工具。未来研究可结合叶片级光合机理与城市形态三维特征，进一步优化NEP模拟精度。这些发现对协调城市化与碳中和战略具有里程碑意义，特别是在指导"基于自然的解决方案"(NbS)和气候适应性城市规划方面。