星载激光雷达揭示美国中大西洋海岸森林结构受潮汐淹没影响的生态阈值与驱动机制

本研究利用NASA全球生态系统动力学调查(GEDI)的星载激光雷达(LiDAR)数据，首次系统评估了美国中大西洋海岸森林垂直结构对潮汐淹没的响应规律。通过建立非线性回归模型，揭示了森林结构参数(PAI、PAVD)与海拔的渐近关系，发现流域内低于平均高高潮位(MHHW)的面积比例、坡度和排水密度是影响森林-沼泽转换阈值的关键环境驱动因子，为预测海平面上升(SLR)下的海岸带生态系统重组提供了量化依据。

　　

随着全球气候变化加剧，海平面上升(SLR)正以前所未有的速度重塑海岸带生态系统。美国中大西洋地区作为SLR热点区域，正经历着海岸森林大面积退化和沼泽向陆地迁移的生态剧变。这些被称为"幽灵森林"的枯立木带，不仅是气候变化的警示标志，更预示着海岸带碳循环格局的重大转变。然而，潮汐淹没和盐分入侵如何影响森林垂直结构、哪些因素决定森林向沼泽转换的临界阈值，这些关键科学问题尚未系统解答。

NASA全球生态系统动力学调查(GEDI)团队联合多所研究机构，利用国际空间站搭载的星载激光雷达(LiDAR)，对中大西洋海岸带0-5米海拔范围内的森林结构开展了开创性研究。通过分析2019-2022年间168,516个25米直径足迹的波形数据，提取了植物面积指数(PAI)和分层植物面积体积密度(PAVD)等三维结构参数，结合1米分辨率数字高程模型(DEM)，建立了非线性回归模型量化森林结构与海拔的关系。研究首次发现：在65个显著响应的流域中，上层冠层PAVD(>15m)对海拔变化最敏感，其响应阈值(1.84±0.73m)显著高于林下层(<15m)的1.45±0.68m；流域内低于平均高高潮位(MHHW)的面积比例每增加10%，森林结构受影响的海拔阈值将上移0.3m，而坡度每增加1°可使阈值降低0.15m。这些发现为预测海岸带生态系统转型提供了量化标尺，相关成果发表在《Estuarine, Coastal and Shelf Science》。

关键技术方法包括：(1)GEDI L2A/L2B数据提取RH98冠层高度和PAI/PAVD垂直分布参数；(2)USGS CoNED DEM生成12.5米分辨率海拔数据；(3)非线性混合效应模型拟合流域特异性响应曲线；(4)分段线性回归确定结构-海拔关系阈值；(5)多变量回归分析9类环境驱动因子。研究区域覆盖切萨皮克湾和特拉华湾110个HUC-10流域，数据采集严格限定5-9月叶片生长期，并采用灵敏度>0.95的质量控制标准。

【4.1 海拔对森林结构的影响】
分析显示森林结构对海拔呈现显著非线性响应，β₃
系数空间异质性明显。南部沿海流域响应更剧烈，上层PAVD变化斜率比林下层平缓40%，反映盐胁迫导致的冠层稀疏化。模型预测RMSE显示PAI精度最高(1.17 m²
/m²
)，验证了激光雷达反演森林参数的可靠性。

【4.2 阈值位置】
通过分段回归识别出三个关键海拔阈值：林下层PAVD最先稳定(1.45m)，随后是PAI(1.69m)，上层PAVD最后(1.84m)。马里兰东岸流域阈值普遍高于流域均值1.2倍，而新泽西南部流域则低30%，揭示空间异质性。

【4.3 景观驱动因素】
多元回归表明：MHHW淹没面积比例使PAI阈值正偏移0.25m(p<0.01)，而排水密度每增加1km/km²
可使上层PAVD阈值降低0.18m。微潮汐区域(潮差<2m)的阈值比广潮区高35%，暗示潮汐能通过促进沉积缓解盐分胁迫。

讨论部分强调，该研究首次建立了星载激光雷达参数与海岸森林退化的定量关系，突破传统样地调查的时空局限。发现林下层结构的早期响应特征(阈值最低)为沼泽迁移提供预警指标，而流域尺度驱动因子模型(解释方差达48%)可指导保护优先区划定。值得注意的是，历史排水工程形成的密集沟渠网络(密度>3.4km/km²
)显示出延缓森林退化的潜力，这为基于自然解决方案的适应策略提供新思路。

结论指出，GEDI数据成功捕捉到海岸森林垂直结构的梯度变化规律，证明MHHW淹没范围、坡度和排水密度是调控生态转型的三大杠杆。该成果不仅为预测海岸带碳汇变化提供方法论创新，更强调将森林结构动态监测纳入气候变化适应规划的必要性。未来需结合物种特异性响应机制和地下水盐化过程，进一步完善预测模型。