亚热带城市森林碳动态对复合型热浪-干旱事件的短期响应机制研究

《Agricultural and Forest Meteorology》：Short-term responses of urban forest carbon dynamics to combined heatwave and drought in subtropical China

针对复合型极端气候对城市森林碳汇功能的协同影响机制不明问题，南京大学团队基于涡度协方差技术，揭示了热浪-干旱复合事件导致净生态系统交换量(NEE)降低66%的关键环境驱动因子，为亚热带城市森林应对气候变化提供了管理依据。

　　

随着全球气候变化加剧，复合型极端天气事件正对城市生态系统产生前所未有的冲击。在亚热带城市南京，2022年夏季持续的高温与干旱给城市森林带来了严峻挑战。这类被称为"热浪-干旱复合事件"的极端气候，通过水热耦合效应使植被承受双重胁迫，但其对城市森林碳循环的短期影响机制尚不明确。南京大学的研究团队利用国际先进的涡度协方差(Eddy Covariance, EC)技术，首次系统揭示了亚热带城市森林碳通量对极端气候的响应规律。

研究依托南京大学仙林校区地球系统区域过程观测站(SORPES)的观测设施，在2022年夏季102天内采集了半小时分辨率的大气湍流数据。通过随机森林模型结合SHAP解释性分析，团队量化了总初级生产力(GPP)、生态系统呼吸(Re)和净生态系统交换(NEE)的动态变化。研究创新性地将天气条件划分为四类：热浪-干旱复合期、单纯热浪期、单纯干旱期和正常期，从而解析不同胁迫的独立与协同效应。

主要技术方法

研究采用30分钟时间分辨率的涡度协方差系统连续监测CO₂通量，结合气象传感器记录空气温度(T_a)、土壤含水量(SWC)等参数。通过随机森林机器学习模型识别关键环境驱动因子，并运用SHAP值量化各因素贡献度。研究区位于南京大学仙林校区(118.95222°E, 32.12040°N)，植被以亚热带常绿阔叶林为主。

气象条件特征

热浪-干旱复合期日最高温达36.5°C，土壤含水量降至0.15 m³/m³以下；单纯热浪期温度33.2°C但水分充足；单纯干旱期SWC<0.18 m³/m³而温度正常。这种精细划分为解析复合效应奠定了基础。

碳通量响应规律

研究发现热浪-干旱复合事件使NEE降低66%(95%CI:50%-82%)，主要源于GPP受抑制和Re升高。极端高温与土壤水分亏缺产生协同效应：温度超过35°C时，每升高1°C使GPP下降5.2%，而SWC<0.17 m³/m³会触发气孔关闭。值得注意的是，水分充足的热浪反而促进生理活性，GPP和Re分别增加17%和47%，但因呼吸消耗增加，净碳汇仍低于正常期。

环境驱动机制

太阳辐射和土壤含水量被确定为最关键因子，但其相对重要性随条件变化：热浪期辐射主导GPP变化(R²=0.71)，而干旱期SWC解释力达64%。SHAP分析显示，当SWC<0.18 m³/m³时，其对NEE的负向贡献呈指数增长。

管理启示

研究表明亚热带城市森林对水热复合胁迫异常敏感。尽管单一干旱在短期内影响有限，但与热浪叠加会产生放大效应。这提示城市森林管理需建立"阈值预警"机制，当SWC低于0.18 m³/m³且T_a>35°C时，应及时灌溉以维持碳汇功能。研究为《巴黎协定》框架下的城市碳中和路径提供了科学依据，论文发表于农林气象学顶级期刊《Agricultural and Forest Meteorology》。