2022年复合干旱-热浪事件期间长江流域人工林比天然林更易受损但恢复更快

《Water Resources Research》：Higher Vulnerability But Faster Recovery in Planted Than Natural Forests During the 2022 Compound Drought–Heatwave in China's Yangtze River Basin

　　

尽管人工林(Planted Forests, PFs)对长江流域土壤保持具有重要贡献且是中国造林计划的核心，但其对复合干旱-热浪(Compound Drought–Heatwave, CDHW)事件的韧性仍不明确。2022年前所未有的CDHW事件为评估PFs与天然林(Natural Forests, NFs)对此类极端气候扰动的响应提供了契机。利用核归一化差值植被指数(kernel-Normalized Difference Vegetation Index, kNDVI)、总初级生产力(Gross Primary Productivity, GPP)及太阳诱导叶绿素荧光(Global OCO-2 Solar-Induced Fluorescence, GOSIF)，研究人员发现事件当年PFs降幅大于NFs，但在次年气候缓解条件下恢复更迅速，揭示出明显的抵抗力(Resistance)–恢复力(Recovery)权衡。对于kNDVI与GPP，超过70%网格中NFs表现出较弱下降而PFs表现出较快恢复。NFs凭借较高冠层、较大生物量及较高物种多样性展现更强抵抗力；PFs以结构简单且林龄较幼的林分为主，具更高恢复潜力。两类森林恢复差异在极端及异常CDHW条件下最为显著。XGBoost结合SHAP分析进一步表明林型间结构差异——尤以冠层高度差最为突出——是恢复分歧最强预测因子，而土壤、组成及气候变量影响因指标而异。结果表明NFs与PFs在生态系统稳定性与恢复中具互补作用，为CDHW加剧背景下水资源管理提供关键依据。

论文解读：《Higher Vulnerability But Faster Recovery in Planted Than Natural Forests During the 2022 Compound Drought–Heatwave in China's Yangtze River Basin》（发表于 Water Resources Research）

一、研究背景与意义

长江流域（Yangtze River Basin, YRB）森林生态系统在水文调节与水土保持中发挥关键作用，中国大规模实施天然林保护工程与长江防护林体系使人工林（Planted Forests, PFs）面积已接近天然林（Natural Forests, NFs）。随着气候变化加速，流域复合干旱-热浪（Compound Drought–Heatwave, CDHW）事件频发且强度增大，直接威胁森林健康及水源涵养功能。现有研究多关注单一干旱或热浪下PFs较NFs更脆弱，但对CDHW这一协同胁迫下两者抵抗力与灾后恢复轨迹的差异——尤其是恢复力对比及驱动机制——尚存争议且缺乏大尺度实证。2022年夏季YRBs遭遇史无前例的CDHW事件，为自然实验提供了独特窗口。该研究旨在量化PFs与NFs对2022年CDHW的抵抗力（事件期植被降幅）与恢复力（2023年相对于2022年的反弹），识别恢复差异的主导驱动因子，为流域森林管理与生态水文适应性策略提供科学依据。

二、主要技术方法概述

研究人员选取长江流域为研究区，基于Abbasi等人绘制的全球天然林/人工林分布图与ESA WorldCover 2021土地覆盖数据，叠加密集度＞10%、冠层高＞5 m的Hansen森林覆盖图和Lang等2020年全球冠层高度产品，在20 km×20 km网格内配对筛选NFs与PFs各占比≥10%、各≥30像素且平均海拔差≤300 m的1048个样本网格以消除地形偏差。植被活动采用三种遥感指标：由MODIS NDVI计算的核归一化差值植被指数（kNDVI）、OCO-2衍生的太阳诱导叶绿素荧光产品GOSIF及MODIS GPP（MOD17A2H v061），以2018–2021年7–10月（JASO）生长季均值为基线计算2022年异常值（抵抗力）与2023年相对2022年的恢复值（恢复力）。CDHW事件定义采用标准化降水指数（SPI）、标准化温度指数（STI）及基于Gaussian Copula联结函数的标准化复合事件指数（Standardized Composite Event Index, SCEI），按SCEI阈值划分为异常（CE0）至异常极端（CE4）五级。林分结构（冠层高、林龄、地上生物量AGB、冠层结构复杂度CSC、物种丰富度）、地形（SRTM DEM衍生坡度坡向）及土壤属性（SoilGrids的有机碳、黏粒、砂粒、容重）作为解释变量。统计采用网格内配对t检验/Wilcoxon符号秩检验比较NFs-PFs差异，XGBoost回归结合SHAP（Shapley Additive exPlanations）值量化各类因子对Δ恢复力（PFs恢复－NFs恢复）的贡献，并进行不同CDHW等级下的方差分析与事后检验。

三、研究结果

3.1 植被与气候异常（Vegetation and Climate Anomalies）

2022年JASO期YRBs气温与饱和水汽压亏缺（Vapor Pressure Deficit, VPD）显著升高，降水与0–100 cm土壤含水量（Soil Water Content, SWC）显著降低，SCEI达1950年以来最低值之一，确认为强CDHW事件。kNDVI与GPP负异常网格中分别有75.51%和73.57%显示NFs异常值高于PFs（NFs?PFs＞0），即NFs降幅显著小于PFs（p＜0.001）；GOSIF差异不显著。表明NFs对CDHW具更强抵抗力，PFs在冠层绿度与生产力上受抑更甚。

3.2 灾后植被活动恢复的时空动态（Spatiotemporal Dynamics of Post-Event Recovery in Vegetation Activity）

2023年kNDVI与GOSIF多数像元恢复至接近基线，GPP恢复较弱。kNDVI与GPP恢复差值（NFs?PFs）分别有76.21%和72.33%网格为负值，即PFs恢复显著快于NFs（p＜0.001）；GOSIF恢复差异未达显著。随CDHW等级加重，PFs对kNDVI与GPP的恢复优势在CE1–CE4持续显著，GOSIF恢复优势仅见于CE3–CE4。证实存在明显的抵抗力–恢复力权衡：NFs抵抗力强但恢复慢，PFs易受挫但灾后反弹快，且该恢复优势在极端CDHW条件下更凸显。

3.3 植被活动指标恢复差异的驱动因子（Drivers of Recovery Differences Across Vegetation Activity Indicators）

NFs平均冠层更高（20.1±2.8 m vs 19.2±2.1 m）、AGB更大（64.2 vs 57.5 Mg ha^?1）、物种丰富度略高，PFs林龄略小（38.7 vs 41.9年）。XGBoost-SHAP显示所有指标中冠层高度差（ΔCanopy height＝NF高－PF高）对Δ恢复力（Recovery_PFs?Recovery_NFs）解释力最强，呈单调负相关——ΔCanopy height越大（NFs越高），PFs相对恢复优势越明显。其余因子因指标而异：kNDVI模型中砂粒含量、Δ物种丰富度、土壤容重较重要；GPP模型中降水量、VPD异常值贡献大；GOSIF模型中ΔAGB与VPD贡献较突出。说明林分结构差异尤是冠层高度是恢复分歧主导因子，土壤与气候起次要但指标特异性作用。

四、讨论与结论翻译

讨论指出PFs在CDHW期更大降幅源于结构简单、物种单一及较高土壤容重加剧水分竞争；灾后快速恢复归因于幼龄速生树种将更多同化物分配至生长而非维持，土壤水分恢复后可迅速重开气孔并展叶。NFs高大复杂冠层缓冲了极端胁迫但一旦受损因较大生物量与较慢生理周转恢复迟缓，且依赖深层土壤水补充。恢复差异在极端CDHW下放大反映扰动强度与树种水分利用策略（PFs低水分利用效率WUE高蒸腾 vs NFs保守高WUE）共同调控恢复轨迹。不同遥感指标恢复异步性提示恢复具阶段性——先光合生理调整再冠层结构最终生态系统碳吸收。管理上建议营造多树种混交林兼顾NFs抵抗力与PFs恢复潜力，保护NFs缓冲区并辅以PFs密度调控或辅助灌溉以减轻CDHW初期敏感。

结论（Conclusions）翻译：

本研究考察了2022年长江流域CDHW事件期间天然林（NFs）与人工林（PFs）的响应与恢复动态。结果表明虽PFs对CDHW更易感——kNDVI、GOSIF与GPP降幅更大——但其恢复也较NFs更迅速，揭示出基本的抵抗力–恢复力权衡。NFs凭较高冠层、较大生物量及较高物种多样性缓冲即时影响并表现更强抵抗力；PFs以结构简单及速生树种为特征，初始受损较重但有利条件返回后能快速反弹。两林型差异在极端及异常CDHW条件下最显著，此时PFs获清晰恢复优势——尤体现于冠层绿度与生产力。XGBoost结合SHAP分析表明冠层高度差是恢复分歧主导因子，土壤属性、组成及气候变量居次且因指标而异。综上，NFs与PFs对复合气候极端事件具互补响应路径，该发现深化了对CDHW下森林韧性的认识，为日益暴露于此类扰动区域未来植被–水文相互作用及碳动态评估提供基础。