AIRTREE v2.0：预测气候变化情景下意大利城市公园提供的生态系统服务

《Journal of Environmental Management》：AIRTREE v2.0: predicting ecosystem services provided by Italian urban parks under climate change scenarios

　　

在气候变化和空气污染日益加剧的时代，准确量化森林生态系统服务——尤其是在城市和城郊环境中——至关重要。这些区域的树种选择需要识别既具有气候适应性又能有效进行碳固存和污染物去除的树木。研究人员提出了升级版AIRTREE v1.0多层冠层模型，用于评估意大利43个地点（根据国家再造林计划建立）的城市公园所提供的生态系统服务。模拟是在2054年预测的两种气候情景（代表性浓度路径，RCP4.5和RCP8.5）下进行的。分析侧重于净初级生产力（NPP）、臭氧（O₃）、二氧化氮（NO₂）、一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO₂）、颗粒物PM₁₀和PM_2.5，以及生物源挥发性有机化合物（BVOCs），包括异戊二烯和单萜烯。模型可靠性通过五个具有实测碳通量的意大利综合碳观测系统（ICOS）站点进行了测试。模型校准显示出快速收敛和稳健性能，对总初级生产力（Kling-Gupta Efficiency，KGE高达0.90）具有高精度。敏感性分析强调，在高山和大陆生物地理区域，光合能力（例如，V_cmax）驱动NPP是主要控制因素，而在地中海站点，气孔调节和水分胁迫参数更具影响力。在两种气候情景下，南地中海区域始终显示出最高的NPP。在RCP8.5情景下，NPP显著增加（+9%），同时蒸散量（+8%）和BVOC排放增加，而O₃和NO₂减少，PM₁₀略有增加。物种特异性响应证实了强烈的功能异质性，其中Sorbus torminalis（裂叶花楸）的O₃吸收量最大，Pinus halepensis（阿勒颇松）在PM去除方面表现出色，而Quercus pubescens（柔毛栎）显示出高碳固存能力。作为一个开放获取工具，AIRTREE v2.0为评估当前和未来气候情景下的生态系统服务提供了有力支持。

**论文解读：AIRTREE v2.0模型在意大利城市公园生态系统服务评估中的应用**

**1. 研究背景与问题**

在全球气候变化和空气污染日益严峻的背景下，准确量化城市及城郊森林的生态系统服务（Ecosystem Services, ESs）变得至关重要。城市公园作为重要的绿色基础设施，能够提供碳固存、空气污染物去除等多种ESs，对提升城市韧性和居民生活质量具有关键作用。然而，当前对城市ESs的研究面临三大障碍：规模缺口、学科壁垒和知识碎片化。此外，城市公园内部存在强烈的异质性，不同植被斑块提供的ESs类型和数量差异显著，这给大规模、高空间分辨率的评估带来了挑战。尽管已有如i-TREE等模型可用于估算ESs，但在地中海地区，特别是针对本土植被物种的参数化需求，促使研究人员开发并升级了AIRTREE模型。因此，这项研究旨在通过升级模型、校准验证并应用于意大利全国范围内的新造林城市公园，以量化其在不同气候变化情景下提供ESs的能力，为城市规划和决策提供科学依据。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员采用AIRTREE v2.0多层冠层模型，该模型耦合了土壤、植物和大气过程。关键技术方法包括：1）模型校准与验证：利用意大利综合碳观测系统（ICOS）网络中五个代表性森林站点（Bosco Fontana, Castelporziano, Renon, San Rossore, Torgnon）的2022年和2023年实测数据，通过Optuna框架和树形结构Parzen估计器（TPE）采样器进行超参数优化，以最大化Kling-Gupta效率（KGE）为目标，对关键生理参数（如最大羧化速率v_copt、气孔导度参数m、土壤水分响应参数qteta）进行校准。2）敏感性分析：采用功能方差分析（f-ANOVA）评估各超参数对模型性能的相对影响。3）情景模拟：输入从Euro-Mediterranean Center on Climate Change（CMCC）获取的2054年RCP4.5和RCP8.5两种气候情景的高分辨率（2.2 km）气象数据，以及从哥白尼大气监测服务（CAMS）获取的2024年污染物浓度数据，对覆盖意大利43个地点的城市公园进行ESs模拟。样本来源为意大利三个国家造林项目（Alberitalia, Forestami, OSSIGENO）的新建城市公园。

**3. 研究结果**

**3.1. 使用实测数据测试AIRTREE v2.0**
模型校准在所有站点均表现出快速收敛和稳健性能。对于总初级生产力（GPP），Bosco Fontana站点的KGE值最高（验证期0.90），而San Rossore站点最低（验证期0.64）。在能量通量方面，Castelporziano站点对潜热通量（LE）的模拟精度高（KGE 0.83），而San Rossore站点对显热通量（SH）的模拟效果不佳（KGE 0.13）。整体上，模型在高山和大陆站点对碳通量和显热通量的模拟能力较强，而在地中海站点则对水通量模拟更准确，这反映了不同生态系统限制因子的差异。功能方差分析（f-ANOVA）揭示，在高山和大陆站点，最大羧化速率（v_copt）解释了约60-70%的模型方差，表明光合能力是主要限制因素；而在地中海站点，气孔调节参数（m）和土壤水分响应参数（qteta）的重要性显著增加，表明水分胁迫成为关键限制因子。

**3.2. 站点在生态系统服务（ES）提供方面的表现**
在两种气候情景下，地中海区域站点（如Nardò, Melendugno, Pula）始终表现出最高的净初级生产力（NPP）。大陆区域站点（如Capena, Villa Cortese, Inveruno）则在多项指标（如NPP、O₃去除）上表现最差。高山区域站点表现居中，内部变异性较大。从RCP4.5到RCP8.5情景，所有站点呈现一致趋势：NPP显著增加（+9%），蒸散量增加（+8%），异戊二烯（+37%）和单萜烯（+30%）排放增加，而O₃（-4%）、NO₂（-2%）、SO₂（-6%）和CO（-1%）的去除量下降，PM₁₀略有增加。配对t检验证实了NPP（p<0.001）和O₃（p<0.001）在两种情景间的显著差异。在物种层面，Pinus halepensis在PM去除方面表现最佳，Sorbus torminalis在O₃吸收方面最高，而Quercus pubescens则显示出高碳固存能力。

**4. 讨论与结论**

**讨论部分总结：** 模型校准结果显示，AIRTREE v2.0在模拟不同生态系统的碳和水通量方面表现出稳健性，但在如San Rossore等具有复杂冠层结构（如松针）的站点，对显热通量的模拟存在结构性限制，可能与空气动力学阻力公式不适用有关。模型对高寒和大陆生态系统与地中海生态系统的不同参数敏感性，证实了其能根据生物群落的限制因子自适应调整逻辑。在生物地理区域层面，地中海区域因其较高的温度和较低的降水，在NPP和污染物去除方面表现最优，而大陆区域则表现最差。气候变化情景（RCP8.5）主要影响ESs的绝对值大小，而非改变各区域的相对表现。研究表明，城市公园的ESs提供能力具有强烈的物种特异性和地点特异性，这些发现可为规划者和决策者提供支持。

**结论部分翻译：** 意大利的城市公园在维持生态功能、改善环境质量和提升人类福祉方面发挥着关键作用。在意大利，城市公园高度异质，反映了国家多样化的历史和文化遗产：从佛罗伦萨和罗马的纪念性文艺复兴花园，到围绕罗马、博洛尼亚和米兰等城市的大面积城郊农业带。最近的评估显示，与许多欧洲城市公园相比，意大利城市的人均绿地面积仍然较低，特别是在人口稠密的大都市区。因此，研究人员的成果对于支持规划新的森林化城市公园以改善基本生态系统服务的提供可能至关重要。