不同ENSO事件下区域森林地上生物量碳动态对气候因子的分化非对称响应

《Journal of Environmental Management》：Divergent asymmetric responses of regional forest aboveground biomass carbon dynamics to climatic factors under different ENSO events

　　

•2002–2021年间，浙江省森林AGBC呈显著上升趋势（12.07%）。•在ENSO不同事件下，AGBC对气候因子的响应呈现出分异的不一致模式。•双因子气候交互作用在解释AGBC空间格局方面始终优于单一因子。引言森林生态系统是陆地碳库中最大的碳库之一，在全球碳循环调控和减缓气候变化方面发挥着关键作用（Pan等，2024年）。森林地上生物量碳（AGBC）是森林碳储量和碳汇能力的关键指标，是陆地碳储量的重要组成部分，已被广泛用于量化森林生态系统的碳汇潜力和时空动态（Li等，2022年）。森林生态系统代表了主要的自然气候解决方案，其碳汇能力日益被视为国家和区域碳中和战略的关键组成部分。准确评估和预测森林碳动态对于指导碳交易机制和制定气候适应性森林管理政策至关重要（Jin和Xu，2025a），（Xu和Zhang，2023年），（Jin和Xu，2025b）。近几十年来，气候变化加剧、极端气候事件频发以及陆地生态系统和大气之间的双向反馈，使森林AGBC动态成为生态系统动态和全球碳预算研究的焦点（Qian等，2025年）。全球和区域尺度的遥感与实地观测均表明，AGBC对气候变异高度敏感（Zhang和Liu，2023年）。特别是温度、降水和干旱等气候因子通过影响生长条件、水分可获得性和蒸散发过程来影响森林碳积累和呼吸作用（Malla等，2023年）。在长期时间尺度上，森林AGBC的变化趋势为评估区域碳汇动态及其对气候变化的响应提供了重要依据。常用方法包括Theil-Sen中位数趋势估计器和Mann-Kendall（MK）显著性检验（Fensholt和Proud，2012年）。这些方法已被广泛应用于植被指数、碳储量和生态系统生产力动态的研究。现有研究表明，森林碳储量在全球和区域尺度上总体上呈上升趋势，但增加幅度和空间分布差异显著。例如，全球森林清查数据显示，现有森林在1990–2007年间维持了持续的全球碳汇（2.4 ± 0.4 Pg C yr?1），不同生物气候区之间存在显著差异（Pan等，2011年）。同样，中国高分辨率年度森林AGB数据集生成了1985年至2023年连续的30米分辨率森林AGB地图，揭示了自1985年以来中国森林地上碳储量显著增长（Cai等，2025年）。中国区域研究也表明，近几十年来森林碳储量总体呈上升趋势，尽管变化幅度和方向在不同气候带和地形条件之间存在明显差异（Zhang等，2022年）。已有研究表明，AGBC对气候变化的响应在不同生物地理区域和森林类型间呈现出显著的空间异质性。例如，温带和热带森林之间的主要气候驱动因子有所不同（Taylor等，2019年）。全球和区域研究均表明，温度通常促进森林生长，而降水和水分可获得性通过调节蒸散发和土壤湿度条件影响碳积累（Zhang，2025年）。此外，气候对森林碳循环的影响并非独立作用，而是通过复杂的非线性交互作用进行（Gilson等，2025年）。气候条件在驱动森林地上碳动态方面起主导作用，在长三角地区某些流域中的解释能力超过16%（Ni等，2025年）。这些区域特异性的发现凸显了开展区域性森林碳动态气候响应调查的重要性。已有研究还表明，气候-AGBC关系在不同时间和空间尺度上存在显著差异（Perret等，2024年）。因此，有必要区分不同的气候背景，以更好地表征森林-气候关系的时间变异性。ENSO事件为考察森林碳响应的年际变异性提供了一个潜在视角。ENSO是全球年际气候变异的主导模态之一。通过影响太平洋海表温度和大气环流，ENSO事件引起全球气候条件的显著变化（Timmermann等，2018年）。近年来，多年ENSO事件日益显著（Su等，2024年），（Li等，2025年）。包括拉尼娜和厄尔尼诺在内的ENSO事件影响季风变异性及自然气候变异性，暖冷交替阶段在不同时空尺度上产生异质性植被响应（Xu等，2023年），（Zhou等，2025年）。已有研究表明，ENSO事件对全球植被生产力和生态系统碳动态产生强烈影响，导致植被生长轨迹和碳平衡状态的变化（Jin等，2025年）。厄尔尼诺和拉尼娜事件还引发热浪、干旱和洪涝等气候异常，从而影响植被光合速率和生物量积累（Restrepo-Coupe等，2024年）。尽管对ENSO与森林生态系统之间关联的关注不断增加，但系统定量研究ENSO驱动的气候变异性如何影响AGBC动态的文献仍然有限。有必要在时间尺度上区分拉尼娜和厄尔尼诺阶段，以研究森林AGBC对气候因子的响应。地理探测器已被广泛用于量化驱动因子对空间分异的解释能力。该方法在植被动态、土地利用变化及碳循环驱动因素的研究中展现出较强的适用性，特别是在识别不同区域和气候背景下气候因子之间的非线性交互作用方面（Wang和Xu，2017年）。然而，大多数现有研究侧重于长期平均气候条件，而大规模气候变异如ENSO对气候驱动机制的影响尚未得到充分探索。因此，本研究将地理探测器与ENSO相位分类相结合，系统调查气候因子对AGBC空间异质性的驱动作用。在中国亚热带区域不同气候情景下模拟了森林碳储量的时空演变，突出了区域森林碳汇对温度和降水变异的敏感性（Huang等，2025年）。然而，已有研究主要关注长期平均气候条件或未来情景预测，鲜有明确考察年际气候变异或ENSO事件如何调节森林碳动态响应。在区域尺度上，年际AGBC变化的空间连续评估及其对年际气候因子的响应研究仍然有限。本研究调查了2002–2021年间浙江省在不同ENSO事件下AGBC对气候因子的响应。整合了森林AGBC数据集、气象数据和ENSO事件记录，利用偏相关分析和地理探测器研究了AGBC对气候因子的响应及其空间异质性。具体目标如下：（1）利用年度1公里分辨率AGBC数据集，描述2002–2021年浙江省森林AGBC的长期趋势和空间格局；（2）采用像元级统计方法调查不同ENSO事件下AGBC对气候因子的响应；（3）利用地理探测器量化气候因子及其交互作用对AGBC空间异质性的解释能力。与以往主要关注局部尺度森林碳储量或生态系统生产力的研究不同，本研究提供了年际AGBC变化的空间显式评估，并探索了不同ENSO相关气候条件下的气候-碳关系，为理解森林碳动态的气候响应机制提供了新视角。分段摘录研究区域浙江省位于中国东南沿海长三角地区，地理坐标范围为北纬27°02′–31°11′、东经118°01′–123°10′（图1）。该省以山地和丘陵地形为主，占总面积的70%以上。山地主要分布在浙西南，而平原和密集相连的河网则集中在北部和沿海地区。地形总体呈西南向……方法本研究的总体工作流程见图3。我们的工作流程旨在解决三个关键问题：（1）2002–2021年间AGBC的变化情况，（2）ΔAGBC在不同时间尺度上对气候因子的响应情况，以及（3）哪些气候因子主导了ΔAGBC的变化。首先，采用Theil-Sen估计器和Mann-Kendall检验评估2002–2021年间AGBC的趋势。然后采用偏相关分析评估ΔAGBC与……之间的关系2002–2021年AGBC的趋势与时空变化2002–2021年间，浙江省AGBC的最大值、最小值和均值分别为83.49 t C ha?1、0.01 t C ha?1和31.68 t C ha?1（图4a和b）。年际变化表明AGBC呈持续上升趋势，研究期内AGBC均值增加约12.07%。2002–2010年间，AGBC增长相对缓慢。2010年以后，增速明显加快，年均AGBC持续上升。尽管波动……AGBC的时空变化及其气候响应本研究证明，2002–2021年间浙江省森林AGBC呈持续上升趋势，具有明显的空间格局，即西南高、东北低。这一空间格局与区域地形条件和森林分布特征密切相关。浙西南山地区通常具有更高的森林覆盖率和相对稳定的生态环境。气候结论基于2002–2021年间的多源数据集，本研究系统调查了浙江省森林AGBC的时空动态，并识别出不同ENSO事件下AGBC对气候因子的分异不对称响应。通过区分厄尔尼诺和拉尼娜事件，本研究识别了常规全时段分析中被掩盖的气候信号，为理解区域森林碳汇对……的响应提供了新视角CRediT作者贡献声明华森：原创草稿撰写、可视化、方法、调查。薛星宇：审阅与编辑、监督、资金获取、形式分析。董晨：监督、形式分析。娄雄伟：资源、数据整理。吴大成：监督、资源。徐留昌：软件、资源。郑启蒙：审阅与编辑、监督、资源、资金获取。郑心宇：审阅与编辑、监督、资源、项目管理。披露声明作者未报告任何潜在利益冲突。资助本研究得到国家自然科学基金（42001354、32571810）、浙江省自然科学基金（LQ19D010011和LTGS23D010001）、香港中文大学（4937239、4750495和4052360）、研究资助局一般研究基金（CUHK，15204824）和联合书院捐赠基金研究资助的支持。利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所述工作的任何已知竞争性经济利益或个人关系。华森|薛星宇|董晨|娄雄伟|吴大成|徐留昌|郑启蒙|郑心宇