文献解读| Nature Climate Change: 森林覆盖损益对地表温度的非对称性影响

导言

2023年，Nature Climate Change期刊发表了一篇题为“Asymmetric influence of forest cover gain and loss on land surface temperature”的研究论文。利用30m空间分辨率的全球森林覆盖数据和0.05°空间分辨率的MODIS土地利用分类数据和地表温度数据，本篇文章探究了精细尺度森林覆盖变化对温度的直接生物物理影响。

研究指出，在许多森林中，树木覆盖增加导致的蒸散发作用增强所引起的生物物理降温幅度要大于树木覆盖减少所引起的升温幅度，即精细尺度的森林覆盖变化对地表温度（LST）具有不对称的影响。因此，要实现森林覆盖率变化不产生生物物理变暖效应的目标，可以通过恢复以前损失的部分森林覆盖面积来实现。这一比例在不同的森林生物群落中有所不同，从热带森林的75%到温带森林的83%不等。

1.研究背景：

森林对全球气候具有重要的调节作用，它能够通过减少二氧化碳的辐射强迫，产生全球生物地球化学冷却效应。此外，森林通过辐射过程（反照率）和非辐射过程（潜热和显热通量）影响陆地-大气的能量和水分交换，对全球地表温度产生直接的生物物理效应，还通过大气耦合对气候产生间接的生物物理反馈，例如大气环流、云的形成和降水。在全球范围内，对森林的生物地球化学和生物物理温度效应的研究主要集中在植树造林和森林砍伐等土地覆盖变化方面。然而，森林中精细尺度的树木覆盖变化（增加和减少）仍会对全球碳平衡产生影响，而其引起的直接生物物理温度效应的量化仍然面临挑战。本研究基于高精度（30m）全球森林覆盖数据，结合MODIS土地利用分类数据和地表温度数据，量化了精细尺度森林树木增加和减少对温度的直接生物物理效应。

2.研究方法：

本文参考0.05°空间分辨率的MODIS土地覆盖数据（MCD12C1）获取全球森林像元，随后叠加30m的全球森林覆盖数据（GFW，Global Forest Watch）以计算精细尺度的森林树木覆盖变化。同时，基于0.05°空间分辨率的MODIS地表温度数据（MOD11C3）计算得到研究时期内受树木覆盖变化影响所致的地表温度异常（ΔLST_fc）。通过统计分析探究精细尺度森林覆盖损益对LST的非对称影响，过程中计算ΔLST_fc对树木覆盖损益的敏感性以显示森林树木覆盖变化引起的生物物理温度效应在全球的空间分异。

树木覆盖变化分数的计算方法

树木覆盖变化引起的地表温度异常的评估方法

ΔLST_fc对树木覆盖损益的敏感性的计算方法

3.结果分析：

1） 净树木覆盖损失可能产生降温效应

一些经历了净树木覆盖率损失的受干扰森林仍然与生物物理降温效应有关。这种情况尤其发生在热带和温带森林网格单元中，这些网格单元的树木总覆盖面积经历过较大比例的增加。

图1 全球树木覆盖变化及其对日平均 LST 的直接生物物理效应

2） 树木覆盖损益过程中的非对称ΔLST_fc

图2 树木覆盖损益对LST的非对称生物物理效应

图3 LST中性时树木覆盖增益（f_gain）与损失（f_loss）之比

3） LST 非对称效应的机理

在热带和温带森林中，与树木覆盖增加相关的蒸散发（ET）增加比与树木覆盖减少相关的蒸散发减少更强，这是受干扰森林中f_gain对ΔLST_fc负不对称的主要原因。与树木覆盖增加相关的幼树通常较矮，叶片水势较高，因此其ET也较之前的树木覆盖大。运用空代时分析方法，发现随着热带地区人工林树龄超过28年，温带地区人工林树龄超过32年，人工林对LST的直接生物物理降温作用减弱。

在北方森林中，下行短波辐射（SW）的变化是树木覆盖增减引起地表能量平衡非对称变化的主要原因，而树龄引起的蒸散发变化所起的作用较小。

图4 树木覆盖损益对地表能量平衡的非对称影响

图5 树龄对树木覆盖损益的非对称温度效应的影响

4） 树木覆盖变化数据的不确定性

与经校准或验证的个别国家或地区树木覆盖数据进行比较，本文所用GFW森林覆盖数据在部分区域（如中国、热带湿润森林、北欧部分国家、加拿大等）存在一定程度的不确定性，可能影响对这些区域LST非对称性响应的量化评估。

4.讨论：

对森林的直接生物物理效应进行量化的最大挑战在于有效消除气候变化的影响。本文以未受干扰且树木覆盖无增减的森林的LST异常作为气候变化所导致的LST异常的参考。

空间尺度上的不匹配可能是卫星观测和地面观测得到的LST数据存在不一致的重要原因。卫星观测得到的是像元范围内树木覆盖总面积增减对LST的混合生物物理LST效应，而在以往研究中被简化为森林覆盖的净变化。

虽然许多卫星树木覆盖数据都经过了区域验证，但利用实地清查树木覆盖数据进行全面验证仍具有挑战性。基于卫星观测和基于实地清查得到的树木覆盖数据之间的一个重要差异可能是由森林管理活动造成的，这些活动会导致树木覆盖的变化，但不会导致土地覆盖发生变化。

5.总结：

本研究以精细分辨率对树木覆盖增减总量的直接生物物理效应进行了全球估算，并证明了树木覆盖损益对LST的非对称效应。此外，本文还量化了树木覆盖增减的平均比例，以实现净直接生物物理降温，这可用于气候智能型森林管理。研究结果可能会对生物多样性、功能特征和生态系统功能产生深远影响，因为它们在很大程度上受当地温度的影响。

6.引用格式：

Su, Y., Zhang, C., Ciais, P., Zeng, Z., Cescatti, A., Shang, J., . . . Chen, X. (2023). Asymmetric influence of forest cover gain and loss on land surface temperature. Nature Climate Change, 13(8), 823-831. doi:https://doi.org/10.1038/s41558-023-01757-7

供稿：黄   诚

审核：闫   凯

联系：kaiyan@bnu.edu.cn

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