《Agricultural and Forest Meteorology》：The impact of land cover change-climate interactions on ecosystem productivity in the Arctic-Boreal region
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北极- boreal地区土地覆盖变化（LCC）通过反照率和净辐射的耦合反馈显著影响区域气候，导致夏季降温超1°C，并进一步抑制光合作用。研究基于CESM2模型和1984-2014年遥感数据，揭示了LCC与气候的相互作用机制及其对生态系统生产力的反馈效应，填补了该区域LCLUC与生态系统动态关联的认知空白。
作者：李帅 | 杨迪 | 何亚倩 | 尼古拉斯·帕拉祖 | 刘伟
美国佛罗里达大学地理系，盖恩斯维尔，FL 32611
摘要
大多数研究主要关注土地覆盖和土地利用变化（LCLUC）对气候的影响，而没有充分测量其对陆地生态系统的后续反馈。本研究结合了1984年至2014年期间的遥感土地覆盖图和社区地球系统模型第2版（CESM2）的模拟结果，以探讨北极-北方脆弱性实验（ABoVE）核心区域内土地覆盖变化（LCC）、生态系统生产力和气候之间的耦合反馈。研究结果表明，LCC，尤其是森林的净损失，极大地改变了当地气候。反照率和净辐射的统计显著变化产生了净冷却效应，在某些地区5月和7月的冷却幅度超过了1°C。这导致光合作用进一步下降，其程度超过了LCC本身造成的影响。这些发现强调了陆气相互作用在确定气候变化下陆地生态系统轨迹方面的重要性，填补了人们对北极-北方地区LCLUC和气候变率响应理解方面的一个重要空白。
引言
由于人类活动（如城市化和农业扩张）与自然因素（如气候变化和野火）的相互作用，全球范围内观察到了显著的土地覆盖和土地利用变化（LCLUC）（Homer等人，2020；Liu等人，2020；Song等人，2018；Yang和Huang，2021；Zhai等人，2021）。土地覆盖指的是地球表面的生物物理特征，如森林和水体，而土地利用则描述了人类对土地的利用方式，例如城市和农田（Friedl等人，2010；Nedd等人，2021）。研究表明，LCLUC可以通过生物物理过程（即改变反照率和表面粗糙度等物理参数）和生物地球化学过程（即通过改变温室气体浓度影响碳循环）来影响气候（Brovkin等人，2004；De Noblet-Ducoudré等人，2012）。所有这些过程都对陆气界面的能量、水和热量交换产生广泛影响，从而导致不同空间和时间尺度上的区域性和全球性气候变化（Ito和Hajima，2020；Mahmood等人，2013）。反过来，LCLUC引起的气候变率变化，包括平均气候和极端气候的变化，可以在地球表面表现出来，并破坏陆地生态系统的稳定性（Wu等人，2017）。关于LCLUC的气候效应及其对地球生态系统后续反馈的定量评估已成为气候变化缓解和适应以及促进陆地生态系统可持续性方面的最重要的科学问题之一（Davidson等人，2012；Hou等人，2022；Zeng等人，2017；Zhang等人，2014）。
基于陆气耦合模型的数值模拟被广泛用于揭示LCLUC的气候效应，因为这些模型能够通过改变输入的土地覆盖和土地利用（LCLU）数据来隔离LCLUC的影响，同时保持其他参数不变（Li等人，2018）。建模研究通常通过比较仅在LCLU输入上不同的敏感性实验中的气候变量（如温度和降水量）来估计LCLUC的气候效应（Zhang等人，2008）。因此，准确且特征明确的LCLU数据集对于设计可靠的数值实验和解释其结果至关重要（Kumar等人，2014）。许多建模研究使用了默认或低分辨率的LCLU数据或理想化的假设LCLUC情景（例如，将整个底层表面的LCLU类型从一种替换为另一种），以增强对LCLUC-气候相互作用的理解（Fu，2003；Tang等人，2023；Zhao等人，2021）。然而，这样的实验往往依赖于简化的或理想化的LCLUC表示，这可能限制了它们捕捉实际LCLUC动态的能力，从而导致对气候效应的高估或低估。更重要的是，大多数研究仅关注LCLUC的气候后果，而没有充分测量其对地球生态系统的后续反馈，而这对于制定扎实的土地管理策略来说是一个更为科学的参考（Cao等人，2015；He等人，2020；Zhao和Wu，2018）。
作为世界上最容易受到环境变化的地区之一，北极-北方地区在过去几十年经历了显著且空间异质性的土地覆盖变化（LCC）。多种干扰机制，特别是野火和火灾后的演替（Dawe等人，2022）、永久冻土融化（Carpino等人，2021）以及快速的气候变暖（Mekonnen等人，2021），加上人类活动（如基础设施建设和资源开采（Povoroznyuk等人，2023；Wells等人，2020），共同改变了区域植被组成和生态系统结构，增加了干扰频率，并促进了早期演替的、适应干扰的灌木和草本植物的生长，约有21%的区域发生了变化（Wang等人，2020）。值得注意的是，阿拉斯加和加拿大西北部的常绿森林正在减少，而北极和亚北极地区的落叶灌木及草本植物正在扩张（Macander等人，2022）。这种广泛的森林损失和向北扩展的灌木是北极-北方地区LCC的主要模式（Li等人，2025），并且已知它们对地表能量平衡和生态系统生产力有很强的生物物理控制作用（Chapin III等人，2005；Wang等人，2020）。然而，尽管北极-北方地区的土地覆盖发生了广泛的变化，但很少有研究探讨LCC如何改变陆气相互作用，以及这些变化如何影响区域生态系统。虽然之前的研究在假设或理想化的LCLUC情景下模拟了潜在的气候响应（例如，将北方森林整个网格单元转变为苔原（De Hertog等人，2022；Liess等人，2011；Schultz等人，2016；Snyder和Liess，2013），但更现实的LCLUC对区域气候的影响，特别是LCC-气候相互作用对生态系统的影响仍不够清楚。这一知识空白的一个主要原因是气候模型中对区域LCLUC的记录和呈现不足。鉴于持续变暖以及野火和干旱压力的增加，定量评估LCLUC的气候效应及其对生态系统生产力的后续影响对于理解北极和北方生态系统的脆弱性和恢复力至关重要。
鉴于LCC的规模和数据覆盖的可用性，本研究基于1984年和2014年的地图构建了两种土地覆盖情景，并在两种模型配置下进行了测试。具体来说，每年的土地覆盖图被用作地表条件，并输入到社区地球系统模型第2版（CESM2）中，该模型具有两组组件（compsets），即预定义的CESM2配置，指定了哪些模型组件是活跃的以及系统的驱动方式。本研究的目的不是再现北极-北方地区历史上观察到的气候变化，而是利用卫星衍生的年度土地覆盖图来量化北极-北方脆弱性实验（ABoVE）区域内LCC的气候和生态系统响应。进行了四项模型实验，以全面研究LCC对区域气候的影响、由此产生的气候变率对生态系统生产力的影响，以及LCC-大气相互作用是否在北美西部的ABoVE核心区域内放大或减弱了这些影响。下面提供了数据处理、转换和模型配置的详细信息。通过比较模型实验之间的温度和光合作用的变化来研究上述目标。同时，为了帮助理解LCLUC气候效应背后的潜在物理机制，我们计算了其他气候变量的差异，包括反照率、净辐射、感热通量和潜热通量以及表面粗糙度。本研究可以有效识别区域尺度LCC的气候影响及其对陆地生态系统生产力的反馈，从而缩小现有的知识空白。
研究区域
ABoVE是NASA陆地生态计划的一项实地考察活动，旨在更好地了解北极和北方生态系统对北美西部环境变化的脆弱性和恢复力。ABoVE核心区域覆盖了阿拉斯加的大部分和加拿大西部。该区域面积约为4.7 × 106平方公里，边界坐标大约为74°34′N, 168°08′W（西北角）和52°08′N, 100°51′W（东南角）。ABoVE核心区域的北部具有极地气候，平均...
土地覆盖变化对温度变化的影响
我们将CAL84实验的模拟结果与春季、夏季、5月和7月的观测数据集进行了比较，以评估CESM2在ABoVE核心区域的性能（补充图S3和S4）。除了研究区域西部的较冷区域外，季节和月份之间的温度空间分布模式被准确捕捉到了。模拟的光合作用和观测到的GPP表现出相似的空间模式，较高值集中在...
讨论
土地覆盖变化对温度的影响主要有两种物理机制：辐射强迫和非辐射强迫（Bonan，2008）。辐射强迫与反照率的变化及由此导致的净辐射变化有关，而非辐射强迫则由蒸散/潜热通量和表面粗糙度的变化引起（Burakowski等人，2018）。许多研究发现，反照率和净辐射的变化是气候变化的主要贡献因素...
结论
揭示土地覆盖变化（LCC）对气候的影响及其对生态系统的后续气候反馈对于提高对LCC如何影响气候以及进而影响北极-北方地区生态系统生产力的过程层面理解至关重要。通过研究将LCC与物理参数变化联系起来的生物物理过程，本研究提供了LCC如何影响区域气候条件和生态系统响应的机制洞察。
数据可用性
CRediT作者贡献声明
李帅：写作——审稿与编辑，撰写初稿，可视化，验证，软件，方法论，数据管理，概念化。杨迪：写作——审稿与编辑，撰写初稿，监督，资源管理，项目管理，概念化。何亚倩：写作——审稿与编辑，撰写初稿，可视化，验证，监督，项目管理，方法论，概念化。尼古拉斯·帕拉祖：写作——审稿与编辑，验证。
