中国造林通过降低森林破碎化带来的额外气候效益

《Advanced Science》：Extra Climate Benefits From Afforestation Due to Reduced Forest Fragmentation in China

　　

造林将孤立的森林连接成更大面积的连续森林，从而降低森林破碎化程度。这一过程通过将边缘森林转化为新的内部森林（称为转化林）来减少边缘区域面积。然而，转化林中因边缘减少而产生的额外气候效益，超出人工林本身所提供的效益，尚不清楚。本研究利用多源高分辨率遥感数据集，对中国转化林的生物量增加的CO₂固定效应（生物地球化学效应）和反照率降低导致的辐射强迫效应（生物物理效应）进行了估算。2015年，人工林面积（89.6 M ha）占中国森林总面积的35.5%，将51.8 M ha的边缘森林转化为内部森林。研究发现，1980年至2015年间，转化林的累积CO₂当量（CO₂e）增加了1.4±0.2 Pg，而人工林的生物量增加了10.3±0.4 Pg CO₂e。这些转化林还产生了?0.9 Pg CO₂e的生物物理增温效应，部分抵消了生物量增加带来的降温效应。综合两种效应，转化林提供了0.5±0.2 Pg CO₂e的净CO₂e增益，相当于人工林直接气候效益的额外6.6±2.7%。本研究揭示了伴随森林扩张而降低森林破碎化所带来的、此前被忽视的额外气候效益，为通过造林缓解气候变暖提供了新视角。

森林通过生物地球化学过程（如碳固存）和生物物理过程（如地表能量平衡）影响全球气候，其净效应取决于这些过程之间的相互作用。除森林面积外，森林的空间配置，特别是破碎化程度，也在塑造这些气候影响方面发挥关键作用。毁林导致的森林破碎化将内部森林转变为边缘森林，引起生物量碳损失和局地地表降温。边缘森林的地上生物量低于内部森林，且边缘森林的温度始终高于内部森林，这是因为森林边缘通常经历更强的风、更严重的干旱、更高的火灾风险和更大的生物干扰。因此，除森林覆盖损失外，边缘相关的生物地球化学和局地生物物理变化正受到越来越多的关注。

与毁林相反，造林可以通过连接孤立的森林斑块形成更大面积的连续森林，将边缘森林转化为内部森林，从而缓解森林破碎化。2000年至2020年间，中国大规模造林使森林破碎化程度显著下降。边缘到内部的转化可以缓解边缘效应，促进原有边缘区域的恢复。虽然这些转化可以减少森林边缘的局地增温，但其主要贡献是通过增加生物量积累和改变地表反照率来实现全球气候减缓，以CO₂当量（CO₂e）减少量表示。这些生物地球化学和生物物理效益超出了单纯依靠新造林地面积扩大所带来的效益，即"额外气候效益"。然而，由降低森林破碎化所产生的这些额外气候效益的规模和空间分布仍缺乏量化。

该研究发表于《Advanced Science》，研究人员利用空间换时间方法量化了转化林在生物地球化学和生物物理效应方面的额外气候效益。具体而言，研究人员首先计算了森林破碎化的变化，并利用高分辨率森林管理图识别了受新造林影响的转化林；随后基于多源卫星反演地上生物量数据集估算这些转化林与其配对现有边缘森林相比的生物量增加，并将其转换为CO₂e变化；接着利用MCD43A3 C6.1地表反照率数据量化相关的反照率降低，并将其转化为CO₂e单位。为进行比较，研究人员还评估了新造林的直接生物地球化学和生物物理效应，定义为"直接气候效益"。

研究所用的主要关键技术方法包括：基于Lesiv等人编制的2015年全球森林管理数据集（100 m分辨率）进行森林范围识别与精度验证；利用边缘密度、斑块密度和平均斑块面积等多指标量化造林前后的森林破碎化变化；采用基于景观的森林类型分类方法，将森林划分为人工林、转化林、现有边缘森林和内部森林四类；基于Santoro等人、ESA CCI和Chen等人提供的三套上以生物量数据集，采用空间换时间方法估算生物地球化学气候效益；利用MCD43A3 C6.1地表反照率数据和辐射核方法，将反照率变化转换为CO₂e单位以估算生物物理气候效益；同时结合Landsat和MODIS地表温度数据分析局地气候效应。

**2.1 造林导致的森林破碎化变化**

根据森林管理数据集，2015年中国天然林面积为162.4百万公顷（M ha），人工林面积达89.6 M ha，占森林总面积的35.5%。造林前（~1980年前）森林斑块数量为420万个，造林后（2015年）减少至240万个。森林破碎化程度大幅降低，表现为边缘密度降低2.4 m ha^?1、斑块密度降低0.2个/100 ha、平均斑块面积增加9.2 ha。森林破碎化的降低主要集中在华南和东北地区。森林斑块面积的增加意味着造林将部分边缘森林转化为内部森林。这些转化林面积达到51.8 M ha，占造林面积的57.9%和中国森林总面积的20.6%。大多数转化林位于湿润地区（31.2 M ha），半湿润地区有15.4 M ha，半干旱地区有5.2 M ha。转化林主要分布在东北（如黑龙江省）和西南（如云南省）地区。

**2.2 转化林的额外生物地球化学效应**

与附近开阔地相比，人工林中地上碳密度（AGC）的增加量为31.7±6.0 Mg C ha^?1。造林还通过将原先的边缘森林转化为内部森林，间接使转化林的AGC密度增加6.6±3.3 Mg C ha^?1（即转化林与其配对边缘森林之间的AGC密度差异，限制年龄差≤5年）。研究人员进一步将地上和地下生物量的碳增益转换为CO₂e以与生物物理效应进行比较。人工林的CO₂e增加在西南地区较大，尤其在滇西，而在华北平原地区如河北省较低。转化林的CO₂e增加主要分布在西南地区（特别是广西省）和东北地区（内蒙古和黑龙江）。综合所有区域，人工林和转化林的累积CO₂e总量为11.7±0.5 Pg CO₂e。其中，人工林的累积CO₂e为10.3±0.4 Pg CO₂e，转化林为1.4±0.2 Pg CO<sub>2e，相当于人工林效应的13.6±2.0%。

**2.3 转化林的额外生物物理效应**

除生物量增加带来的生物地球化学降温效应外，人工林和转化林还可能改变地表反照率，从而引发生物物理增温或降温。与附近开阔地相比，人工林的反照率变化为?0.02±0.02。造林还通过将边缘森林转化为内部森林，间接使转化林的反照率改变?0.01±0.02。反照率降低增强了地表对太阳辐射的吸收，从而产生增温效应。直接和额外增温效应的空间模式相似，最大增温出现在西藏等半干旱地区，而云南、贵州等湿润地区增温较弱，广东部分地区出现轻微降温。综合所有区域，人工林和转化林的反照率诱导CO2e变化总量为?3.6 Pg CO2e。其中人工林的直接反照率诱导增温效应为?2.7 Pg CO2e，转化林的额外贡献为?0.9 Pg CO2e。

除全球生物物理气候效应外，人工林和转化林还通过反照率、蒸散发和空气动力学阻力等生物物理过程影响局地气候。与附近开阔地相比，人工林白天地表温度（LST）低1.6±0.7°C，转化林比附近现有边缘森林低0.9±0.6°C。夜间差异较小，人工林为?0.06°C，转化林为+0.07°C，导致日平均降温分别为?0.8±0.4°C和?0.4±0.3°C。这些局地降温效应在西北地区较强，东南部地区较弱。

**2.4 净效应与额外气候效应的贡献**

反照率降低产生的生物物理增温效应部分抵消了生物量增加产生的生物地球化学降温效应，在全球尺度产生净气候效应。人工林和转化林的净效应空间模式相似，在东南湿润地区表现为净降温，在西北半干旱地区表现为净增温，后者因生物量积累有限和反照率诱导的增温甚至可能产生负面气候效应。考虑两种效应后，造林的净CO2e变化总量为8.1±0.5 Pg CO2e。其中人工林贡献7.6±0.4 Pg CO2e的直接CO2e变化，转化林提供额外的0.5±0.2 Pg CO2e，相当于人工林直接气候效益的额外6.6±2.7%。

树种、人工林亚型及其年龄调节当前的气候效益。"常绿速生型"被确定为最优树种，尤其在东南部地区实现了高碳固存和最小的反照率诱导增温。在孤立的、边缘的和内部的三类人工林中，内部人工林具有最高的AGC密度和最大的反照率降低，且这些差异随林龄增长更加显著。此外，人工林年龄也影响转化林的形成时间，较早形成的转化林倾向于经历更大的AGC增加和更强的反照率降低。

基于造林机会图，研究人员还估算了未来造林的潜在气候效益。总潜在气候效益估计为1.5 Pg CO2e，包括未来人工林的直接效益1.5 Pg CO2e和未来转化林的轻微额外增温效应（?0.004 Pg CO2e），这可能是因为这些转化林集中在半干旱和半湿润地区，有限的生物量积累和降低的反照率削弱了降温效应。

在讨论部分，研究人员指出近几十年来中国实施了三北防护林工程（1978–2050）、退耕还林工程（1999–2020）和岩溶石漠化防治与修复工程（2008–2020）等大规模森林恢复项目，这些项目极大地扩展了森林面积并降低了森林破碎化。通过将新造林地与现有森林连接，生态恢复工程可以增加森林斑块面积并将边缘森林转化为内部森林。与研究发现一致的是，亚马逊地区原生林也从次生林缓冲边缘效应和降低森林破碎化中获益。

边缘退化现象在热带森林中已得到广泛记录。全球遥感数据表明，边缘森林的平均树冠覆盖或AGC密度通常低于内部森林。但存在例外，如美国东北部由于光照等资源更充足，边缘森林可能比内部森林生长更旺盛。在中国，边缘森林的AGC密度通常低于内部森林，与全球大多数研究一致，边缘效应尺度在全国存在区域差异，半干旱地区的边缘效应更强、延伸距离更远，这很可能与干燥条件下森林边缘附近更显著的微气候胁迫有关。

研究所用数据集和方法存在一些不确定性来源。地上生物量数据集可能高估高生物量地区的生物量，但总体模式在多套数据中保持一致。空间分辨率和数据源差异也可能引入轻微不确定性。AGC密度和反照率变化的估算依赖于空间换时间方法，这些估算反映了1980–2015年期间的实际累积气候效应，代表现有森林年龄分布的综合影响，而非森林成熟时的理论最大潜力。在每个50 km × 50 km网格单元内，研究人员假设转化林与其配对边缘森林的气候条件和森林管理大致可比。尽管可能存在残余差异，但预计相对较小。该研究中人工林的直接气候效应与"开阔地"进行了比较，后者定义为排除森林区域后的非森林参考条件。虽然这提供了一致的基线，但不同的开阔地类型在反照率、碳储存和气候反馈方面存在差异，从而引入一定额外不确定性。转化林与边缘森林的比较反映了与森林配置改善相关的气候效益，而非造林时间动态效应的直接证据，因此需要长期监测和实验研究来捕捉森林连通性和局地微气候的过程性变化。此外，生物地球化学和生物物理过程之间的潜在相互作用未明确表示，全球生物物理估算仅来源于卫星观测的反照率变化，并与生物地球化学途径独立处理。

研究结论强调，该研究超越了森林管理和政策制定中通常考虑的效应，强调因降低森林破碎化而产生的边缘到内部转化的额外气候效益。这些效益占人工林生物量增加带来的生物地球化学降温效应和反照率降低带来的生物物理增温效应直接气候效益的6.6±2.7%，相当于额外5.9 M ha新造林提供的气候效益。到2060年代，中国潜在造林面积估计为78 M ha。但鉴于与社会经济发展和水资源供应的冲突，可实现的造林面积可能更低。该研究为在有限土地上科学规划造林以最大化气候效益提供了新见解。未来造林应优先将小森林斑块连接成更大、更连续的斑块以增强边缘到内部转化，选择能够提供净气候效益的树种并考虑其季节动态，从而在优化碳固存的同时最小化反照率降低带来的生物物理增温。在青海、西藏等干旱和半干旱地区需要特别关注，否则造林可能导致不利气候效应或加剧局地水资源压力。除总造林面积外，可以引入边缘到内部转化比例等绩效指标来更好评估造林项目的实际气候和生态效益。单位面积净CO2e效益和转化林比例等指标可嵌入大规模恢复项目的设计和评估中，从而将造林和景观规划与国家碳中和目标和区域气候适应目标更明确地联系起来。</sub>