Nature|全球陆地生态系统对气候变率的敏感性

jackiema

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陆气耦合与生态水文遥感小组   2025年09月19日

【摘要】全球气候变化的加剧带来了对生态系统功能的重大挑战。为了识别生态系统对气候变化的敏感性，本文提出了一种新颖的评估方法，量化了全球生态系统对气候变率的反应。通过构建植被敏感性指数（VSI），结合MODIS遥感数据，分析了温度、水源和云量等气候变量对植被生产力的驱动作用。研究结果揭示了极地苔原、部分寒带森林、热带雨林以及高山生态系统等区域对气候变率的响应尤为敏感，这些地区在全球变暖的背景下呈现出显著的生态响应。本文为全球生态系统在气候变化背景下的敏感性评估提供了定量化方法，并对生态系统的韧性和气候变化的影响提供了新的见解。

Sensitivity of global terrestrial ecosystems to climate variability

https://doi.org/10.1038/nature16986

研究背景

       全球气候变化带来了温度上升、降水模式改变及极端天气事件的增加，这些因素对生态系统的结构和功能产生了显著影响。然而，现有的研究多集中于气候的长期变化对生态系统的影响，较少关注气候变率，尤其是短期气候波动对生态系统的影响。气候变化对生态系统的影响不仅体现在长期的平均气候状态上，还与气候的变率和极端事件密切相关。识别不同生态系统对气候变率的敏感性，有助于揭示哪些区域更容易受到气候波动的负面影响，并为生态系统的保护和管理提供重要依据。

       本研究提出了一种新的方法，基于遥感数据和气候变量，定量化地评估全球生态系统对气候变率的响应。通过构建植被敏感性指数（VSI），结合MODIS遥感数据，本文为全球范围内的生态系统敏感性提供了新的量化评估方法

材料与方法

研究数据：1）植被生产力数据：本研究使用了MODIS MOD13C2产品中的增强植被指数（EVI），该数据集提供了2000至2013年间全球月度植被生产力数据，空间分辨率为0.05°。2）气候数据：气温数据来自MODIS MOD07_L2大气剖面产品，水源可用性通过MOD16全球蒸散产品的实际蒸散（AET）与潜在蒸散（PET）之比（AET/PET）得出，云量数据来自MODIS MOD35_L2云掩模产品。

研究方法：1）回归分析：此研究采用了AR1回归模型，分析气候变量（气温、水源可用性、云量）与植被生产力（EVI）之间的关系，揭示气候变化对植被生产力的驱动作用。2）滞后效应分析：通过引入气候变量的滞后效应（即过去气候条件对当前植被的影响），进一步探讨气候变化对生态系统的延迟反应。3）植被敏感性指数（VSI）计算：基于回归分析的结果，本研究计算了植被敏感性指数（VSI），量化不同区域生态系统对气候变率的响应。VSI结合了气候变量的影响和植被生产力的变化，提供了全球尺度的生态系统敏感性评估。

研究结果

1）全球生态系统敏感性的空间分布

        研究发现，极地苔原、部分寒带森林、热带雨林、高山地区以及中国和北美的草原地区表现出对气候变率的显著响应。图1展示了全球植被敏感性指数（VSI）图，揭示了这些高敏感性地区的空间分布。特别是高纬度地区和热带雨林，由于气温和云量的剧烈波动，这些区域的生态系统对气候变化的响应更加敏感。

2）气候变量对植被敏感性的贡献

图2展示了三种主要气候变量（气温、水源可用性和云量）对植被敏感性指数的贡献。研究发现，不同生态系统对气候变量的响应有显著差异。例如，热带雨林主要受到气温和云量变化的影响，而干旱地区的草原则更多受到水源可用性的限制。

3）生态系统的记忆效应与恢复能力

研究还发现，一些地区的生态系统表现出强烈的记忆效应，意味着这些地区的生态系统在面对气候变化时，过去的生态状态对当前的植被生产力有较大影响。图3展示了这些地区的t−1系数图，揭示了气候变化对这些地区的恢复能力和适应性影响。

图1. 植被敏感性指数

植被生产力（定义为EVI）对气候变率（基于温度、水分有效性和云量）的敏感性。 该指标的取值范围从0（低灵敏度，绿色）到100（高灵敏度，红色）。 以贫瘠土地为主（所有月份平均EVI < 0.1）和永久冰的地区显示为灰色。 由全球湖泊和湿地数据库（Global Lakes and Wetlands Database30）确定的湿地区域用蓝色表示。  

图2.RGB复合植被敏感性指数

三个气候变量对植被敏感性指数的全球贡献（温度，红色；水分有效性，蓝色；云量，绿色）。 像素分辨率，5公里； 期,2000 - 2013。 以贫瘠土地为主（所有月份平均EVI < 0.1）和永久冰的地区显示为灰色。

图3.全球映射的t−1系数

植被生产力（定义为EVI）、植被生产力在t−1和三个气候变量之间的逐月多元回归得到的全球t−1 （AR1）系数权重图。 以贫瘠土地为主（所有月份平均EVI < 0.1）和永久冰的地区显示为灰色。 由全球湖泊和湿地数据库（Global Lakes and Wetlands Database30）确定的湿地区域用蓝色表示。

jackiema

（接上篇）

讨论

       本研究通过植被敏感性指数（VSI）评估了全球生态系统对气候变率的响应。结果表明，极地苔原、部分寒带森林、热带雨林和高山地区等生态系统对气候波动最为敏感，而干旱地区如撒哈拉和澳大利亚沙漠表现出较强的生态韧性。这些区域在面对气候变化时，植被生产力的响应程度有所不同。

       研究还发现，气温和水源可用性是高纬度和高山地区植被敏感性的主要驱动因素，而云量则在热带雨林区域具有重要影响。水源可用性对于干旱地区的植被生产力变化起着关键作用，特别是在受到降水变化显著影响的区域。滞后效应在干旱地区尤为明显，表明这些生态系统的生产力受到长期气候条件的影响。

       尽管如此，研究也存在一定的不确定性，如云量数据的缺失和云层遮挡可能导致部分区域的偏差。因此，未来的研究可以结合更多的地面观测数据，并探讨极端气候事件对生态系统的影响，以提高评估的准确性。

结论

本研究为全球生态系统对气候变率的敏感性提供了定量化评估，揭示了不同生态系统对气候变化的响应特征。尤其是在极地、热带雨林和高山生态系统等高敏感性区域，气候变率对植被生产力的影响更加显著。这些高敏感性地区可能面临生态临界点的风险，因此需要优先采取保护措施，以减缓气候变化的负面影响。

编者评

       本研究通过创新性的植被敏感性指数（VSI）方法，为全球生态系统在气候变率下的响应提供了量化分析。这一方法不仅有助于识别出对气候变化最为敏感的生态系统区域，还为全球生态系统保护和气候适应策略的制定提供了重要的科学依据。研究结果突显了气候变化，特别是气候变率对生态系统的深远影响，揭示了不同地区在面对气候波动时的差异化响应，为全球气候变化对生态系统的影响提供了全新的视角。

       该研究的创新性在于其使用高分辨率的遥感数据结合气候模型，系统评估了全球范围内的生态系统敏感性。这一研究为政策制定者提供了具体的空间数据，能够帮助识别出在气候变化影响下最脆弱的生态系统区域，进而为全球气候变化应对提供了宝贵的决策支持。

       然而，文章也指出了现有模型和数据集中的不确定性，特别是在极端气候事件的影响评估方面。未来的研究可以进一步考虑极端天气事件的影响，结合多源数据提高模型的精确性。此外，文章的研究重点在于生态系统的响应，未来的工作可进一步探讨生态系统如何通过适应性和恢复力应对这些变化，从而提升对生态系统韧性评估的理解。

       总的来说，本研究为全球生态系统敏感性评估提供了新的方法框架，填补了气候变率对生态系统影响评估的空白，对于理解全球气候变化对生态环境的深刻影响具有重要意义。

       本文是在编辑阅读原文提炼的要点，如有理解、考虑角度与翻译不周之处，以原文为准。该篇文章的具体内容，可以通过期刊的以下网址链接查看：https://www.nature.com/articles/nature16986

论文引用：
Seddon, A. W. R., Macias - Fauria, M., Long, P. R., Benz, D., & Willis, K. J. (2016). Sensitivity of global terrestrial ecosystems to climate variability. Nature, 531, 229 - 232. doi:10.1038/nature16986

本期编辑：张震