《Urban Forestry & Urban Greening》：Beyond greenness and canopy height: Ecological thresholds and structure–function decoupling of vegetation along urban–rural gradients in global megacities
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为解决全球城市化背景下植被生态功能稳定性难以量化、结构（冠层高度）与功能（增强型植被指数EVI）关系不明确的问题，研究人员对全球53个大城市开展了城市-乡村梯度分析。研究发现了功能稳定性（变异系数CV）与冠层高度、EVI之间的非线性U型阈值关系，最优稳定区（冠层高度14-16米，EVI约0.53-0.55）能最小化时间变异性，而偏离此区则稳定性下降。该研究揭示了不同气候与城市背景下结构-功能的多模式解耦现象，为基于阈值的城市绿地规划与生态韧性提升提供了定量框架和重要见解。
随着全球城市化进程不断加速，城市生态系统在人类活动与环境压力的双重夹击下，其稳定性正面临严峻挑战。植被作为城市生态系统的核心生物物理组分，对于维持城市韧性、缓解环境压力至关重要。然而，以往的研究多关注于城市形态、生态系统服务评估或简单地使用绿地面积等复合指标，这限制了我们从机制层面理解生态系统稳定性的调控机理。一个核心问题悬而未决：植被的结构（例如树木有多高）与其功能（例如光合作用能力有多强）之间，究竟存在怎样的协同关系？这种关系又如何共同影响着生态系统功能的稳定性？为了揭开这个谜团，一项跨越全球53个主要大城市的研究应运而生。
这项研究发表在《Urban Forestry & Urban Greening》期刊上，旨在探究沿城市-乡村梯度，植被结构（冠层高度）与功能（基于增强型植被指数EVI的稳定性）之间的协同关系及其对生态系统功能稳定性的影响。研究采用了空间换时间的框架，构建了从城市中心向外辐射的标准化缓冲区梯度。为了回答上述问题，研究人员巧妙地结合了多项关键技术：首先，利用Meta公司提供的全球1米分辨率冠层高度数据刻画植被垂直结构。其次，基于Google Earth Engine平台，处理了2018年至2024年共六年的Sentinel-2影像，计算了包括归一化植被指数（NDVI）、增强型植被指数（EVI）在内的多个植被指数，并通过系统评估，最终选定年际变异系数（CV）最低的年度平均EVI作为表征植被功能稳定性的核心指标。研究区域涵盖了全球53个人口超过千万的特大城市，它们分布在六大洲，覆盖了寒冷温带、温暖温带、热带和干旱四种主要气候带，确保了结论的广泛代表性。分析方法上，除了常规的趋势分析，研究重点采用了局部加权回归（LOESS）等多种非线性模型来识别稳定性阈值，并通过Bootstrap重抽样方法评估了阈值的统计稳健性。
3.1 全球植被结构与功能稳定性格局
研究揭示了全球范围内一致的空间模式：中高纬度城市（如伦敦）通常拥有更高的冠层（>8米）和更低的CV值（即更高的功能稳定性），而低纬度的热带和干旱城市（如开罗）则植被较矮（<8米），稳定性较低。沿城市-乡村梯度，冠层高度和CV展现出三种主要变化模式：稳定型（如德黑兰，两者变化均小）、单调型（如重庆，高度递增，CV递减）和饱和型（如东京，在近郊快速变化后趋于平缓）。通过综合分析梯度趋势，全球城市被归纳为四种结构-功能关系类型：递增-递减型（如巴黎，高度增，CV减）、稳定-递减型（如北京，高度稳，CV减）、递增-稳定型（如伦敦，高度增，CV稳）和稳定-稳定型（如开罗，两者均稳）。
3.2 植被结构与功能相关的非线性稳定性阈值
研究发现，功能稳定性（CV）与冠层高度、EVI之间均存在显著的U型非线性关系。稳定性在一個狭窄的最优区间内达到最高，即CV最低点出现在冠层高度14-16米、EVI值0.53-0.55附近。当植被结构或功能状态偏离这个“甜蜜区”时，无论是过低还是过高，稳定性都会下降。这一阈值并非固定不变，而是随环境背景发生系统性偏移。例如，在干旱区城市，达到稳定所需的结构阈值更高（即需要更高的树木）；而在热带城市，稳定性对功能维度（EVI）的变化更为敏感。城市核心区通常需要更高的结构水平才能进入稳定范围，而郊区则可能在较低的功能水平上就接近稳定状态。
3.3 沿城市-乡村梯度对稳定性阈值的偏离
绝大多数城市（53个中的45个）的当前植被状态，在结构和功能两个维度上均低于其最优阈值，表明全球城市的绿化仍有巨大提升潜力。具体而言，干旱或结构单一的城市往往在两个维度上都远低于阈值，其低CV值反映的是一种受资源限制的、低功能水平的“稳定”状态。而热带、寒冷温带或结构发展中的城市，其功能状态更接近最优范围。有趣的是，沿城市-乡村梯度，植被状态最接近最优阈值（BZTP）的区域多位于郊区，通常距城市核心40-60公里处，表明城乡过渡带在提升区域生态稳定性方面扮演着积极角色。
该研究的结论与讨论部分深刻阐释了其发现的多重意义。首先，研究所观察到的四种结构-功能模式揭示了城市化梯度上两者关系的耦合与解耦现象。递增-递减型最接近自然生态系统的响应，体现了结构复杂性对稳定性的增强作用。而其他模式（如稳定-递减型、递增-稳定型）则反映了人类管理（如集约灌溉、修剪）或半自然植被缓冲带等因素导致的结构与功能恢复不同步。这强调了在城市生态系统中，社会经济条件和自然环境梯度共同塑造了空间格局。
其次，普遍存在的U型稳定性阈值表明，这可能是城市植被系统的一种普遍属性，而非特定情境的产物。阈值的存在意味着“越高越绿不一定越稳”，最优稳定性存在于一个有限的结构与功能范围内。其位置受气候和城市化强度的系统调节：干旱城市因水资源限制而推高结构阈值；热带城市因激烈竞争而对功能变化更敏感；城市核心区因空间限制和频繁干扰而需要更高的结构成就。
最后，研究提出的“生态状态差距”（ΔEG）和“最近阈值缓冲区”（BZTP）等概念，为城市绿地可持续管理提供了定量化的评估工具和空间指引。研究强调，管理重点应从单纯追求最大化的冠层高度或覆盖率，转向通过多样化的物种组成和垂直平衡的冠层结构，将植被维持在一个最优的结构范围内。对于长期处于低结构-低功能状态的城市，可通过节水灌溉、土壤改良等低干预策略逐步提升；对于功能已接近阈值的发达城市，则应避免过度强化单一维度，通过精细化维护来保持系统稳定。总体而言，该研究不仅为理解城市植被稳定性机制提供了全球性的实证框架，也为实施基于自然的解决方案（NBS）和实现可持续发展目标（SDGs）提供了明确的生态约束条件和规划启示。
