《CATENA》：Permafrost degradation: A critical driver of aboveground carbon sink loss in China's boreal forests
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本研究基于1988-2023年多源卫星数据揭示东北Boreal林区冻土退化通过土壤冻融动态显著调控AGB空间异质性：连续/ discontinuous冻土区早融促进AGB增长，偶发冻土区生物质减少。模型验证显示15个CMIP6地球系统模型高估AGB约20%，因未充分纳入冻土退化导致的土壤水文限制。研究证实冻土退化是Boreal林区碳汇能力下降的关键制约，需在模型中整合冻土-土壤水文耦合机制。
杨红|唐杰|常晓青|王佳琪|龚伟书|王德军|邢彦秋
中国东北林业大学机电工程学院森林经营与环境研究中心，哈尔滨 150040
摘要
永久冻土退化正成为影响北方森林的主要干扰因素，改变了这些生态系统中的植被和碳汇。然而，永久冻土退化对北方生态系统碳预算的具体影响仍不甚明了。在此，我们利用多源卫星数据重建了1988年至2023年中国东北地区（NEC）北方森林的年地上生物量（AGB）储量。尽管研究期间区域总AGB增加了210.47 Tg，但与永久冻土稳定性相关的空间异质性十分明显。偏相关性和敏感性分析表明，在连续和间断永久冻土带中，土壤冻融动态对AGB变化起主导作用，其中早期解冻通常促进森林生长。相比之下，生物量下降主要发生在零星分布的永久冻土带。这些模式反映了在长期解冻条件下，从能量限制向水分限制的生长条件转变的过程，其中延长的生长季节的积极效应逐渐被解冻引起的水文解耦和相关生理干旱所抵消。此外，我们将基于过程的模型输出与卫星观测结果进行了比较。与21个CMIP6地球系统模型的比较进一步显示，有15个模型系统性地高估了区域AGB储量。这种偏差表明，现有模型未能充分反映解冻对植被生长的水文限制，从而高估了森林碳汇的强度。综上所述，我们的结果表明永久冻土退化对北方森林碳积累构成了关键限制，并强调了将永久冻土介导的土壤水文过程纳入地球系统模型的必要性。
引言
北方森林占全球森林面积的约30%，储存了超过20%的陆地碳，是全球碳循环的重要组成部分（Bradshaw和Warkentin，2015；Pan等人，2011），但在高排放情景下，预计到21世纪末气温将上升超过4°C（IPCC，2021），这威胁着北方森林。目前对北方森林碳源和碳汇变化的估计往往依赖于过于简化的假设、有限的地面观测数据以及模型估计的不确定性。这导致在识别北方森林的陆地碳源和碳汇时存在不确定性，而北方森林仍然是全球碳预算中最不确定的组成部分（Tagesson等人，2020）。卫星观测和模型模拟表明，尽管高纬度地区的生产力正在增加，但加剧的森林干扰已经显著削弱了这一碳汇功能（Bradshaw和Warkentin，2015；Chen和Luo，2015）。例如，1986年至2016年间，阿拉斯加的北方森林变成了净碳源，释放了约2.74 Pg C（Zhao等人，2021）。人们担心北方生态系统正转变为大气碳的净来源（Zhang等人，2022）。因此，评估北方森林生态系统在气候变化背景下是否仍能继续作为强大的碳汇至关重要。
目前关于干扰对北方森林碳汇影响的研究主要集中在森林火灾、采伐和其他严重干扰对森林碳储量的影响上（Walker等人，2019；Wang等人，2024）。然而，大约80%的北方森林被永久冻土覆盖（Helbig等人，2016）。这一关键的冰冻圈正在迅速退化；观测数据显示，2007年至2016年间全球永久冻土温度上升了0.29 ± 0.12°C（Biskaborn等人，2019），模型预测到2100年近地表永久冻土范围将减少30%–70%（Lawrence等人，2012）。随着永久冻土的融化以及活动层的加深，土壤热力和水文条件的变化可以刺激微生物活动，从而加速先前受保护的土壤有机碳的分解（Miner等人，2021；Schuur等人，2015）。适度的土壤水热条件变化可能通过解冻后营养物质的可利用性增加来提高森林生产力（Kirdyanov等人，2024；Peng等人，2020）。相反，更严重的永久冻土退化可能导致水分胁迫，包括干旱或积水，从而限制树木生长并增加植被死亡的风险（Wang等人，2022；Yang等人，2025）。因此，预期的干扰模式变化将影响北方森林碳吸收的增减平衡。然而，目前针对这一过程的测绘工作主要集中在小尺度上，尚无量化永久冻土退化对地上生物量（AGB）储量影响的区域尺度研究（Peng等人，2022；Wang等人，2023）。永久冻土退化的净影响可能非常显著，但其具体机制仍研究不足。了解永久冻土退化对大尺度AGB动态的影响对于评估高纬度地区北方生态系统干扰对碳通量的影响至关重要。
中国的北方森林在国家碳预算中起着关键作用，储存了该国约三分之一的森林碳储量（Huang等人，2022）。然而，这些生态系统位于欧亚永久冻土带的南部边界，使其在生态上非常脆弱，对气候变暖极为敏感（Wei等人，2011）。历史上，人为干扰如采伐和火灾加速了该地区的永久冻土退化（Huang等人，2021；Li等人，2019）。最近的研究表明，永久冻土退化可能会抑制森林生长（Yang等人，2025），改变物种组成（Huang等人，2021），并可能导致森林丧失（Lara等人，2016）。然而，大多数现有研究仅关注小尺度过程或特定的生态响应，而AGB对永久冻土退化的长期、区域尺度敏感性仍缺乏量化。特别是，目前尚不清楚与永久冻土退化相关的土壤冻融动态变化如何在这一过渡带内的永久冻土稳定性梯度上传播到森林碳积累中。因此，量化这一过渡带内AGB对永久冻土退化的敏感性对于准确估计碳汇和进行适应性管理至关重要。
本研究有三个主要目标：（1）描述1988年至2023年中国北方森林AGB的时空模式和年际动态；（2）研究AGB对永久冻土退化和气候驱动因素的动态响应和敏感性；（3）将基于卫星的累积AGB变化估计值与参与第六阶段耦合模型比较项目（CMIP6）的地球系统模型的预测结果进行比较，后者提供了最新的全球气候预测。
研究区域
中国东北地区（NEC）的永久冻土区域（北纬46°48′-53°32′，东经115°58′-130°46′）是中国第二大永久冻土区，面积约为3.87 × 105平方公里。地理上，它涵盖了黑龙江省的最北部和内蒙古自治区（图1）。该地区包括大兴安岭山脉，拥有中国80%以上的北方森林，约占全国天然森林面积的29.9%。
基于ICESat-2卫星LiDAR数据评估RF模型准确性和AGB地图准确性
图2a显示了RF模型估计的AGB与ICESat-2训练数据中的参考AGB的密度散点图。模型与训练数据的拟合度很高，决定系数（R2）为0.73，均方根误差（RMSE）为26.59 Mg ha?1
受永久冻土稳定性限制的森林碳动态的时空差异
我们基于卫星的反演结果为1988年至2023年NEC地区的森林AGB提供了统一的时空基准。这些估计结果与最近的独立评估结果大体一致（Cai等人，2025；Yan等人，2023）（表S1），这增强了其在区域趋势分析中的应用信心。尽管我们的估计值略高于这些研究中的结果，但这种差异可能是由于遥感数据源的不同造成的。
结论
本研究提供了关于永久冻土退化如何重塑北方森林碳动态的新见解。通过使用1988年至2023年的多源遥感观测数据，我们发现虽然气候变暖促进了区域尺度的AGB积累，但持续的永久冻土退化通过改变土壤冻融机制和根区水热条件对长期碳收益施加了非线性限制。我们进一步揭示了主导趋势的系统性变化。
CRediT作者贡献声明
杨红：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，资金获取，概念构思。唐杰：撰写 – 审稿与编辑。常晓青：撰写 – 审稿与编辑。王佳琪：撰写 – 审稿与编辑。龚伟书：撰写 – 审稿与编辑。王德军：撰写 – 审稿与编辑。邢彦秋：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFD2201701）；东北林业大学林业工程博士创新基金（项目编号：LYGC202224）；黑龙江省高校基础研究青年人才支持计划（项目编号：YQJH2024004）的支持。我们感谢所有公共数据集的所有提供者为我们分析提供了宝贵的数据。
