在北半球温带地区，较老的森林比年轻的森林对气候变化的敏感度更高

《Agricultural and Forest Meteorology》：Greater climate sensitivity of older forests than younger forests in the Extratropical Northern Hemisphere

ENH森林气候敏感性研究显示，2001-2021年高VSI（>60）表明其脆弱性显著，高纬度敏感性高于低纬度，温度占主导（60%-70%），但降水解释了年轻与成熟森林间VSI差异的主要驱动，湿度梯度影响差异幅度。

　　

金婷媛|钟朝晖|杨涵|陈家豪|张子佳|胡中民|吴凯|沈瑶

海南大学生态学院，海口570000，中国

摘要

了解森林生态系统对气候变化的敏感性是理解全球碳循环机制的关键，尤其是对于自21世纪以来经历了显著气候变化的北半球温带地区（ENH）的森林而言。先前的研究报道，年轻的和年老的ENH森林表现出不同的气候敏感性。然而，关于年轻与年老ENH森林的相对气候敏感性大小存在争议，而且气候驱动因素如何影响与年龄相关的敏感性差异仍研究不足。因此，本研究通过植被敏感性指数（VSI）调查了2001-2021年间年轻与年老ENH森林的相对气候敏感性，并利用卫星数据（三种kNDVI数据集）和FLUXNET地面观测数据确定了影响其气候敏感性差异的气候驱动因素。结果表明，ENH森林的VSI值相对较高（>60）。高纬度地区的森林比低纬度地区的森林具有更高的VSI值。在60%-70%的ENH森林中，温度是影响VSI的主要因素，其次是降水（约20%）和太阳辐射（约10%）。年老的ENH森林的VSI值明显高于年轻的ENH森林，且降水而非温度是导致年轻与年老ENH森林之间VSI差异的主要因素。此外，在湿润条件下，年轻与年老ENH森林的VSI差异较大，因为它们的VSI值分别随着干旱指数的增加而减少和增加。我们的研究为长期存在的关于年轻还是年老ENH森林对气候变化更敏感的争论提供了重要见解，强调了在ENH森林管理和生态建模策略中考虑森林年龄的重要性。

引言

北半球温带地区（ENH，>23.5°N）的森林约占全球陆地碳汇的三分之一（Pan等人，2011年），在全球陆地碳循环中发挥着关键作用（Zhang等人，2022年）。近年来，ENH地区观察到了显著的气候变化（Balting等人，2021年），这些变化对ENH森林的生产力（Zhang等人，2022年）、碳平衡（Zhao等人，2021年）和生物多样性（Zhang等人，2024年）产生了深远影响。这些干扰使得ENH森林的结构和功能对气候变化变得更加敏感（Ehbrecht等人，2021年）。森林年龄被认为是调节森林生态系统对气候变化响应的关键因素（Rollinson等人，2021年；Martínez-García等人，2024年；Rubio-Cuadrado等人，2024年）。然而，科学界尚未就年轻与年老ENH森林的相对气候敏感性达成共识（Martínez-García等人，2024年）。此外，关于影响它们气候敏感性差异的气候因素的知识仍然有限，这阻碍了ENH森林的有效管理和保护。了解气候敏感性如何随树木年龄变化而变化对于森林生态学和管理、气候重建以及全球碳模型非常重要。

植被气候敏感性描述了植被对外部干扰的响应方式（Seidl等人，2017年）。大多数研究采用了偏相关分析（Xie等人，2022年）和线性回归模型（Zeng等人，2022a）来评估植被气候敏感性。然而，这些方法仅捕捉了植被对气候变率的一阶矩，而忽略了更高阶矩，例如方差信息（Seddon等人，2016年）。更高阶矩可以更好地捕捉生态系统对气候变化的短期响应，这有助于揭示所研究生态系统的不稳定特征（Smith等人，2023年）。Seddon等人（2016年）提出了植被敏感性指数（VSI），结合了一阶和二阶矩，并已广泛应用于全球范围内的植被气候敏感性评估（Chen等人，2024年；Yuan等人，2021年；Jiang等人，2022年；Wu等人，2023年；青藏高原等地）。然而，目前相关研究中仍缺乏使用VSI指标评估年轻与年老ENH森林气候敏感性的研究，这阻碍了对年轻与年老ENH森林在全球气候变化下的可持续机制的更好理解。

目前，关于年轻与年老ENH森林的相对气候敏感性存在争议。一些研究发现，在加拿大西部（Luo和Chen，2013年）、北美的温带地区（Thom等人，2019年）以及瑞典北部地区（Martínez-García等人，2024年），年轻森林对气候变化的敏感性高于年老森林。这些研究通常指出年轻ENH森林的死亡率高于年老森林，暗示年轻森林具有更高的气候敏感性。相反，其他研究发现，在罗马尼亚（Primicia等人，2015年）、阿拉斯加（Trouillier等人，2019年）和西班牙中部（Rubio-Cuadrado等人，2024年），年老森林的气候敏感性高于年轻森林。值得注意的是，所有上述研究都采用了局部尺度的样地调查和树轮观测。在大陆尺度上利用卫星观测全面调查年轻与年老ENH森林的相对气候敏感性仍然是当前文献中的空白。

导致年轻与年老ENH森林气候敏感性差异的主要气候因素尚不清楚。普遍认为温度对年轻和年老森林都有显著影响。例如，先前的研究报道，在欧洲（Begovi?等人，2023年；Vangi等人，2024年）、加拿大南部（Arain等人，2022年）和意大利国家公园（Colangelo等人，2021年），温度主导了年轻和年老森林的生产力。此外，先前的研究还发现，在欧洲（Tumajer等人，2025年）、美国（Vickers等人，2012年；Farinacci等人，2024年）和青藏高原（Wang等人，2021年），水分控制了年轻和年老森林对气候变化的响应。然而，上述研究通常只考察了单一气候因素对森林气候敏感性的影响，即没有同时考虑温度和水分胁迫。这可能导致结论偏差，因为气候变量通常表现出复杂且相互关联的关系。

基于上述考虑，本研究调查了年轻与年老ENH森林的相对VSI，并利用卫星和地面观测数据确定了影响其VSI差异的气候驱动因素。我们的研究旨在（i）解决年轻与年老ENH森林相对气候敏感性的争议，以及（ii）确定影响其VSI差异的气候因素。我们的工作可以分为四个部分。第3.1节描述了ENH森林中VSI的空间分布及其相关气候驱动因素。第3.2节描述了年轻与年老ENH森林之间气候敏感性的相对差异，第3.3节确定了主导气候敏感性差异的气候因素。第3.4节进一步量化了年轻与年老ENH森林沿气候驱动因素（此处为降水）梯度的VSI变化。我们的发现有助于解决年轻与年老ENH森林相对气候敏感性的争议，并为在全球气候变化背景下制定有效的ENH森林管理策略提供依据。

部分摘录

ERA5-Land气候数据

ERA5-Land数据是基于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）重新分析的数据集生成的模拟数据。它提供了自1950年以来的月度全球气候数据，采用0.1° × 0.1°的空间分辨率，可在https://cds.climate.copernicus.eu/免费获取（2025年5月2日访问）。这里包括三个ERA5-Land气候变量：温度（开尔文）、向下表面太阳辐射

ENH森林的VSI值及其相应气候驱动因素的空间分布

总体而言，三种kNDVI数据集中的VSI值空间分布高度一致（图2）。直方图显示ENH森林的VSI值相对较高，平均值通常超过60。所有三种kNDVI数据均表明，在北美洲东南部、缅甸北部和日本东南部沿海地区，VSI值相对较低（<40）。相比之下，

讨论

总体而言，三种kNDVI数据集得出了相似的空间分布模式，表明我们的结论在描述2001-2021年间ENH森林气候敏感性的空间异质性方面是可靠的。ENH森林对气候变化非常敏感，因为相关的VSI值通常大于60（图2），这与Seddon等人（2016年）和Chen等人（2024年）的研究结果一致。我们的结果进一步表明，温度主导了VSI的变化（图3）。先前的研究

结论

利用三种kNDVI数据集和FLUXNET地面观测数据，本研究评估了年轻与年老ENH森林的相对气候敏感性，并确定了其驱动因素。根据研究结果，可以得出以下结论：

(1)

所有三种kNDVI数据集均显示ENH森林的VSI值较高（>60）。高纬度的ENH森林通常比低纬度的森林具有更高的VSI值。在60%-70%的

CRediT作者贡献声明

金婷媛：写作——审稿与编辑，撰写初稿，可视化，软件应用，方法论。钟朝晖：写作——审稿与编辑，撰写初稿，可视化，方法论，调查。杨涵：可视化。陈家豪：写作——审稿与编辑，形式分析。张子佳：资源获取，数据管理。胡中民：数据管理。吴凯：写作——审稿与编辑，监督，资金筹集。沈瑶：写作——审稿与编辑，监督。