近期，廣東省科學(xué)院廣州地理研究所蘇泳嫻研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中山大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)和南京信息工程大學(xué)的科研人員，發(fā)現(xiàn)了森林“保耗水”和“增降溫”效應(yīng)的關(guān)聯(lián)機(jī)制，相關(guān)系列成果發(fā)表在農(nóng)林、環(huán)境以及水文領(lǐng)域權(quán)威期刊 Journal of Hydrology、Agricultural and Forest Meteorology和Environment International上。該研究成果對(duì)于進(jìn)一步科學(xué)合理的引導(dǎo)植樹造林，最終實(shí)現(xiàn)“綠水”、“青山”、“降溫”共贏，具有重要的理論指導(dǎo)意義。

　　導(dǎo)讀

　　中國(guó)有兩句有關(guān)森林的諺語(yǔ)俗語(yǔ)“青山常在，綠水長(zhǎng)流”和“大樹底下好乘涼”為我們大家熟知。從字面上我們很容易理解，“青山常在，綠水長(zhǎng)流”是指“有植被覆蓋的山，常年有清水流出”，“大樹底下好乘涼”則是指“樹越大、越濃密，樹底下就越?jīng)隹臁薄?/p>

課題組在新豐江水庫(kù)開展森林水資源野外調(diào)研時(shí)無(wú)人機(jī)拍攝的照片

　　然而這兩句諺語(yǔ)俗語(yǔ)蘊(yùn)含著兩個(gè)重要的森林生態(tài)系統(tǒng)方面的科學(xué)問(wèn)題：（1）一方面，研究表明，植樹造林在某些地區(qū)會(huì)顯著減少水資源，但在部分地區(qū)對(duì)水資源的負(fù)作用并不顯著，甚至有利于水源涵養(yǎng)。那么，為什么不同地區(qū)植樹造林會(huì)帶來(lái)不同的水資源效應(yīng)呢？即森林“保耗水”問(wèn)題。（2）另一方面，研究發(fā)現(xiàn)，森林在某些地區(qū)會(huì)顯著降低內(nèi)部溫度，但在部分地區(qū)林內(nèi)溫度會(huì)高于外部溫度，那么，為什么不同地區(qū)的森林會(huì)帶來(lái)不同的局地溫度效應(yīng)呢？即森林“增降溫”問(wèn)題。

　　十八大以來(lái)習(xí)近平總書記反復(fù)強(qiáng)調(diào)“綠水青山”，聯(lián)合國(guó)于2017年通過(guò)首部全球森林發(fā)展戰(zhàn)略《聯(lián)合國(guó)森林戰(zhàn)略規(guī)劃（2017-2030年）》，林業(yè)被賦予前所未有的新使命。因此厘清森林“保耗水”和森林“增降溫”的地理空間分布特征，揭示這些現(xiàn)象背后的影響機(jī)制，對(duì)指導(dǎo)“在對(duì)的地方干對(duì)的事情”，實(shí)現(xiàn)森林功能的最優(yōu)化提供有力的理論支撐。

　　思路來(lái)源

　　基于生物物理機(jī)制模型的森林熱環(huán)境效應(yīng)研究，詳細(xì)揭示了地表反照率、顯熱通量、潛熱通量（蒸散）等相關(guān)生物物理因素對(duì)森林熱效應(yīng)的影響。然而關(guān)于森林水資源效應(yīng)研究，大多基于Budyko簡(jiǎn)易水熱框架的蒸散發(fā)公式，缺少詳細(xì)的森林生物物理過(guò)程描述，使得影響森林水資源空間分布規(guī)律的生物物理機(jī)制解析不足。

　　基于此，研究團(tuán)隊(duì)提出如下科學(xué)假設(shè)：森林“保耗水”和“增降溫”的本質(zhì)是同一個(gè)生態(tài)學(xué)機(jī)制，是生物物理過(guò)程在水效應(yīng)和熱效應(yīng)上的不同體現(xiàn)。因此研究團(tuán)隊(duì)突破現(xiàn)有研究水熱效應(yīng)分割的現(xiàn)狀，通過(guò)生物物理過(guò)程將森林水熱效應(yīng)耦合，揭示森林“保耗水”和“增降溫”之間的神秘關(guān)系。

　　正文介紹

　　研究團(tuán)隊(duì)首先對(duì)森林輻射傳輸方程進(jìn)行改進(jìn)（詳見Su等，2019），引入林內(nèi)空氣層，將森林覆蓋的地表拆分成森林冠層和林下土壤層，然后分別構(gòu)建了冠層的輻射傳輸平衡方程和土壤層輻射傳輸平衡方程，然后將兩者疊加，構(gòu)建了森林覆蓋地表的三層能量輻射傳輸方程。該輻射傳輸方程能將林內(nèi)氣溫和林下土壤溫度拆分出來(lái)，為分別研究生物物理過(guò)程對(duì)氣溫和土壤溫度的作用提供了技術(shù)支撐。基于該三層能量輻射傳輸理論，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步耦合水量平衡方程，從理論上將造林引起的徑流系數(shù)變化與森林生物物理過(guò)程關(guān)聯(lián)起來(lái)（公式1，Chen等，2021）。研究團(tuán)隊(duì)在全球搜集了12個(gè)配對(duì)站點(diǎn)的林內(nèi)外氣溫、土壤表層溫度和徑流系數(shù)進(jìn)行了精度驗(yàn)證（RMSE= 0.02 mm mm-1 yr-1）（圖1）。

　　作者觀點(diǎn)

　　森林“保耗水”和“增降溫”的本質(zhì)是同一生態(tài)學(xué)問(wèn)題，是森林生物物理過(guò)程在水效應(yīng)和熱效應(yīng)上的不同體現(xiàn)。非潛熱通量（顯熱、長(zhǎng)波輻射等）和潛熱通量等森林生物物理過(guò)程的權(quán)衡關(guān)系是決定“保水”還是“耗水”、“增溫”還是“降溫”的主要原因，氣候因子則起到調(diào)節(jié)該效應(yīng)顯著程度的作用。該研究成果對(duì)于進(jìn)一步科學(xué)合理的引導(dǎo)植樹造林，最終實(shí)現(xiàn)“綠水”、“青山”、“降溫”共贏，具有重要的意義。例如，低緯度熱帶亞熱帶地區(qū)具有比較濕潤(rùn)的氣候條件，植樹造林對(duì)其地區(qū)水資源的作用不顯著。高緯度森林呈現(xiàn)較強(qiáng)的增溫現(xiàn)象，從其表征的熱環(huán)境效應(yīng)推斷，高緯地區(qū)造林對(duì)水資源的負(fù)面效應(yīng)也不顯著。中緯度干旱半干旱地區(qū)，造林可能對(duì)地區(qū)水資源產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。

　　研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目《林內(nèi)能量平衡過(guò)程重塑及森林對(duì)氣溫和地溫的生物物理反饋拆分研究》、科技部《中法杰出青年交流項(xiàng)目》、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目《廣東省森林垂直結(jié)構(gòu)截留和水化學(xué)輸出規(guī)律及其對(duì)酸雨的緩解能力評(píng)估》、廣東省科技廳國(guó)際科技合作項(xiàng)目《綠地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能、低碳城市及可持續(xù)發(fā)展》以及廣東省科學(xué)院廣州地理研究所“卓越人才計(jì)劃”等項(xiàng)目的聯(lián)合資助。

　　相關(guān)文章列表：

　　Su, Y., Liu, L., Wu, J., Chen, X.*, Shang, J., Ciais, P., Zhou., G., Lafortezza, R., Wang, Y., Yuan, W., Zhang, H., Huang, G., Huang, N. (2019). Quantifying the biophysical effects of forests on local air temperature using a novel three-layered energy balance model. Environment International,132, 105080.

　　Su, Y., Liu, L., Liao, J., Wu, J., Ciais, P., Liao, J. He, X., Liu, X., Chen, X.*, Yuan, W. & Zhou, G. (2020).???? Urban vegetation cooling/warming on local air temperature: a synthetic analysis of global site observations. Agricultural and Forest Meteorology, 280, 107765.

　　Chen, X., Liu, L., Su, Y.*, Yuan, W., Liu, X., Liu, Z., & Zhou, G. (2021). Quantitative association between the water yield impacts of forest cover changes and the biophysical effects of forest cover on temperatures. Journal of Hydrology. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2021.126529.

（省科學(xué)院地理所 蘇泳嫻/供稿 蘇泳嫻 唐光良/供圖）