研究亮点

1. 研究利用长时间序列的气象数据和被广为接受的理论模型（综合顺序分类系统）刻画全球气候变化背景下自然植被过去、当前和未来的潜在分布格局；

2. 全球自然植被包括森林、草地、灌丛、热带稀树草原和冻原由于气候变化导致其距离和方向发生位移的数量分析有助于我们更好的理解全球自然植被对未来气候变暖的潜在应对机理和内生适应策略；

3. 研究结果对全球重大生态系统恢复工程尤其是退化生态系统的群落构成和物种选择具有重要的参考价值和实践借鉴。

01研究背景

全球气候快速变暖已经是一个不争的事实。相较于工业革命前，全球气温在过去40多年间以年均0.2℃的速度增加。快速的增温在高海拔和高纬度地区如青藏高原和极地地区表现得最为明显。气候变暖已经显著改变这些地区植物的生理和生物化学过程、物种构成和群落结构，并且持续影响区域大气循环和人类活动。除了吸收碳外，植被尤其是森林能够通过释放一定数量的冷却分子对周围环境物理降温、湿润大气和形成云层，一定程度上能够缓解全球气候变暖。所以，植被在全球物质、能量和信息平衡中扮演着关键的作用，并且为人类提供诸如氧气、纤维和食物等重要的生态服务功能。

作为一种基础性的参考，潜在自然植被对于退化生态系统中现实自然植被的对比具有重要意义。先前的研究已经对区域或者全球自然植被的潜在类型进行了划分，并且利用生物气候或者生物物理模型分析了其分布格局对气象因素的敏感性。但是，由于过于复杂的生理生态过程和模型输入数据面临巨大的计算量等问题，先前研究仅获得了短期和粗糙空间分辨率的全球自然植被潜在分布。这些缺陷将会限制我们理解过去和未来气候变化对全球自然植被的作用机理。

作为一个被广为接受的生物气候模型，综合顺序分类系统自从上世纪50年代被任继周院士和胡自治教授提出后，被广泛应用于区域和全球自然植被潜在类型的划分。综合顺序分类系统采用两个较为稳定和易于观测的气象变量（温度和降水）计算湿润度并将其与热量单位（年积温）联合划分全球自然植被的潜在类型。综合顺序分类系统将全球自然植被的潜在类型划分为42类，包括景观尺度上的森林、草地、灌丛、热带稀树草原、冻原和荒漠。由于低时间和计算成本，综合顺序分类系统被广泛应用于区域自然植被潜在类型划分、时空分布格局分析和气候变化导致的植被变化趋势预测。然而，气候变化和自然植被分布格局之间的潜在数量化关系并未得到很好的研究。

近年来，为了更好的解释碳循环机理，理解自然植被变化对气候变暖的潜在响应受到了越来越多的关注。但是，利用模型准确预测全球自然植被变化的潜在广度和深度仍然面临巨大的挑战。基于上述原因，我们提出三种假设：（1）如果全球温度和降水保持相同的变化模式，自然植被的潜在移动距离和位移方向将会保持不变；（2）如果全球温度上升和降水增加，一些自然植被类型可能会向北扩张；（3）如果全球温度降低和降水减少，另一些自然植被类型可能会向南萎缩。为了验证上述三种假设，我们利用古代、现代和未来三个时期的气象数据和综合顺序分类系统划分全球自然植被潜在类型，并可视化分析其时空动态、演替过程和对气候变化的响应以及揭示其对气候变化的响应机理。数量化分析全球自然植被对气候变化的长期潜在响应有助于我们更好的理解植被对气候变化的内在适应策略以及政府制定退化自然生态系统恢复政策。

图 1｜全球自然植被对三种气候变化模式的潜在响应假设

02研究方法

本研究利用全球气候和天气数据库（Worlclim）中三个时期（过去、现在和将来）六个时间段（末次间冰期、末次冰盛期、全新世中期、现在、2030和2090）的温度和降水数据以及综合顺序分类系统划分全球自然植被的潜在类型。其中，未来情境下2023和2090选用SSP370和SSP585模式，该两种模式下两个时间段具有最低（最高）的温度和相对较匮乏（充沛）的降水（p）。

综合顺序分类系统采用>0℃年积温（GDD0）和湿润度（h）划分全球自然植被的潜在类型。其中湿润度为年降水量和年积温的比值。计算公式如下：

为了便于可视化全球自然植被的潜在变化趋势，本研究将综合顺序分类系统划分的42类合并成5个类组（荒漠由于植被覆盖度极低被排除）。另外，5个自然植被类组的潜在地理中心点、移动距离和位移方向也利用相应的公式进行计算。本研究中所有的地图均使用ArcMap 10.8.2制作，主成分、相关性分析和图表绘制则采用R软件。

图 2｜综合顺序分类系统检索图

03 研究结果

研究表明全球自然植被的潜在分布与其气候主导的生境基本吻合。气候变化导致的全球自然植被潜在类型的转换主要发生在极地和高海拔地区。气候变化对全球自然植被类型的潜在地理中心点、移动距离和位移方向具有决定性作用。正如我们在前言中提出的假设，温度升高和降水增加会导致森林、草地和热带稀树草原向北扩张，而温度降低和降水减少会引起冻原向赤道方向快速拓展。某种情况下，即使地理位置相互远离的自然植被类型也会因为不同时期间足够的水热变化发生相互转换。尽管自然植被潜在变化在应对气候变化时表现出时空异质性，但全球尺度上温度和降水仍然是引起自然植被潜在变化的决定性因素。研究结果可以为全球重大生态环境修复工程提供重要参考价值。

Cite this article

Ren, Z., Liu, L., Yin, F., Liu, X., 2024. Modelling analysis embodies drastic transition among global potential natural vegetations in face of changing climate. For. Ecosyst. 11, 100180.

https://doi.org/10.1016/j.fecs.2024.100180

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.fecs.2024.100180

关于本刊

《森林生态系统(英文)》（Forest Ecosystems）是由教育部主管、北京林业大学主办的林学、生态学类的开放获取学术期刊。主要收录森林生态系统、森林群落、森林环境、遥感、气候变化、大数据等相关研究领域的高质量、原创性研究论文和评论性文章。影响因子4.1，在期刊分区表中居农林科学大类一区，林学小类一区。