✦研究亮点✦

1.绘制了2000-2020年间森林破碎化的全球分布及其时间变化图。
2.分析了全球森林破碎化热点区域的关键过程和潜在原因。
3.确立了指示全球森林不同恢复或退化状态的8种破碎模式。
4.全球75.1%的森林破碎化程度有所下降。

✦研究概览✦

森林破碎化是全球生物多样性丧失和生态系统退化的主要驱动因素。确定哪些地区的森林破碎化最为严重是生态学的一项基本任务，但对全球森林破碎化模式的调查结果并不一致。全面量化全球森林破碎化，是指导森林保护、恢复和重新造林政策的迫切需求。
森林破碎化是景观层面的森林变化过程，主要表现为斑块面积减小、斑块数量增加、森林边缘增多。准确的评估和描绘森林破碎化，对于探索其对生物多样性和生态系统功能的影响至关重要。然而，以往关于全球森林破碎化测绘的研究依赖于评估静态景观模式，并忽略了森林破碎化是一个随时间推移的动态过程这一事实。此外，尽管森林破碎化的影响可能持续长达一个世纪，但其影响大多是立竿见影的，而且在形成后的头几十年才显现出来。因此，准确量化当前森林破碎化的模式和动态是防止未来生物多样性丧失和生态系统退化的关键。然而，近几十年来，缺乏从动态角度对全球森林破碎化进行量化，这是一个重要的认知差距。
在过去几十年中，由于森林砍伐和植树造林具有高度的动态性，对森林破碎化的评估变得越来越复杂。森林破碎化通常被认为与森林损失有关，因此通常根据森林砍伐面积进行评估。因此，以前大多数关于森林破碎化动态的研究都集中在森林砍伐率高的热带森林上。然而，森林破碎化和森林覆盖变化是相对独立的，并不总是朝着同一方向发展。许多温带和亚热带国家已经增加了森林覆盖率，但森林覆盖率的增加并不能扭转森林破碎化的趋势。因此，如果只考虑碎片化或覆盖率，大规模估计森林景观格局动态的可信度就会降低。因此，迫切需要有效地整合和分析森林覆盖和破碎化模式的变化，以提供更有效信息
在这项研究中，我们构建了一个复合森林破碎化指数（FFI, forest fragmentation index）来表示森林破碎性的主要特征，包括边缘、孤立和斑块大小效应。我们使用了2000年和2020年的FFI及其差异（ΔFFI）来确定全球森林破碎化的静态和动态模式。将这两个指数在全球不同地区进行比较，以探索哪一个指数更有效、更准确地反映碎片化状况。我们还分析了一些全球森林破碎化热点区域的关键过程和潜在原因，并结合森林覆盖率（ΔFC, forest coverage）和破碎化的变化，导出了评估森林景观动态模式的二维框架。我们的研究表明，在21世纪的头二十年里，世界上75.1%的森林景观经历了破碎化的减少，但热带地区的森林景观却经历了增加的破碎性。

✦主要结果✦

静态和动态森林破碎化指数值的差异
研究使用2000年和2020年的归一化边缘密度（ED）、斑块密度（PD）和平均斑块面积（MPA，使用1-归一化MPA）的平均加权值计算了静态FFI（图1）。具有低静态碎片的森林景观（FFI<0.2）主要分布在热带地区、加拿大西部、西伯利亚西部和俄罗斯远东地区，而静态碎片化程度高的森林（FFI>0.8）主要分布在北美东部、欧洲南部、中国中南部以及热带森林边缘。2000-2002年，不同破碎化程度的森林景观面积比例保持稳定。从2000年到2020年，静态破碎化程度较低的森林景观的百分比略有增加（17%到19%）。

图1| 全球森林景观的静态森林破碎度指数（FFI）和动态森林破碎度指数（ΔFFI）的全球分布。(a) 2000年的静态FFI，（b）2020年静态FFI，（c）2000年至2020年的ΔFFI；以及（d）2000年和2020年的FFI统计值（e）不同气候带的ΔFFI值的比较。其中，（d）、（e）图中的柱高表平均值大小，误差棒显示了标准偏差。气候带之间静态FFI和ΔFFI差异的显著性使用双侧Tukey HSD检验法进行了分析，该检验针对多次比较进行了调整，每个条形图中的字母显示了平均静态FFI与ΔFFI的事后比较p<0.001。（d）2000年，从热带到寒带的森林像素数（n）分别为581649、381768、1031907和1384718，2020年分别为569260、378518、1055401和1385159。（e）从热带到寒带的森林像素数（n）分别为553655、363858、1021172和1320564。

森林破碎化过程的模式和潜在原因
根据FFI的三个单独组成部分（ED、PD和MPA）的变化（增加或减少）的不同组合方式，确定了八种森林破碎化模式，并检测了FFI减少地区的八种模式的面积组成比例（Δ<0）和增加的（ΔFFI>0）森林破碎化。在FFI下降的地区中，EDdownPDdownMPAup是最常见的模式，其面积比例为69.8%，在世界各地广泛分布（图2）。其他模式，如EDdownPDdownMPAdown和EDupPDdownMPAup的面积比例分别为15.4%和8.6%，分别主要在亚马逊中部和东欧占主导地位。就FFI增加的地区而言，EDupPDupMPAdown是最常见的模式，占53.3%，主要发生在热带、北美西部、北欧和西伯利亚中部。EDupPDdownMPAdown和EDdownPDdownMPAdown模式的面积比例分别为23.6%和8.7%，在热带、俄罗斯和西非占主导地位。
我们还分别检测到FFI减少和增加地区热点区的单独破碎化相关指标的变化。总体而言，FFI减少的热点地区ED和PD下降，MPA增加。具体而言，从2000年到2020年，加拿大西部的MPA显著增加了73%，南欧增加了38%，中国中部增加了50%（图2）。

图2| 八种森林破碎化过程模式的空间分布和组成比例分别为森林破碎度减少面积（上排）和森林破碎性增加面积（下排）。ED、PD和MPA是指合成森林破碎化指数（FFI）的各个组成部分。每个FFI组成部分后的“上升(Up)”和“下降(Down)”标记分别代表2000-2002年期间的上升和下降趋势。右侧的饼图表示FFI中八种森林碎片化过程模式的面积比例减少（森林像素数，n=2470511）和增加的面积（n=820937）。分别选取FFI减少和增加最明显的三个热点地区来评估FFI各组成部分的变化。热点D1-D3在加拿大西部（n=7007），南欧（n=3610）和华中（n=5180），热点D1-D3区域位于亚马逊东南部（n=2710），刚果盆地（n=5102）和西伯利亚中部（n=6640）。热点框显示中值、下25%和上75%四分位数；点表示平均值；并且晶须延伸到1.5倍四分位间距（IQR）的极限。

图3| 六个热点地区动态森林破碎化指数（ΔFFI）的标准化相关系数。人为活动（农田覆盖率和夜间光照的均值和差值，黄色）、人口压力（人口密度的均值和差分值，蓝色）和自然干扰（火灾频率，红色）对（a–c）森林破碎化减少热点ΔFFI动态的相对影响（D1–D3，n=76613663和5271个森林像素）和（d–f）中森林破碎化增加的热点（I1-I3，n=4044、5104和7689个森林像素）。点表示广义线性模型中置信区间为95%（细段，±1.960标准误差）和90%（粗段，±1.645标准误差）的标准化系数估计。六个热点的位置如图2所示。

评估全球森林景观动态的新框架
由于面积和模式的变化是评估森林景观动态的两个关键指标，我们基于2000年至2020年间FC和FFI的变化开发了一个二维框架，以全面了解森林景观动态。我们发现，具有FCupFFIdown模式的森林景观分布在世界各地，但集中在加拿大西部、美国东北部、欧亚大陆北部和中国中部。
此外，在森林面积最大的10个国家中，总体森林景观动态模式表现为FCupFFIdown（俄罗斯、中国和印度）、FCdownFFIup（巴西、澳大利亚、刚果民主共和国和秘鲁）或FCdownFFIdown（加拿大、美国和印度尼西亚）（表1）。在俄罗斯（59%）、加拿大（56%）、美国（53%）和中国（58%），超过一半的森林景观存在FCupFIFDown模式，而在巴西（42%）、刚果民主共和国（54%）和秘鲁（43%），相当大比例的森林景观具有FCdownFFIUp模式。特别是中国（ΔFC=1.21%，ΔFFI =−0.07）具有相对较高的ΔFC和较低的ΔFFI值，而巴西（ΔFC=−3.22%，ΔFFI=0.014）具有相对较低的ΔFC和较高的ΔFFI值。此外，就世界主要森林国家的森林景观而言，FCdownFFIdown模式占森林面积的比例很高（23%-35%），而FCuFIup模式只占很低的比例（4%-15%）。

图4| 各气候带不同森林景观动态模式的空间分布及其面积百分比。景观动态模式由森林破碎化指数（FFI）和森林覆盖率（FC）的变化来定义，在FFI或FC之后的“上升”和“下降”标记分别代表2000-2002年期间的增加和减少趋势。（a）四种森林景观动态模式的全球空间分布，（b）四种森林风景动态模式在气候带之间的相对面积百分比，以及（c）使用Pearson线性相关（n=131个国家）。（c）中的统计学显著性是通过two-side Student’s T-test获得的。

表 1| 全球森林面积最大的十个国家四种森林景观动态模式的森林覆盖率和破碎化变化的面积、面积百分比和平均值。FCupFFIdown：增加覆盖率并减少碎片，FCupFFUp:增加覆盖率且增加碎片，FCdownFFIdown：减少覆盖率且减少碎片，以及FCdownFFIdown减少覆盖率并增加碎片

✦研究展望✦

森林破碎化过程的复杂性及其原因提醒我们，森林破碎化研究应具有针对性和局部性。提供精确的森林分布数据和透彻了解森林景观动态驱动因素，包括土地政策、气候变化和国际贸易，是研究森林破碎化的模式、原因、生态后果和应对策略的必要条件。此外，应当指出，使用双时相森林覆盖率数据也使得无法充分评估连续动态，特别是在亚热带林业或潮湿热带轮作的某些地区。因此，在检测森林破碎动态的原因时，应进行更全面的分析，考虑特定的物种特征、植被类型和多时相森林覆盖数据。这些分析也构成了将森林破碎化模式和原因评估应用于生物多样性保护和碳循环反馈机制的基础。
通过将景观变化与破碎化的多重特征相结合，我们的方法克服了仅考虑破碎的静态状态而不是动态变化的问题，从而提高了我们对全球森林破碎化模式的理解，也更有效地反映了森林景观变化的现实，对及时制定和调整相关政策具有重要意义。
此外，在森林面积最大的10个国家中，大多数国家的森林状况为负数，这表明近年来农业用地扩张、木材采伐和森林火灾干扰显著，其他干扰总体增加。这些变化导致森林面积进一步丧失，破碎化加剧，生态系统功能退化。然而，ΔFFI和ΔFC在国家范围内之间的显著负相关关系表明，旨在增加森林面积的努力在减少支离破碎方面仍然有效。有针对性的造林和保护措施是防止全球支离破碎情况进一步恶化的重要办法。我们的研究结果强调，需要将对森林砍伐和碎片化动态的理解纳入这些国家的决策过程，以尽量减少对重要森林生态系统的不可逆转的损害，并将发展方向转向可持续性。

原文：Ma, J., Li, J., Wu, W., Liu, J. Global forest fragmentation change from 2000 to 2020. Nat. Commun. 2023, 14: 3752. https://doi.org/10.1038/s41467-023-39221-x
期刊：Nature communications/综合性期刊一区/IF2022=16.6

编译：侯蒙京，兰州大学草学博士，研究方向为草地资源遥感与GIS。
排版：王楚怡
统筹：王新宇
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