森林也斑秃？那该怎么治？丨大气悟理

　　编者按：看寒来暑往云卷云舒，思古往今来气候变迁，中科院之声与中国科学院大气物理研究所联合开设＂大气悟理＂，为大家介绍大气里发生的有趣故事，介绍一些与天气、气候和环境相关的知识。
　　当一个人压力大，精神紧张，焦虑失眠的时候，有可能会发生局部的脱发，这在医学上被称作斑秃。而对一个茂密的森林来说，会因为人类的乱砍乱伐和城市化进程加剧，使其逐步变得破碎化，这时森林中的一片又一片荒地，就像是地球头上一块又一块的＂斑秃＂（图1）。而这样的＂斑秃＂不仅仅会影响地球的＂颜值＂，更重要的是还会改变当地的小气候，严重威胁区域的生物多样性。
　　图1 森林景观的破碎化（图片来自网络）
　　景观生态破碎化的危害不容小觑
　　森林的这种＂斑秃＂现象，有一个专门的学术名词来描述它：景观连通性降低。它的降低是伴随着人类大规模的迁徙、以及生产活动而开始的。最早追溯到刀耕火种的时期，人类还不懂得如何使用肥料，于是会在森林中放火，不但可以为耕作留出一片空地，而且燃烧过后的草木灰也是极好的养料。但后果就是每次开垦一片耕地就需要毁掉一小片森林。
　　到了现代，人类的生产生活则需要消耗更多的木材，外卖中使用的一次性筷子，书本等都需要大量的木材来生产。工厂、房屋、道路都要挤占森林原有的空间，森林的破碎化问题就更加的严重了。根据最新的数据表明，地球75%以上的陆地表面已经被人类改变。并且由于人口压力，以及农业的扩张，约有40%的陆地生态系统已经变成了农业景观。
　　而连通性下降带来的危害如同多米诺骨牌一般。要说清楚这件事情我们必须要搞懂边缘林和核心林的概念。首先，我们将森林的边缘与其他陆地景观，诸如农田，道路接触的部分称之为边缘林，而与之相对的概念就是核心林，即四周完全被其他的边缘林所包围，且面积大于1平方公里的森林景观。
　　从缓冲气候变化的角度来说，核心林比边缘林气候缓冲能力更强，而且核心林的规模越大对气候的缓冲能力越强。这表现在：核心林能够有效地维持低纬度地区的日最高温度和较高纬度地区的日最低温度。同时，核心林能够保持较低的温度日较差和季节差异，而边缘林显然在这些方面的能力要弱于核心林。所以，森林景观的破碎化会严重影响到局地的气候。
　　而从生物多样性的角度不难想到，如果边缘林过多，会严重地影响动物的迁徙和交配，如刺猬，松鼠等动物不会穿过公路，影响花的授粉，种子的传播，使得动植物的多样性减少，最终生态系统变得更加脆弱，难以适应环境的变化。图2中从上至下就描述了森林景观在破碎化的演变过程：生物多样性减少，边缘林增多，核心林减少。
　　图2 陆地景观破碎化及其相应的生物多样性等演变过程（图片来源：《2018/19前沿报告-全球环境的新兴问题》）
　　当然，也有不少创新的举措能减少边缘林带来的危害，比如位于北京的奥林匹克森林公园，通过在园区的南北两园中间建设了一条生态廊道桥，跨越了分割两园的高速公路，为两园的动物通行提供通道，这样能很好地减缓由于景观破碎化导致的物种灭绝（图3）。不过，这种措施只是起到缓解作用，而接下来要介绍的国家生态工程，才是拯救森林的＂斑秃＂的唯一办法。
　　图3 奥林匹克森林公园里跨越高速公路的生态廊道桥（图片来源：浅探奥森生态工法，寻生态演变——THAD6清华大学建筑设计六分院）
　　国家生态工程如何拯救森林的＂斑秃＂问题
　　早在21世纪初，为了能够让破碎的森林景观尽快恢复，中国就启动了两大生态建设项目——天然林保护工程和退耕还林工程。根据中国第九次森林资源清查报告（2014–2018年），中国森林覆盖率从1980年代初约12%增加到2018年的约23%，增幅为11%左右。
　　然而，目前尚不清楚这两项国家生态工程在多大程度上提高了景观生态连通性，改变了森林栖息地的空间分布，从而调节了局地的气候。最近，中国科学院大气物理研究所的团队回答了这个问题，相关成果以Reforestation enhanced landscape connectivity for thermal buffering in China为题，发表在了Environmental Research Letters上。
　　图4 (a) 使用MSPA识别核心林和边缘林。NF、MF 和 CF 分别表示非森林、边缘林和核心林。(b) 2018年CF、MF 和农田 (CRO) 的空间分布。(c) 2018与2003年森林的空间变化。(d) 2003-2018年CF面积变化。(e) 2003-2018年CF和MF面积变化。
　　研究团队基于近20年的多种来源的卫星观测数据，从卫星图像中识别出了造林后核心林和边缘林分布的区域和范围。研究发现，中国启动的大规模生态工程在2003–2018年间共增加了16.95万km2，其主要的造林方式是填补孤立的森林之间的间隙，这样的做法有效地提高了森林景观的连通性，从而增加了核心林的面积（图4）。而大面积的核心林（>100km2）的热缓冲能力是小面积森林（ 10km2）的两倍以上。虽然边缘林的对气候的缓冲能力不如核心林，但近20年来，边缘林对中国森林面积增加的贡献率约为73%，它的存在也为核心林创造了缓冲带，从而降低了其他景观对森林景观的干扰，有助于维持森林生态系统的内部稳定。而且考虑到树木的生长需要时间，这些边缘林未来有很大的潜力成长为核心林，发挥更大的作用。
　　研究最后也强调，在当前的生态工程下，通过提高森林景观的完整性和连通性可以进一步提高森林对气候变化的缓冲潜力，从而为野生动植物在气候变化下的生存提供更加适宜的栖息地。
　　从上面的数据不难看出，中国近20年的造林政策能够很有效地拯救森林的＂斑秃＂问题，这两项工程具有减缓气候变化和保护生物多样性的双重意义。
　　参考文献：
　　1. Venter, O., Sanderson, E.W., Magrach, A., Allan, J.R., Beher, J., Jones, K.R. et al. (2016). Sixteen years of change in the global terrestrial human footprint and implications for biopersity conservation. Nature Communications 7, 12558. https://doi.org/10.1038/ncomms12558
　　2. Barnosky, A.D., Hadly, E.A., Bascompte, J., Berlow, E.L., Brown, J.H., Fortelius, M. et al. (2012). Approaching a state shift in Earth’s biosphere. Nature 486(7401), 52. https://doi.org/10.1038/nature11018
　　3. http://www.clear.uconn.edu/projects/landscape/v2/forestfrag/measuring/core_explained.htm
　　4. Huang, A., Shen, R., Jia, G., & Xu*, X. (2021). Reforestation enhanced landscape connectivity for thermal buffering in China. Environmental Research Letters, 17, 014056.