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科研人员支招如何实现“青山”、“绿水”、“降温”的共赢

来源: 时间:2021-06-21

  近期,广东省科学院广州地理研究所苏泳娴研究员团队联合中山大学、华南农业大学和南京信息工程大学的科研人员,发现了森林“保耗水”和“增降温”效应的关联机制,相关系列成果发表在农林、环境以及水文领域权威期刊 Journal of Hydrology、Agricultural and Forest Meteorology和Environment International上。该研究成果对于进一步科学合理的引导植树造林,最终实现“绿水”、“青山”、“降温”共赢,具有重要的理论引导意义。

   

  导读

  中国有两句有关森林的谚语俗语“青山常在,绿水长流”和“大树底下好乘凉”为大家大家熟知。从字面上大家很容易理解,“青山常在,绿水长流”是指“有植被覆盖的山,常年有清水流出”,“大树底下好乘凉”则是指“树越大、越浓密,树底下就越凉快”。

课题组在新丰江水库开展森林水资源野外调研时无人机拍摄的照片

  然而这两句谚语俗语蕴含着两个重要的森林生态系统方面的科知识题:(1)一方面,研究表明,植树造林在某些地区会显著减少水资源,但在部分地区对水资源的负作用并不显著,甚至有利于水源涵养。那么,为什么不同地区植树造林会带来不同的水资源效应呢?即森林“保耗水”问题。(2)另一方面,研究发现,森林在某些地区会显著降低内部温度,但在部分地区林内温度会高于外部温度,那么,为什么不同地区的森林会带来不同的局地温度效应呢?即森林“增降温”问题。

  十八大以来习大大总书记反复强调“绿水青山”,联合国于2017年通过首部全球森林发展战略《联合国森林战略规划(2017-2030年)》,林业被赋予前所未有的新使命。因此厘清森林“保耗水”和森林“增降温”的地理空间分布特征,揭示这些现象背后的影响机制,对引导“在对的地方干对的事情”,实现森林功能的最优化提供有力的理论支撑。

  思路来源

  基于生物物理机制模型的森林热环境效应研究,详细揭示了地表反照率、显热通量、潜热通量(蒸散)等相关生物物理因素对森林热效应的影响。然而关于森林水资源效应研究,大多基于Budyko简易水热框架的蒸散发公式,缺少详细的森林生物物理过程描述,使得影响森林水资源空间分布规律的生物物理机制解析不足。

  基于此,研究团队提出如下科学假设:森林“保耗水”和“增降温”的本质是同一个生态学机制,是生物物理过程在水效应和热效应上的不同体现。因此研究团队突破现有研究水热效应分割的现状,通过生物物理过程将森林水热效应耦合,揭示森林“保耗水”和“增降温”之间的神秘关系。

  正文先容

  研究团队首先对森林辐射传输方程进行改进(详见Su等,2019),引入林内空气层,将森林覆盖的地表拆分成森林冠层和林下土壤层,然后分别构建了冠层的辐射传输平衡方程和土壤层辐射传输平衡方程,然后将两者叠加,构建了森林覆盖地表的三层能量辐射传输方程。该辐射传输方程能将林内气温和林下土壤温度拆分出来,为分别研究生物物理过程对气温和土壤温度的作用提供了技术支撑。基于该三层能量辐射传输理论,研究团队进一步耦合水量平衡方程,从理论上将造林引起的径流系数变化与森林生物物理过程关联起来(公式1,Chen等,2021)。研究团队在全球搜集了12个配对站点的林内外气温、土壤表层温度和径流系数进行了精度验证(RMSE= 0.02 mm mm-1 yr-1)(图1)。

  

  

  

  

  

  

  

  编辑观点

  森林“保耗水”和“增降温”的本质是同一生态知识题,是森林生物物理过程在水效应和热效应上的不同体现。非潜热通量(显热、长波辐射等)和潜热通量等森林生物物理过程的权衡关系是决定“保水”还是“耗水”、“增温”还是“降温”的主要原因,气候因子则起到调节该效应显著程度的作用。该研究成果对于进一步科学合理的引导植树造林,最终实现“绿水”、“青山”、“降温”共赢,具有重要的意义。例如,低纬度热带亚热带地区具有比较湿润的气候条件,植树造林对其地区水资源的作用不显著。高纬度森林呈现较强的增温现象,从其表征的热环境效应推断,高纬地区造林对水资源的负面效应也不显著。中纬度干旱半干旱地区,造林可能对地区水资源产生显著的负面影响。

  研究得到国家自然科学基金面上项目《林内能量平衡过程重塑及森林对气温和地温的生物物理反馈拆分研究》、科技部《中法杰出青年交流项目》、广东省自然科学基金项目《广东省森林垂直结构截留和水化学输出规律及其对酸雨的缓解能力评估》、广东省科技厅国际科技合作项目《绿地生态系统服务功能、低碳城市及可持续发展》以及广东省科学院广州地理研究所“卓越人才计划”等项目的联合资助。

  相关文章列表:

  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.

(省科学院地理所 苏泳娴/供稿 苏泳娴 唐光良/供图)

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