热带森林微气候减缓并改变气候速度方向：三维植被结构提供的局域避难所

《Nature Climate Change》：Microclimates slow and alter the direction of climate velocities in tropical forests

　　本研究针对物种难以追踪宏观气候变化的困境，通过机制性微气候模型结合三维植被结构数据，首次量化了热带山地森林中微气候异质性对气候速度（气候等温线移动速率）的影响。研究发现，林下最大温度气候速度比自由空气速度降低一半，且方向常指向植被密集区；林冠层速度近乎为零，方向垂直向下。该结果揭示了复杂森林结构通过形成微气候避难所提升物种短期存续能力，为气候变化韧性预测及森林保护提供了关键科学依据。

　　

随着全球变暖的持续，许多物种正被迫向更高纬度或海拔迁移以追踪适宜的气候条件，这一过程的速度和方向可用“气候速度”（climate velocity）来衡量。然而，传统的气候速度估算通常基于大尺度的自由空气温度数据，忽略了植被冠层所产生的微气候缓冲效应。在热带森林中，茂密且结构复杂的植被能否为物种提供躲避高温的局部避难所？物种是否必须长距离迁移，还是可以通过短距离移动或在垂直空间上调整位置来应对气候变化？这些问题对于预测生物多样性在气候变化下的命运至关重要。

为解答这些问题，由剑桥大学领衔的研究团队在《Nature Climate Change》上发表了一项创新性研究。该研究以特立尼达北部山区热带森林为研究对象，首次将气候速度的计算从二维地表扩展到三维林冠空间，系统揭示了微气候异质性如何显著减缓并改变温度等温线的移动轨迹。研究结果表明，忽视植被的微气候调节作用会严重高估物种所需的迁移速度，而保护结构复杂的森林对于提供微气候避难所、延缓物种灭绝具有关键意义。

研究人员综合运用了几项关键技术方法：首先，利用机载激光雷达（LiDAR）扫描数据构建高分辨率数字高程模型（DEM）、冠层高度模型（CHM）和植物面积密度三维图，以精确刻画地形和植被结构。其次，结合ERA5再分析宏观气候数据，通过机制性微气候模型（采用R包microclimf）模拟1960年和2015年最热月最高温和最冷月最低温在地表（距地2米）和林冠内（以5米为间隔）的微气候条件，空间分辨率涵盖1公里、100米和20米。最后，将气候速度算法拓展至三维空间，计算了不同空间尺度下地表和林冠内的微气候速度，量化了物种为追踪气候变暖所需移动的局部距离和方向。

局部森林结构降低气候速度

在考虑植被对微气候的影响后，最大温度的气候速度幅度在不同空间尺度上均显著降低。这种降低主要源于空间气候梯度（即单位距离内的温度变化）的增强，而非时间变化率的减小。具体而言，地表中位最大温度速度在1公里分辨率下比自由空气速度慢1.6倍，在100米分辨率下慢2倍。更为显著的是，三维林冠内的微气候速度中位数在1公里分辨率下比自由空气速度慢161.3倍，在100米分辨率下慢52倍。这意味着55年间，等温线移动距离从自由空气估算的4.2公里大幅缩短至林冠内的仅15米。最低温度也表现出类似规律。

气候估算的粒度效应

空间分辨率对气候速度的估算有重要影响。在较粗的空间尺度（如1公里），微气候异质性被平均化，导致空间梯度减小，因而气候速度较高（中位数为48.4米/年）。而在精细尺度（20米分辨率），能够检测到植被结构复杂性带来的微气候变异，地表速度中位数仅为3.4米/年。值得注意的是，在三维林冠内，由于垂直温度梯度的存在，微气候异质性极高，超过99%的气候速度低于1米/年，空间粒度的影响几乎消失。

局部森林结构改变气候速度方向

传统观点认为物种会向高海拔（上坡）迁移以追踪变暖。本研究却发现，自由空气速度确实指向上坡方向，但地表微气候速度的最大温度方向不仅与上坡方向呈正相关，还与植被更密集的方向呈正相关。在20米分辨率下，最大温度速度甚至表现出与上坡方向的负相关，表明密集植被可能逆转范围移动的方向，为物种提供了水平方向的避难所。相比之下，最低温度速度在精细尺度下指向植被更稀疏的区域，这可能与林下最低温度通常高于自由空气条件有关。

三维速度揭示树栖物种的避难所

研究最引人注目的发现在于三维气候速度的方向。对于最大温度，超过88%的三维速度向量在不同空间尺度上均指向垂直向下（朝向地面），而非水平方向上的高海拔或密植被区。这意味着树栖物种（如树蛙）可能通过向下移动至较凉爽的林下层来应对变暖，而不必进行长距离的水平迁移。不过，这种垂直重分布受限于资源（如光照、食物）和物种间的相互作用，并非所有物种都能利用。

迈向对微气候速度的普遍理解

本研究通过整合精细尺度的生境异质性，揭示了植被复杂度如何产生局部的微气候避难所（microrefugia），使物种能够在变暖条件下短期存续。微气候速度不仅减缓，其方向也呈现出多维特性：最大温度速度常指向密集植被或地面，最低温度速度则可能指向稀疏植被。这凸显了在气候变化下理解物种重新分布的多维动态至关重要。

然而，森林植被覆盖的持续减少（如砍伐、干旱、火灾）可能会削弱冠层的缓冲能力，从而增加微气候速度并均质化微环境。因此，维持和恢复结构复杂的森林对于降低微气候速度、提供替代性的气候 niche 维持途径至关重要。这项研究不仅深化了对热带森林生态系统响应气候变化的机制理解，也为制定基于自然的气候变化适应策略提供了科学基础。