在热带地区,很大一部分降水来自森林蒸散释放的再循环水汽:据估算,亚马逊地区降水约有一半源自于热带雨林蒸散的水汽供应。因此,热带地区森林的砍伐通常会导致区域降水减少。例如,Snyderetal.(2004)报道,当森林被裸地取代后,热带年降水量可减少30%以上。

Bathianyetal.(2010)预测,在局地森林砍伐情景下,不同次大陆热带地区降水的减少幅度约为10%,但亚马逊流域中部年降水减少量可达到25%左右。草地也是全球分布最为广泛的植被类型之一,覆盖了地球表面22%的无冰土地。尽管草地对于自然生态系统和人类社会至关重要,但极易受到人类活动的干扰。

草地退化是土地荒漠化的主要表现形式之一。Charney(1975)最早发现萨赫勒地区的荒漠化会增加下沉运动并削弱季风降水,这反过来又可能加剧当地干旱,导致植被进一步退化,从而形成植被退化与干旱的正反馈机制,使得干旱发展并维持。

后续相关模式研究表明,这种机制甚至可能是导致全新世中期撒哈拉沙漠从热带稀树草原向沙漠快速过渡的重要原因。然而,Rotenberg和Yakir(2010)的研究认为,过去几十年半干旱区的荒漠化在地球表面造成了气温的负强迫,相当于同期全球人为温室效应的20%左右,从而缓和了潜在的全球变暖趋势。

植被恢复通常被认为是改善生态环境和缓解气候变化的一种可行性策略,其中植树造林是人工植被恢复的主要方式之一。大多研究表明,与森林砍伐的物理机制相反,造林通过降低地表反照率从而在高纬度地区产生增温效应,而水汽增加导致的温室效应会进一步加剧增温;但在热带地区,造林则具有降温作用并有助于减缓气候变暖。

但温带造林的影响同样尚不明确,可能是增温,也可能是降温,或者影响不大。此外,区域水分条件也会对造林产生的气候效应有所影响,干旱区的造林通常由于土壤水分不足导致蒸散增加产生的降温不足以弥补反照率增加造成的增温从而产生净增温效应;相反,湿润区会产生净降温效应。

造林在影响区域气温的同时,通常还会引起区域降水的改变。一些研究者对非洲萨赫勒和澳大利亚北部等半干旱地区的研究发现造林引起了的降水增加。但植树造林与森林砍伐对降水产生的影响可能不并不对等,如有研究指出,热带地区完全造林导致的降水绝对变化可能远小于完全森林砍伐产生的影响。

此外,造林也可能通过大气环流对地表能量和水分的再分配作用,对非造林区的降水产生影响。例如,Swannetal.(2012)的研究发现,北半球中纬度地区的大规模造林改变了环流和降水模式,从而导致亚马逊部分地区的降水减少以及非洲北部部分地区的降水增加。以上研究均是针对与土地利用/覆盖变化有关的植被变化对气候的影响。

然而,除了植被覆盖类型的转变,植被覆盖度和叶面积指数等地表植被特征参数的变化也会通过改变地表能量分配和水分循环对气候变化产生重要影响。

基于卫星观测资料(如NDVI和LAI数据产品)的研究表明,过去三十多年来,全球范围内呈现出植被变绿趋势,尤其是北半球中高纬度(25N)地区,反映出植被覆盖和生产力的增加。

植被的这一变化改变了陆地与大气之间的生物地球物理过程,并影响了区域和更大尺度的气候系统(Piaoetal.,2020)。根据卫星观测发现,全球广泛的植被变绿促进了北高纬度地区的变暖和干旱地区的降温。

最近的全球气候模式评估显示,1982-2011年间,全球植被变绿已经使全球陆地气温的上升速度降低了0.09±0.02℃,但植被变化产生的气温效应存在明显的区域性差异,如在北欧亚大陆、欧洲、印度、亚马逊西北部以及萨赫勒地区出现降温效应,而北美东部和东亚部分地区的气温却没有因植被变绿而发生明显变化。

此外,植被变绿使全球降水增加了12.1±2.7mmyr-1,这种降水反馈解释了全球降水观测值增加的28%±6%,而且降水反馈也具有区域性差异,在湿润地区,蒸散增加促进了降水的增加,但在某些干旱地区,由于土壤水分供应有限,植被变绿并未能通过增加蒸散对降水产生明显影响(Zengetal.,2018)。

过去几十年,我国植被发生了剧烈的变化,其中以荒漠化现象尤为突出。据报道,从上世纪50年代到1975年间,我国北方荒漠化土地面积以每年1560km2的速度发生扩张,而在1987-2000年间,其速度增至每年3600km2(Zhangetal.,2005)。

荒漠化对我国气候产生了重大影响,现有研究主要集中在草地退化对北方气候变化的影响上。Xue(1996)首先利用大气环流模式进行理想化模拟试验,发现内蒙古草原荒漠化对气候具有显著影响,后续一些类似研究也认同Xue的观点,并且普遍认为我国干旱半干旱地区草地退化将导致气温升高和降水减少。

柳媛普和吕世华(2007)还发现,草地退化会引起气温的昼夜不对称变化,使白天温度升高、夜间温度降低。此外,有研究估算了未来草地退化对气候变化的潜在影响,Lietal.(2013)预测我国西北过度放牧地区未来三十年的草地退化将会使夏季升温0.4-1.2℃,降水减少4-20mm;而使冬季降温约0.2℃,降水减少0-12mm。

为了解决日益严重的生态环境问题以及改善受损的生态系统,自上世纪八九十年代起,我国启动了一系列生态恢复工程,加之气候变化、CO2浓度增加、氮沉降等因素的共同影响,近三十年来我国大部分地区经历了显著的地表植被变绿趋势(Piaoetal.,2015)。由此对气候产生的影响也引起了研究者的注意。

Geetal.(2019)基于卫星观测数据的研究表明,我国造林会对地表温度产生净降温效应。其他一些基于模拟的研究认为,我国大规模植被变绿对气温的影响具有明显的区域性差异,在华北部分地区产生降温效应,但在西南部分地区却引起了升温。

黄土高原是我国植被恢复和生态建设的重点区域,大多数基于观测和数值模拟的研究均认为黄土高原地区的植被恢复产生了区域整体的降温效应,但也有研究指出降温效应主要集中在黄土高原半湿润和半干旱区,而干旱区的植被恢复会引起增温(Jinetal.,2020)。

同样,我国植被变绿对于降水的影响也有明显的区域性差异,并且不同模拟研究之间还存在一定的分歧。例如,Lietal.(2020)的研究表明,造林和植被变绿导致我国华北部分地区和东南地区的降水增加,而Yuetal.(2020a)的研究却得出了与Lietal.不同的区域降水响应,认为植被变绿使黄淮海平原和黄土高原北部降水增加,但南方地区降水普遍减少。

此外,由于干旱半干旱地区水资源有限,因此科研人员更加关注该地区植被恢复所产生的降水反馈。其中黄土高原是相关研究中的重点区域,但现有研究结论仍具有较大的争议。

部分模拟研究强调植被恢复会增加黄土高原地区的降水,但也有研究认为植被恢复对降水的影响不大(Geetal.,2020),还有研究显示降水的响应会表现出较大的空间变异性(Caoetal.,2019)。Yuetal.(2020a)指出,植被恢复会增加黄土高原北部地区的降水,但对黄土高原南部等干旱半干旱地区的降水影响不明显。

以上研究结果的不一致表明,我国干旱半干旱地区植被恢复对气候的影响仍存在很大的不确定性。一个地区的水分平衡受到降水,蒸散,径流和土壤水分的共同调控(Bonan,2015)。关于植被变化对区域水分平衡的影响较早之前就得到了一定的关注,例如,由于蒸散需求的增加,温带地区造林往往造成了土壤水分和径流的减少。

考虑到干旱半干旱等水资源受限地区(如黄土高原)植被较为脆弱并且高度依赖水分的可利用性(Fuetal.,2017),因此该地区植被变化对水分平衡的影响尤为关键。

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