2024年陈镜明院士团队代表性成果总结
前言
陈镜明院士团队（亚热带生态系统与大气团队STEAR）主要围绕亚热带森林生态系统的碳水循环及其对大气成分影响开展研究工作，包括利用无人机和卫星遥感及其碳循环和大气模型计算区域和全球的碳水循环和气候变化的影响，在卫星和无人机遥感、区域和全球碳循环、大气臭氧和气溶胶浓度变化机理等领域的研究。
在学校和学院的大力支持下，经过全体团队成员的共同努力，2024年获批国家自然科学基金杰青项目1项、面上项目2项、青年项目1项，获批建设第二批福建省野外科学观测研究站“上杭山地森林碳汇福建省野外科学观测研究站”，发表Nature Communications、Science Bulletin等学术期刊论文40多篇。
十大代表性成果介绍
成果一：天气过程导致平流层入侵对地面臭氧的影响
对流层臭氧（O3）是大气污染物之一，主要来源为对流层内O3前体物的光化学反应，而通过平流层入侵过程输送的O3在对流层O3中也占有相当的比例，大约在5%–15%之间，但是这些平流层O3有多少能够最终到达近地面，目前研究甚少，因此来自平流层O3这一天然源在地面O3污染中的作用和传输机理尚不明确。本研究阐述了典型强天气过程中平流层空气团下沉到地面（简称SITS）的传输路径和对大气成分的影响，并基于地面观测资料构建了SITS识别算法，首次量化了我国近地面O3污染中来自平流层O3天然源的贡献。近年来，我国O3浓度呈现增加趋势，这些研究将为O3污染问题中气象因素的贡献（如平流层入侵）以及沙尘暴过程中空气质量变化提供新的视角。
Chen, Z., Liu, J.*, Qie, X.*, et al. Stratospheric influence on surface ozone pollution in China[J], Nature Communications, 2024.
Chen, Z., Liu, J.*, Qie, X.*, et al. Concurrence of high dust aerosol and stratosphere-intruded ozone pollution in super sandstorms[J], Science Bulletin, 2024.
成果二：叶片光合能力数据集对陆地总初级生产力估算的影响评估
最大羧化速率（Vcmax25）是陆地生物圈模型中模拟碳循环的关键参数。近年来，利用实地测量、生态最优理论（EOT）、叶片叶绿素含量（LCC）经验关系、以及同化太阳诱导叶绿素荧光（SIF）等不同的手段，多个全球Vcmax25数据集被生产出来。由于Vcmax25地面观测的局限性，直接验证这些数据集不确定性很大本研究通过使用BEPS生态过程模型，在点尺度和全球尺度间接评估四种Vcmax25 数据集对总初级生产力（GPP）模拟精度的影响。结果表明，与基于植被功能型（PFT）固定的Vcmax25相比，结合SIF和LCC（SIF+LCC）或单独使用LCC推导的Vcmax25数据显著减少了年总GPP模拟误差，在196个FLUXNET2015站点中，平均绝对偏差减少了23.2%–25.1%。不同植被类型（常绿针叶林、落叶阔叶林、灌丛、草地、农田）的日GPP绝对偏差减少了7.8%–27.6%，尤其在植被生长的非高峰期误差显著降低；而基于EOT Vcmax25模拟的年总GPP误差略有增加（2.2%），主要源于对常绿阔叶林的显著高估和对农田的低估。基于SIF+LCC或LCC推导的Vcmax25模拟的GPP与FLUXCOM和GOSIF产品更一致（R2=0.91–0.93，RMSE=314.2–376.6 g C m−2yr−1）。本研究强调了准确表征Vcmax25 的时空变化对于提高全球植被生产力模拟精度的重要性，这对改进碳循环模型和理解气候-植被相互作用具有重要意义。
Xu, M., Chen, J.M., Liu, Y.H., et al. Comparative assessment of leaf photosynthetic capacity datasets for estimating terrestrial gross primary productivity[J]. Science of The Total Environment, 2024, 926.
成果三：湿润条件增加了横断山脉南部泥石流的风险：来自树木年轮蓝光强度和历史文献的证据
横断山区是印度夏季风和太平洋大气过程的敏感区域，其水文气候对当地及下游的农业和生态有强烈的影响。横断山北部已有大量树木年代学研究用以了解该地区水文气候历史。在这项研究中，我们收集了横断山南部的树木年轮，并使用树木年轮早晚材宽度以及蓝光强度生成了可靠的年表。利用早材蓝光强度重建了1745 - 2017年区域春夏(2 - 7月)自校准Palmer干旱严重指数(scPDSI)。结合历史文献对我们的重建进行评估表明湿润期发生在1790s–1810s和1980s–2000s，而干旱期发生在1910s–1920s和2000–2020s。厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)通过遥相关对区域水文气候有强烈的调制作用。此外，春夏降水异常与泥石流的发生有关。研究结果表明，区域极端降水的预期增加可能会增加横断山区未来地貌活动和物质运动的风险，从而为气候变化背景下的灾害预防和管理提供重要见解。
Zhou Q., Fang K., Zhou F., et al. Pluvial conditions increased the risk of debris flows over the southern Hengduan Mountains: Evidence from tree-ring blue intensity and historical documents[J]. Catena, 2025, 249: 108690.
成果四：印度夏季风驱动青藏高原及其周边地区年代际水文气候同步变化
印度夏季季风 (ISM) 与干旱气候之间的年代际关系（10-100 年）对于理解亚洲水文气候动态至关重要。尽管在青藏高原及其周边的季风区和干旱区进行了广泛的树轮气候重建，但年代际尺度上的ISM与干旱气候之间的相关性仍存在争议。在这项研究中，我们利用青藏高原周围242个水分敏感型样点构建了树木年轮网络，建立了青藏高原南部和北部三个地区的复合年表，揭示了比使用传统方法确定的更明显的年代际波动。这些对水分敏感的复合年表在1517年至2003年的共同周期内显示出年代际时间尺度的同步变化，包括最严重的干旱。青藏高原周边水文气候变化在年代际尺度上与ISM主导的喜马拉雅地区相关性最强，表明ISM驱动的同步变化。此外，同步年代际水文气候变化与太阳辐照度呈正相关。值得注意的是，最干燥的时期恰逢太阳活动最强烈的蒙德极小期（~1645-1715）和道尔顿极小期（~1790-1830），进一步强调了太阳活动对区域水文气候条件的影响。
Fang K., Mei Z., Wu H., et al. Indian summer monsoon drives synchronous interdecadal hydroclimate changes in the Tibetan Plateau and surroundings[J]. Global and Planetary Change, 2024, 234: 104379.
成果五：中国东南部和孟加拉春季同步降水：印度夏季风的潜在指标？
中国东南部和孟加拉的春季降水发生在冬夏季风过渡阶段，是了解大规模环流和随后夏季季风动态的关键窗口。尽管许多研究分析了中国东南部和孟加拉的春季降水，但它们之间的相互关系和对夏季风的影响仍然相对不足。我们利用春季降水的经验正交函数揭示了中国东南部和孟加拉的春季降水（SSP）同步变化。这种同步性是由从孟加拉延伸到中国东南部的东亚副热带急流（EASJ）架起的。EASJ在1990s之前主要与中国东南部的降水相关，而在1990s之后与孟加拉的降水有更深刻的联系。值得注意的是，SSP异常发生在厄尔尼诺南方涛动（ENSO）的发展阶段。在SSP-ENSO相关性增强和北太平洋经向模态正相位期间，SSP对印度夏季风 (ISM) 的预测能力会增强。过去两个世纪基于树木年轮的重建进一步证实了SSP、ISM和ENSO之间的持久联系。我们的研究揭示了这些因素错综复杂的相互作用及其对于理解和预测该地区季风动态的重要性。
Fang K., Zhou F., Wu H., et al. Synchronous spring precipitation in Southeastern China and Bengal: a potential indicator for the Indian summer monsoon? [J]. Environmental Research Letters, 2024, 19(10): 104008.
成果六：夏季高温导致黄山松在湿润亚热带南缘衰退
变暖引起的干旱导致许多水资源受限的干旱区森林减少和死亡，然而中国湿润亚热带戴云山赤道后缘的黄山松也出现枯死和衰退，但热或干旱胁迫所起的作用仍不清楚。本研究比较了枯死树木和健康树木的年轮径向宽度、解剖特征、稳定碳同位素（δ13C）和内在水分利用效率（iWUE），以阐明导致树木衰退的潜在原因。近十年来，枯死的树木表现出持续的生长减少，并产生细胞壁更薄的管胞，表明碳同化减少。气候响应模式Vaganov-Shashkin (V-S) 模型表明夏季（6月至8月）温度在近期生长下降中发挥着关键作用。枯死树木的木材δ13C和 iWUE长期较高，表明实际生长衰退早在几十年前就已经开始了。这种保守的生长策略是以长期气孔关闭导致光合作用效率低下为代价的。当致命的热浪到来时，这些虚弱的树木无法获得足够的碳水化合物来维持新陈代谢，导致树木明显衰退和死亡。结果表明近期黄山松的衰退主要是由长期的碳缺乏造成的。
Zhou F., Dong Z., Fang K., et al. Summer heat induced the decline of Pinus taiwanensis forests at its southern limit in humid Subtropical China[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2024, 350: 109974.
成果七：蒙古高原不同植被类型的物候对生长季前的干旱和土壤温度的响应
干旱和高温通过改变植被物候对植被产生造成扰动，从而改变陆地生态系统的韧性。现有针对蒙古高原的研究主要集中在生长季开始（SOS）和结束的时间（EOS）对干旱和高温的响应。然而，对二者在不同植被类型的复合影响研究甚少。在本研究中，我们基于34年（1982-2015）的GIMMS（Global Inventory Modeling and Mapping Studies）数据计算NDVI，并基于NDVI估算出SOS和EOS。分析结果表明：过去34年间，草地和戈壁沙漠的SOS提前得最快，森林的SOS提前得最慢。反之，农田的SOS却滞后了。所有四种土地覆盖类型的EOS均提前了，戈壁的提前速度最快，森林的最慢。为了分析造成这些结果的原因，我们利用PDSI（Palmer Drought Severity Index）和土壤温度作为干旱和高温的指针，分析了SOS和EOS对这两个环境因子的响应。研究发现：对所有土地覆盖类型，SOS的提前均是由于干旱程度的降低。而EOS则不同，干旱越严重，农田、草地和森林的EOS会推迟，而戈壁沙漠的EOS则会提前。与日平均、最高和最低土壤温度相比，每日最高和最低土壤温差（DSTR, diurnal soil temperature range）更加适合用于表征SOS和EOS对土壤温度的响应。对所有四种植被覆盖类型，SOS与DSTR有很强的负相关，即每日最高和最低土壤温差越大，SOS会越提前。然而，只有在戈壁沙漠，EOS才与DSTR呈负相关关系。研究表明，蒙古高原植被物候受SOS和EOS与DSTR之间的负相关主导，其次受到干旱和土壤温度的复合影响。
Li, B., Wang, R., & Chen, J.M. Responses of phenology to preseason drought and soil temperature for different land cover types on the Mongolian Plateau[J]. Science of the total environment, 2024, 171895.
成果八：中国森林生长曲线的构建
森林净初级生产力（NPP）代表从大气中获得的净碳，随森林年龄的变化而显著变化。可靠的森林净初级生产力-年龄关系对于森林碳循环建模和预测至关重要。这些关系可以从森林清查或实地调查数据中得出，但尚不清楚哪种模型在模拟森林NPP随年龄变化方面最有效。在这里，我们的目标是根据3121个实地调查样本建立中国森林的NPP-年龄关系。五种模型，包括半经验数学（SEM）函数、二阶多项式（SDP）函数、对数（L）函数、Michaelis-Menten（M）函数和Γ函数，与现场数据进行了比较。比较结果表明，SEM和Γ函数的表现优于其他三个模型，但由于老年实地调查样本有限，在构建一些森林NPP-年龄曲线时，Γ函数在老年时期NPP急剧下降（几乎降至零），而SEM可以很好地捕捉到老年时期森林NPP的变化。考虑到目前可用的森林实地调查样本的整体表现，SEM被认为是最佳的NPP-年龄模型。中国六个地区五种森林类型的最终森林净初级生产力-年龄曲线可以通过使用中国基于过程的综合陆地生态系统碳（InTEC）模型来促进森林碳循环建模和未来预测，也可能对其他地区有用。
Li, P., Shang, R., Chen, J.M., et al. Evaluation of five models for constructing forest NPP–age relationships in China based on 3121 field survey samples[J]. Biogeosciences, 2024, 21, 625-639.
成果九：大气臭氧和颗粒物浓度变化机理及协同控制
臭氧（O3）和细颗粒物（PM2.5）是区域大气复合污染的主要污染物，对公众健康和生态环境构成了严重威胁。结合大气化学数值模拟和卫星遥感手段，探究大气臭氧和颗粒物浓度变化机理及协同控制方法，对于改善区域空气质量具有重要意义。研究发现：（1）在冬季典型天气形势下，PM2.5污染的区域来源和行业来源存在显著差异。以长三角地区为例，PM2.5的主要来源为工业和生活源排放，本地贡献占比约20-40%，来自北方地区的污染输送对该地区的影响可达20%以上。（2）在全球气候变化背景下，极端热浪的频率和强度持续增加。极端热浪往往会引发居民制冷和农业灌溉对电力需求的大幅增加，卫星观测的热浪期间污染物浓度升高可归因于电力需求上升导致的燃煤增多，而电厂上空前体物排放增多进一步加剧了静风天气条件下周边城市PM2.5和O3污染的恶化。但与非热浪期间相比，热浪期间PM2.5和O3的浓度增幅有所抑制。（3）以长三角地区PM2.5和O3协同控制研究为例，在春季“双高”污染期间，PM2.5的超标问题较O3更为严重，但PM2.5的人为源可控比例更高且对前体物减排的线性响应更显著，因此PM2.5管控力度更大，但其控制难度显著低于O3控制。在以区域大气污染物排放总量最大为目标函数的优化模型中，在不同空气质量目标和减排比例约束下，求解出的优化减排方案在分行业、分城市的污染物控制上表现出较大的差异，强调了大气环境容量的优化分配在空气质量管理中的重要性。
Shu, L., Wang, T., Liu, J., et al. Elucidating drivers of severe wintertime fine particulate matter pollution episodes in the Yangtze River Delta region of eastern China[J], Science of The Total Environment, 2024, 912, 169546.
Shu, L., Wang, T., Li, M., et al. Optimizing emission control strategies for mitigating PM2.5 and O3 pollution: A case study in the Yangtze River Delta region of eastern China[J], Atmospheric Environment, 2024, 319, 120288.
Liu, S. #,Shu, L. #, Zhu, L., et al. Underappreciated emission spikes from power plants during heatwaves observed from space: Case studies in India and China[J], Earth's Future, 2024, 12, e2023EF003937.
成果十：植被绿化与气候变化对武夷山地区总初级生产力的影响评估
近年来，植被绿化和气候变化对生态系统碳循环的影响引起了广泛关注。植被绿化通过提高叶面积指数（LAI）促进GPP增长，而气候变化，尤其是气温升高，则对GPP的年际波动和长期趋势产生影响。两者分别对区域生态系统总初级生产力的影响程度仍有待评估。
本研究评估了植被绿化和气候变化对武夷山地区陆地总初级生产力（GPP）的影响。基于水文生态模型（BEPS-TerrainLab V2.0），我们模拟重现了2001至2018年间该地区GPP的时空变化，并通过敏感性试验定量分离了植被绿化和气候变化对GPP趋势和年际变化的影响。结果表明，武夷山地区的叶面积指数（LAI）在2001至2018年间显著增加，年均增长0.06 m²/m²（p < 0.01）。气候方面，温度呈显著上升趋势，每年增加0.03°C（p = 0.06），而变湿的趋势则不显著，且年际变化较大。通过敏感性试验，我们发现植被绿化和气候变化的综合效应使得GPP在2001至2018年间显著增加，每年增加14.41 g C/m²（p < 0.01）。其中，植被绿化对GPP趋势的贡献为正值15.76 g C/m²，而气候变化的负贡献为-0.43 g C/m²，主要是由于温度升高。气候因素对GPP年际变化的调节作用显著，温度是最为重要的气候因子。研究表明，植被绿化在武夷山地区GPP趋势中的主导作用明显，而气候变化则主要影响GPP的年际波动，尤其是气温升高对植被生长的不利影响。本研究强调了植被绿化和气候变化对区域碳循环的深远影响，并为气候-植被相互作用和碳预算的理解提供了重要参考。
He, J., Yang, M.*, Liu, J., et al. Impacts of vegetation greening and climate change on trend and interannual variability in vegetation productivity in the Wuyi Mountain region[J]. Geo-spatial Information Science,2024,1-22.
2024年获批科研项目（部分）：
方克艳，国家自然科学基金杰出青年项目，树木年轮与气候系统内部变率，42425101，400万，主持
商 荣，国家自然科学基金面上项目，复杂地形下林分尺度森林碳源汇时空模拟研究，42471356，44万，主持
王 荣，国家自然科学基金面上项目，基于叶片叶绿素的亚热带优势树种最大羧化速率机理模型研究，42471128，48万，主持
程志强，国家自然科学基金青年项目，考虑日光诱导叶绿素荧光角度特性的山地森林GPP估算研究，42401436，30万，主持
王 荣，福建省自然科学基金面上项目，山地地形对总初级生产力和蒸散发模拟的影响研究-以福建省为例，2024J01469，10万，主持
束 蕾，福建省自然科学基金面上项目，福建省大气臭氧达标优化控制策略研究，2024J01461，9万，主持
汪 洋，福建省科技计划公益类科研院所专项，福建省亚热带常绿阔叶林气溶胶散射施肥效应模拟与碳汇能力评估，2024R1039，20万，主持