植树造林被视为对抗气候变暖的重要战略之一，但是除了要评估其“碳汇效应”之外，还应统筹考量植被变化通过改变地表环境和大气环境引发双重气候效应：植被变化通过改变地表反照率调控辐射平衡，也会通过植被结构扰动近地面气流动力过程，这些生物地球物理效应将触发气候连锁反应；同时，植被释放的挥发性有机物（BVOCs）在大气中转化为二次有机气溶胶（BSOA），通过散射太阳辐射及调控云微物理过程产生冷却效应。当前核心科学挑战在于：这两类效应如何协同作用？生物地球物理过程对BVOCs排放的调制将如何重塑BSOA的辐射响应？这直接决定着造林工程的净气候效益，仍是亟待破解的关键命题。
近日，我院傅平青教授团队在植被的生物地球物理效应与自然源有机气溶胶气候效应之间相互作用方面取得重要进展，相关成果以“Reforestation-induced aerosol cooling effects divergently modulated by various biogeophysical feedbacks”为题，发表在National Science Review (《国家科学评论》，NSR)。该研究首次揭示，植被变化引发的生物地球物理效应（反照率变化、气流扰动等）对植被挥发性有机物（BVOCs）排放具有双向调制作用，导致自然源二次有机气溶胶（BSOA）冷却效应呈现截然相反的响应。该发现突破传统认知，指明全球植被演变的气溶胶气候效应存在远超预期的空间异质性，强调未来评估必须充分纳入生物地球物理过程的反馈效应。成果为协调生态规划与气候治理提供了科学新范式——通过诊断区域生物地球物理效应主导机制，可优化造林策略以最大化协同效益。
不同生物地球物理效应导致截然相反的气溶胶辐射效应响应
本研究通过地球系统模型模拟发现：当植被变化的生物地球物理效应以地表反照率降低为主导时，森林覆盖增加将吸收更多阳光引发局地增温，显著促进树木释放BVOCs，使BSOA的辐射冷却效应增强；相反，当以上升气流扰动为主导时，森林增强的水汽抬升催生厚密云层，减少到达地表太阳辐射，将抑制植被BVOCs排放，导致BSOA形成减少，其辐射降温效应被削弱。这种双向调制效应源于区域主导生物地球物理过程的本质差异——反照率降低是"增温引擎"激发BSOA降温潜力，而气流扰动则是"遮阳伞"抑制BSOA降温能力。
图1 植树造林的生物地球物理过程对植被挥发性有机物排放的不同影响机制
(VEG effect: 植被类型变化的作用，BGP effect：植被生物地球物理效应，ISOP：异戊二烯排放量，APIN: α蒎烯排放量)
生物地球物理过程调制作用引发更复杂的气溶胶辐射效应空间异质性
通过地球系统模式的全球模拟揭示，植被变化的生物地球物理过程对BSOA辐射效应呈现强烈的空间异质性：在全球52%的植被覆盖区，生物地球物理反馈如同“增效放大器”，加剧了BSOA辐射效应的变化，最大影响可增加一倍以上；同时，在剩余48%植被覆盖区域，植被变化的生物地球物理过程则是“抑制调节器”，抵消了BSOA辐射效应的变化，最大影响可抵消一半以上。更复杂的是，生物地球物理反馈导致更大尺度的气候变化将引发植被轻微变化区域植被BVOCs排放量的大幅变化，这种区域性反馈影响在亚马逊雨林等植被茂密地区尤为突出。忽略这种生物地球物理过程调制作用的空间异质性，可能使全球植被变化背景下BSOA的辐射效应评估和预测产生显著不确定性。
图2 未来植被变化背景下全球和关键区域二次有机气溶胶及其辐射效应预测
(VEG effect: 植被类型变化的作用，BGP effect：植被生物地球物理效应)
该研究首次揭示植被变化的生物地球物理效应对植被来源的二次有机气溶胶辐射效应的双向调制机制。通过解析全球生物地球物理效应与有机气溶胶辐射效应相互作用的空间异质性特征，提出区域差异化造林策略，为协同优化碳汇效益与气溶胶气候效益，精准提升生态工程净气候效益提供科学依据。
本研究第一作者为天津大学朱佳雷教授，通讯作者为天津大学傅平青教授，研究得到天津大学刘丛强院士和美国密西根大学Joyce Penner教授指导，合作者包括天津大学赵曦教授、邓君俊副教授、博士生刘灏、博士生郭庆皓、博士生刘雅欣。研究得到国家自然科学基金委创新群体项目（42221001）资助。
论文信息：Jialei Zhu, Joyce E. Penner, Hao Liu, Qinghao Guo, Yaxin Liu, Junjun Deng, Xi Zhao, Cong-Qiang Liu, Pingqing Fu*, Reforestation-induced aerosol cooling effects divergently modulated by various biogeophysical feedbacks. National Science Review, https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf323.
