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森林冠层结构与地下生物量碳共同决定森林生态系统的长期碳汇能力，但二者之间的长期耦合关系仍缺乏大尺度、连续观测证据。研究整合多源遥感数据，构建森林冠层结构—功能指数（Forest Canopy Structure-Function Index, FCSFI），系统分析2002—2019年中国森林冠层结构与地下生物量碳（Belowground Biomass Carbon, BGBC）的时空变化及耦合关系。结果表明，中国森林冠层结构总体持续改善，FCSFI与BGBC呈协同增长趋势，但地下碳汇响应存在明显滞后，表现出“结构先行，碳汇滞后”的特征。该研究为从冠层结构优化视角提升森林碳汇能力提供了新的科学依据。

研究背景：森林碳汇不能只看“地上”

森林是陆地生态系统中最重要的碳汇之一。过去，人们评估森林碳储量时，往往更加关注树干、枝叶等地上部分。然而，森林地下部分同样储存着大量碳，并且根系及其相关的地下碳过程对于维持森林长期碳稳定具有重要意义。与此同时，森林冠层并不是简单的“树冠覆盖”。冠层的疏密程度、叶片分布、空间聚集方式以及生物量状况，共同构成了复杂的森林冠层结构。更合理、更稳定的冠层结构可能提高光、水分等资源利用效率，并进一步影响植物碳分配和地下碳积累。但一个关键问题仍然缺乏明确答案：当森林冠层结构不断改善时，地下碳汇是否也会同步增强？

中国森林冠层结构总体持续改善

2002—2019年中国森林FCSFI呈显著上升趋势，平均年增长率约为0.74%，全国平均值由0.322增加至0.365。约84.62%的森林区域表现出FCSFI增加趋势，说明过去近20年间，中国大部分森林的冠层结构和相关功能总体得到改善。不同等级的森林结构也发生了明显变化：高水平 (0.4 < FCSFI ≤ 0.6) 和极高水平 (0.6 < FCSFI ≤ 0.8) FCSFI区域不断扩张，而低水平 (0 < FCSFI ≤ 0.2) 和中等水平(0.2 < FCSFI ≤ 0.4) FCSFI区域持续减少。其中，低FCSFI区域累计减少约49.42%。这些结果表明，中国森林正在发生显著的结构优化过程，但不同地区和森林类型之间仍存在明显差异。

▲图1 | 2002-2019年FCSFI的时空动态。(a) 2019年FCSFI的空间分布；(b) 2002-2019年FCSFI变化趋势的空间分布，颜色梯度表示显著增加（ESI/SI/SSI）和减少（ESD/SD/SSD）；(c) 全国平均FCSFI的时间变化，采用线性回归分析，显示出高度显著的上升趋势；(d) 变化趋势的直方图和比例环形图；(e-f) 低、中、高和极高FCSFI像元数量的时间变化。

冠层结构改善与地下碳汇总体呈协同增强

研究期间，全国FCSFI与BGBC之间的耦合协调度（CCD）由0.47提高至0.51，表明二者总体正朝着更加协调的方向发展。更重要的是，全国约91.22%的森林区域表现出耦合协调度增加趋势。这一结果意味着，森林冠层结构改善与地下碳积累并不是两个彼此独立的过程。

研究进一步发现，FCSFI与BGBC之间存在明显的时间非同步性。FCSFI的改善通常先于BGBC的增加，呈现出“结构先行，碳汇滞后”的现象。冠层结构改善后，森林可能首先表现出更高的资源利用效率和地上生产力，并逐渐增加向地下输送和分配的碳。但地下碳库的变化还受到根系生长、土壤环境、气候条件以及植物生长周期等多种因素共同影响，因此其恢复和积累通常需要更长时间。换句话说：森林“长得更好”之后，地下碳汇并不会立即同步增加。这意味着，在评价森林恢复或生态工程成效时，如果只关注短期的植被绿化、冠层恢复或地上生物量增加，可能无法完全反映森林长期碳汇能力的真实变化。

▲图2 | 2002-2019年CCD和相对发展水平（RLD）的年度演变。(a-r) 双变量空间图，说明 CCD（纵轴：低到高）和 RLD（横轴：低到高）的年度分布。

哪里是森林结构与地下碳汇协同变化的重要区域？

2002—2019年，中国森林冠层结构与地下生物量碳的耦合协调热点主要分布在东北地区和西南地区。东北地区拥有较大面积的天然林和重要生态屏障，森林结构与地下碳过程长期保持相对稳定的协同关系。西南地区则具有复杂地形和较高的生态系统生产力，其森林冠层结构与地下碳过程同样表现出较强的耦合潜力。相比之下，中南地区仍存在较低的耦合协调水平，表明冠层结构改善与地下碳积累之间可能仍存在一定失配。

研究意义

本研究从长期、大尺度视角揭示了中国森林冠层结构与地下生物量碳之间的动态耦合关系，并提出了一个值得关注的时序特征：森林冠层结构改善可以先发生，但地下碳汇恢复需要时间。这一发现为理解森林生态恢复过程中的地上—地下协同机制提供了新的证据，也说明森林碳汇能力的提升并不是一个简单的同步过程。未来，森林碳汇管理不仅需要关注“种了多少树、增加了多少覆盖”，还需要进一步回答：森林是否形成了更合理、更稳定的空间结构？这种结构优化能否持续转化为长期地下碳储存？从这一角度来看，优化森林结构可能不仅是改善森林质量的重要途径，也可能成为挖掘长期森林碳汇潜力的重要方向。

论文信息

标题：Asynchronous Coupling Between China’s Forest Canopy Structure and Belowground Biomass Carbon in the 21st Century

期刊：Land Degradation & Development

类型：Research Article

作者：刘成荫1，刘宏鹏1，徐艳，张译匀，王承远，姚瑶，王彬宇，遇海瑞，赵玉柱，李明泽，&毛学刚*

时间：2026-07-01

DOI：10.1002/ldr.70758

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期刊简介

Land Degradation & Development (LDD) 是一本重要的跨学科国际期刊，致力于推动陆地环境退化、缓解、修复与可持续土地管理各方面的研究。期刊内容涵盖原创研究、案例分析及趋势预测，对该主题进行全方位探讨，是环境科学与土壤科学领域的重要学术资源与国际交流平台。

2025 JIF：4.0 ｜ CiteScore：7.3

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