期刊：Science

中文题目：不同时间尺度植被对气候的耦合、解耦和突变响应

英文题目：Coupled, decoupled, and abrupt responses of vegetation to climate across timescales

作者：David Fastovich, David Fastovich, Erin E. Saupe, John W. Williams, Maria Dornelas, Elizabeth M. Dowding, Seth Finnegan, Huai-Hsuan M. Huang, Lukas Jonkers, Wolfgang Kiessling, Ádám T. Kocsis, Qijian Li, Lee Hsiang Liow, Lin Na, Amelia M. Penny, Kate Pippenger, Johan Renaudie, Marina C. Rillo, Jansen Smith, Manuel J. Steinbauer, Mauro Sugawara, Adam Tomašových, Moriaki Yasuhara, Pincelli M. Hull1

发表日期：2025年7月3日

摘要:

气候与生态系统动态变化存在时间尺度差异，而以往关于气候驱动植被动态的研究多聚焦于单一时间尺度。本研究基于谱分析方法，系统评估了植被与气候在不同时间尺度（从几十年到数十万年）上的动态关系。研究发现，即便在百年频率（149⁻¹ 至 18012⁻¹ 年⁻¹，即每 149 至 18012 年一个周期）下，植被与气候仍存在动态相似性。植被周转的转折点（797⁻¹ 年⁻¹）与气候随机过程和自相关过程的转折点相吻合，表明该频率范围内的生态动态受气候调控。在千年频率（4650⁻¹ 年⁻¹）上植被周转率的升高凸显了对气候变化的突然响应风险；而在频率高于 149⁻¹ 年⁻¹ 时，植被与气候呈现脱钩或滞后状态，这可能意味着人为气候变化对生态系统功能和生物多样性具有长期影响。

研究背景:

气候系统存在两种相互关联的变率模式：短期随机天气变化，以及在 100 至 1000 年以上时间尺度上的大型自回归气候波动。然而，大多数关于气候驱动生态动态的研究仅关注狭窄的时间尺度范围，未能全面揭示植被与气候在不同时间尺度下的复杂关系。尽管已有研究表明快速生态动态会追踪气候变化，而慢速生态动态则与气候存在滞后或脱钩现象，且生态系统对气候强迫可能存在线性或非线性响应，但植被与气候在不同频率（高、中、低）下的具体关联模式、植被对气候响应的时间尺度边界等关键问题仍未得到明确解答。当前，全球生态和古生物学数据网络的完善，为跨时间尺度和气候变率模式研究植被对气候强迫的响应提供了前所未有的可能，亟需建立新的分析框架来系统解析这一科学问题。

研究结果：

图1 概念框架图（植被在不同频率上表现出“追踪”、“脱钩”和“非线性放大”三种模式）

1. 高频区（< 150年）：危险的“滞后”与“脱钩”现象

在小于150年的范围内，植被变化的β值（约 4.34）显著高于气候变化的β值（约 -0.24）。这一差异表明：气候在高频波动中呈现较强的随机性，而植被则表现出极高的自相关性，即强烈的“记忆效应”。在百年尺度内，植被并未迅速响应气候波动，反而显示出明显的响应滞后与系统“惯性”。这可能与树木寿命有关。全球树木的寿命中位数约为246年，这种固有的生物学特性限制了群落的更新速率，导致植被无法及时适应快速的气候波动。该发现进一步预示，在当前人为导致的快速气候变暖背景下（时间尺度仅为数十年），生态系统很可能难以同步调整，从而积累日益显著的“气候债”。

2. 中频区（149-18012年）植被与气候变化同步

植被组成变化与气候波动在频率149⁻¹至18,012⁻¹年⁻¹范围内表现出动态一致性。且转折点高度重合（约670-800年周期）。表明在百年到万年尺度上，植被群落确实能够动态地追踪气候变化。

3. 异常频段（约4650年）：植被响应的非线性与突变风险

在4650⁻¹年⁻¹频率处，植被转换功率谱出现显著峰值，而全球气候记录中未见对应信号。这表明植被可能通过非线性生态过程（如阈值响应、正反馈）放大区域性或微弱的气候波动，从而在千年尺度上引发突变性生态系统重组。

研究意义:

本研究构建了基于谱分析的生态气候关系研究框架，突破了传统时间序列方法仅能分析离散时间滞后下植被-气候耦合关系的局限，首次系统揭示了植被与气候在 十年至十万年时间尺度内的耦合、解耦及突变响应模式，明确了植被追踪气候的频率边界，完善了跨时间尺度生态气候动态关系的理论体系，为后续生态系统对气候变化响应的多尺度研究提供了方法论支撑。研究发现的千年频率下植被周转加剧现象，警示当前全球变暖背景下植被可能出现非线性、突变式变化，为预测未来生态系统动态提供了关键参考；而高频段植被与气候的脱钩则表明，生物过程对人为气候变化的响应存在滞后性，将导致广泛的生态转型延迟，这一结论为制定生态保护策略、应对气候变化对生物多样性和生态系统功能的长期影响提供了重要科学依据。

研究创新之处：

（1）建立了基于谱分析的概念和分析框架，通过将时间序列变异性全面分解为特定观测时间尺度，能够量化气候驱动因子与生态响应在跨时间尺度上的耦合、解耦及尺度特征，克服了传统方法的局限性。

（2）整合了全球 1321 个站点的化石花粉组合数据、过去 21000 年气候模型模拟数据以及过去 200 万年的全球气候代用温度重建数据，实现了跨长时间尺度、大范围的植被与气候动态关系分析。

（3）首次识别出植被周转功率谱中的两个转折点（149⁻¹ 年⁻¹ 和 18012⁻¹ 年⁻¹），明确了植被与气候耦合的频率范围；揭示了植被对气候的非线性响应特征及二者关系的纬度梯度差异，丰富了对生态气候动态关系复杂性的认知。

对开展工作的启示：

（1）未来开展生态系统对气候变化响应的研究时，应打破单一时间尺度的局限，兼顾高、中、低不同频率的变率特征，采用多尺度分析方法全面解析生态-气候关系，避免因时间尺度单一导致结论片面。

（2）制定生态保护和气候变化应对策略时，需充分考虑植被对气候响应的时间尺度依赖性和非线性特征，既要警惕千年尺度上可能出现的植被突变风险，也要关注人为气候变化导致的植被-气候脱钩及生态响应滞后问题，采取针对性措施保护生态系统稳定性和生物多样性。

（3）本研究提出的谱分析框架具有较强的灵活性和适应性，可推广应用于所有具备多时间尺度观测数据的生态系统研究中，为其他生态系统（如海洋生态系统、湿地生态系统等）的跨尺度动态关系分析提供借鉴。

文献来源：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr6700

声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。

撰稿：王霞

初审：任杰

复审：杜军

终审：鲁鹏