PNAS最新研究：全球城市变绿时空过程及其对城市热的缓解意义

PNAS最新研究：全球城市变绿时空过程及其对城市热的缓解意义

城市植被变化不仅影响生物多样性，还与城市热岛效应密切相关。最新发表在PNAS期刊上的研究，利用高分辨率遥感数据，揭示了全球11,235个城市在过去30多年间的植被变化趋势及其对城市气候的影响。研究发现，约40.75%的城市区域呈现绿化趋势，而49.60%的城市区域则出现植被退化。更重要的是，绿化区域在夏季白天具有更强的降温效应，有助于缓解城市热岛效应。

研究背景

城市已成为全球主要的人类聚居地，预计到2050年，城市将容纳全球68.4%的人口。快速的城市化进程使大片自然和半自然植被转变为不透水表面，影响生物地球化学循环、水文系统和生物多样性，并在全球城市地区引发了气候变化。为了减轻这些负面的环境影响，城市植被被赋予了生态系统服务和社会经济效益的生态和社会功能。

在城市植被研究领域，虽然对部分城市的植被绿化现象有所研究，但研究范围不够全面，众多不同规模城市的植被变化情况还未被充分认知。同时，数据分辨率会影响研究结果，这会干扰对城市植被真实状况的判断以及后续相关研究。其次，长期的植被生长状态，尤其是绿化和褐化趋势，对全球城市地区温度变化和热岛强度的影响机制尚未得到充分的解释。

图1 全球11235个城市地区的变绿比例
（A），利用1990年至2021年的Landsat增强植被指数（EVI）数据以及LandTrendr算法，测定了全球各个城市区域的绿化比例。欧洲（B）、印度（C）和中国（D）城市区域在区域尺度上的城市绿化比例细节。（E），展示了全球城市绿化比例的冷热点地图。欧洲（F）、印度（G）和中国（H）城市在区域尺度上城市绿化冷热点的详细信息。

研究结果

研究发现，全球40.75%的城市地区（1.51Mha）表现出绿化趋势（显示EVI增加），而49.60%的城市地区表现出褐变（EVI降低）。

图2 六种城市植被变化的全球地图
（A），六类城市植被变化的空间分布，分辨率为30m。饼图表示每个类别的全局百分比。展示全球城市植被绿化（B）和褐变（C）的典型城市。“→”表示时间顺序，“+”和“++”分别代表相对较弱和较强的绿化或褐变程度。

研究还发现，发达国家和发展中国家的城市中心都对这一绿化趋势做出了贡献。然而，该研究发现这一绿化趋势存在显著的空间差异，全球北部城市的绿化率高于全球南部城市。

图4 城市植被褐化和绿化样本的模型性能
（A） 褐化植被不同解释变量的平均系数。（B）绿化植被不同解释变量的平均系数。（C）利用估计系数（βi）、解释变量的标准差和Y的标准差计算各解释变量的贡献。

研究发现，城市植被变化趋势的驱动因素导致城市及其周边地区的显著分化。城市化强度的快速增长和氮沉降的负面影响是导致城市周边地区植被褐变的主要因素。然而，氮沉降和城市化强度对城市中心的植被绿化有积极影响。

与植被褐变或无明显变化的区域相比，植被绿化区域具有更显著的降温效果，有可能减轻城市热岛效应，尤其是在夏季白天。

图5 城市植被绿化对气温变化和UHI效应的影响柱状图
图中显示了处理区域（城市植被绿化区域）与对照区域（其他区域）的温度变化差异。
（A）使用三个温度指数，包括2米处的日平均气温（Tas）、2米处的日最高气温（Tas_Max）和2米处的日最低气温（Tas_Min）。利用LST数据和TerraClimate温度数据进行稳健性分析。（B）植被对UHI效应的减缓作用通过六个指标来考察，包括全年白天地表UHI（UHI_day）、全年夜间地表UHI（UHI_night）、夏季白天地表UHI（UHI_day_summer）、夏季夜间地表UHI（UHI_night_summer）、冬季白天地表UHI（UHI_day_winter）和冬季夜间地表UHI（UHI_night_winter）。还考虑了减缓效应的异质性，包括各大洲和气候区之间的差异（C-F）。*、、*分别表示在0.10、0.05和0.01水平上的显著性（基于双尾T检验）。

研究意义

本研究利用高分辨率数据和有效算法，深入探讨全球城市植被变化的时空过程、影响因素及其对缓解城市热岛效应的意义，准确了解城市植被动态及其对缓解城市热岛效应的影响，对指导可持续城市发展以及气候政策制定提供科学依据。同时，高分辨率的城市植被变化地图对于研究缓解和适应城市热岛效应的策略、生态系统碳源和碳汇、城市宜居性、减少灾害风险以及气候变化影响等方面至关重要。

研究创新之处

1. 该研究基于全球30米分辨率增强植被指数（EVI）数据集，利用LandTrendr算法针对全球范围11235个城市全面分析1990至2021年间城市植被的“变绿”（EVI的显著提高）和“变黄”（EVI的显著降低）趋势及其空间模式。这一高精度数据的使用克服了以往低分辨率数据的局限，显著提升对城市植被动态演化过程的认知精度；
2. 该研究综合考虑气候因素（年均温和年降水量）、二氧化碳施肥效应、氮沉降、城市化强度等多种因素对城市植被变化的影响，利用多尺度地理加权回归（MGWR）模型量化各因素贡献，深入剖析不同因素在植被绿化和褐化过程中的作用机制，凸显了加强城市植被绿化对促进城市公平发展和确保有效减缓气候变化的重要性；
3. 该研究通过计算不平等指数，深入研究城市植被绿化在不同空间尺度（城市、国家、大洲）的不平等性，分析不同收入水平国家和地区的城市绿化差异，以及城市内部绿化比例的空间分布不均，为制定针对性政策提供依据；
4. 该研究运用倾向得分匹配技术，控制选择偏差，量化城市植被绿化对缓解气候变化和城市热岛效应的影响，并分析其在不同气候区和大洲的差异，为城市气候适应策略提供科学支撑。

文献来源：https://doi.org/10.1073/pnas.2417179122