北方森林通过改变反照率、蒸散发和地表粗糙度调节地表能量交换，在全球气候系统中发挥着至关重要的作用。当前北方高纬地区的增温速率接近全球平均的4倍，其季节动态正变得愈发不稳定：加剧的热浪、干旱与春季骤冷事件，使物候轨迹表现出非线性、季节分化或者相互抵消的特征，不再是简单的生长季延长。这种不稳定性的突出表现是叶面积指数（LAI）在同一季节窗口内出现双向异常——有的年份叶面积增大，有的年份减小。然而，既往的植被生物物理效应评估和地球系统模拟大多隐含“对称性假设“，即叶面积增加带来的降温与等量减少带来的增温相互抵消，且这一关系不随季节改变。这一假设是否成立，直接关系到植被—气候反馈的模拟精度。
针对这一问题，北京师范大学地理科学学部、卫星应用交叉创新研究院王桥院士和闫凯副教授团队，联合多伦多大学、中国科学院生态环境研究中心、中山大学、兰州大学等单位，基于2005—2020年叶面积指数、地表温度、蒸散发、反照率与下行短波辐射产品，结合448个FLUXNET站的涡度相关观测，构建物候期识别算法、气候背景信号分离算法，解析出叶面积变化驱动的地表温度响应，并借助结构方程模型量化了各能量路径的贡献。相关成果近日发表于国际顶级学术期刊 Nature Communications。
图1 北方森林地表温度非对称性的空间格局
四季非对称性一致偏向增温，冬季最为极端。研究以非对称指数（AI，增绿侧与褐化侧单位叶面积温度敏感性的有符号比值，AI=1代表完全对称）刻画反馈的线性与可逆性。结果显示，四季AI中位数均显著低于1：春季0.44、夏季0.51、秋季0.51、冬季0.07。春季，物候提前带来的叶面积增加使地表降温0.037 ℃，而物候推迟造成的叶面积减少使地表增温0.045 ℃；按单位叶面积计算，增温幅度约为降温的2.3倍。而夏季的方向性并不明显，更宜刻画为“近似对称“。冬季AI最低，但主要源于增绿侧敏感性趋近于零，而放大了比值，实际温度响应的幅度比约为1.6。空间上，高增温风险集中在物候波动频繁的东西伯利亚和北美西北部。
图2 不同叶面积变化强度下的地表温度敏感性与非对称性
扰动越强，生长季的降温优势越快消失。按相对叶面积变化率（ΔLAIrate）分级后，春季响应随扰动强度单调放大：叶面积损失造成的增温从低强度区间（< 0.2）的0.066 ℃升至0.6—0.8区间的3.018 ℃，而等量叶面积增加带来的降温仅为1.459 ℃。夏、秋、冬三季则呈现中等强度（0.4—0.6）峰值的非线性形态，冬季在极高强度（≥ 0.8）区间甚至出现方向反转。非对称指数的演化更为直接：低强度下春季AI为1.012，仍属降温主导，冬季已被压低至0.021；进入0.2—0.4区间，春季AI迅速降至0.483。这表明生长季的生物物理降温优势仅存在于温和扰动之下，强物候扰动会使春秋两季向“增温放大“状态收敛。
图3 调控季节性地表温度响应的生物物理机制与能量路径
主导因素在生长季与休眠季之间发生系统性切换。春季能量分配由生理过程主导，叶面积与潜热通量显著正相关（路径系数0.156），蒸发分量对地表温度变化的贡献达66.9%，远超太阳辐射（约11%）与感热。进入夏季，冠层郁闭，非辐射的感热加地热路径（H+G）成为主导，在叶面积减少情形下其贡献升至53.7%，超过蒸发分量的34.1%——继续增加叶面积的降温收益趋于饱和，而叶面积损失却带来不成比例的H+G增加。秋季潜热响应衰减，对温度的贡献降至2%以下。冬季转为反照率反馈主导，短波路径贡献约94%：冠层加密减少反射（反射短波变化为−0.761 W/m²），冠层变稀则暴露积雪、增加反射（0.485 W/m²）。值得注意的是，辐射扰动向地表温度的转换高度非线性且方向依赖，冠层缓冲的丧失削弱了地表与近地层大气的耦合、使地表暴露于更强的辐射和湍流交换，因此即使短波异常本身方向相反，单位叶面积损失的增温惩罚仍超过等量叶面积增加的降温收益。
图4 基于结构方程模型的季节能量路径解耦
结构方程模型进一步刻画了这一规律：春季以“叶面积→潜热→地表温度“的蒸发降温路径为主；夏季非辐射H+G路径最强，蒸发降温仍在但趋于饱和；秋季各路径整体减弱，处于过渡状态；冬季则切换为”叶面积→短波→地表温度“的辐射主导机制，生理贡献极小。
本研究的核心价值在于，将年尺度上已被识别的森林增益/损失的非对称性推进到季节尺度与结构稳定的森林内部，证明年均非对称性只是春、夏、秋、冬四种不同能量路径的综合结果，理解北方森林气候调节必须考虑季节性叶面积动态，而非依赖年均聚合指标。研究指出，增加叶面积获得的降温收益受生理上限约束，而冠层退化引发的增温则可能是即时且被放大的；维护成熟林冠结构的完整性比依靠叶面积增加能提供更可靠的增温缓冲，新造林的降温有效性也应在“降温收益递减“的前提下重新评估。
该研究获国家自然科学基金重大项目（42192580）、面上项目（42271356）及教育部基础学科与交叉学科突破计划（JYB2025XDXM905）联合资助。