地球環境所基于激光雷達和機器學習揭示了樹木和森林結構對暴雨導致樹木破壞的影響和機制

由暴雨和臺風等引發的樹木破壞和森林退化，隨著全球變化的加劇和極端氣候事件的增強而愈發嚴重。在黃土高原，人工造林面積超過1億畝，其中大部分為刺槐。在以刺槐為主的植樹造林小流域，近年來暴雨導致溜滑侵蝕加劇，進而導致溝坡區域人工林植被出現明顯的損毀和破壞。前期研究表明，暴雨導致的樹木破壞，其嚴重性與地形密切相關，但樹木和森林結構對暴雨導致的樹木損毀和破壞，其影響和貢獻機制仍不明確。

鑒于此，地球關鍵帶與生態環境安全團隊金釗研究員課題組以黃土高原典型人工植樹造林小流域為研究對象，基于激光雷達（LiDAR）技術和機器學習模型（隨機森林和邏輯回歸），評估了樹木結構（樹高、冠幅直徑和冠幅面積）、森林結構（樹木密度、林隙度、葉面積指數和冠層覆蓋度）以及地形參數（海拔、坡度和地形起伏）對暴雨導致樹木損毀和破壞的影響。結果表明，當考慮單一因素時，較高的樹高、冠幅直徑、冠幅面積、葉面積指數（LAI）和冠層覆蓋度可抑制樹木破壞，而較高的林隙度則會增加樹木破壞的概率。然而，當樹木結構因素（樹高、冠幅直徑和冠幅面積）與森林結構因素（LAI和冠層覆蓋度）協同增加時，會顯著促進樹木破壞，并且能夠抵消地形對破壞的抑制作用。此外，樹木結構或冠層密度（LAI和冠層覆蓋度）的增加也會在同一海拔高度上增加樹木破壞的概率。該研究結果揭示了樹木結構與冠層密度的相互作用可在強降雨期間顯著促進樹木破壞的機制，對暴雨頻發背景下黃土高原人工森林管理具有指示意義。

圖1 基于隨機森林模型的小流域不同地貌單元內樹木結構、森林結構和地形因素對暴雨導致樹木破壞的貢獻

圖2 基于邏輯回歸模型的樹木/森林結構因素與地形起伏度協同作用分析

上述研究成果發表于國際林學類一區期刊Forest Ecology and Management。博士研究生郝銘揆為論文第一作者，中國科學院地球環境研究所金釗研究員為論文通訊作者。本研究得到黃土科學全國重點實驗室開放基金（批準號：SKLLQG2433），國家重點研發計劃（批準號：2023YFC3008404），國家自然科學基金項目（批準號：41790444）和中國科學院（Ｂ類）戰略性先導科技專項項目（批準號：XDB40020301）的共同資助。

Mingkui Hao, Zhao Jin, Xuehong Gong, Huifeng Wu, Guofan Cao. The interaction of tree structure and canopy density promotes tree destruction during heavy rainfall. Forest Ecology and Management, 2025, 591: 122783.

https://doi.org/10.1016/j.foreco.2025.122783