厦门大学海洋生物地球化学全国重点实验室、环境与生态学院吕永龙教授团队在缓解沿海城市大气污染和热岛效应研究方面取得新进展，相关成果以“Spatially coupled effects of urban vegetation on air pollution and heat islands in coastal cities across the globe”为题，发表于期刊Science Bulletin。

作为基于自然的解决方案，优化城市植被是缓解空气污染和热岛现象的有效策略。虽然植被对大气污染和热岛的调节作用、路径与机制在以往研究中得到了充分报道，但不同植被因子（UVFs）对大气污染（API）和热岛效应（SUHI）的空间耦合影响尚不清楚。研究团队选择了全球263个大型沿海城市，利用多源遥感数据，结合结构方程模型、可解释性机器学习和空间自相关方法，揭示了沿海城市植被景观形态和冠层性状对城市降温与减污的空间耦合影响。

图1. 城市植被的降温与减污协同：绿地形态布局和长势孰轻孰重？

研究背景

快速城市化已使热岛效应与空气污染成为全球城市最严峻的环境威胁，二者之间存在复杂的时空耦合与反馈机制。尽管城市植被被公认为可同时缓解这两类问题，但现有文献对植被的降温与净化效益究竟是协同还是权衡，结论尚不统一。此外，现有研究尚未清楚量化不同植被因子通过直接和间接途径对热岛和污染产生的差异化影响，这严重制约了针对性绿化优化策略的设计。为此，研究团队设计一项跨区域全球尺度研究，具体目标包括：（1）评估多种城市植被因子对地表热岛强度和空气污染强度的趋同与分化效应；（2）解析植被因子对两种环境指标影响效应之间的相关性；（3）揭示热岛与污染的空间交互关系如何随植被因子变化而改变。通过该项研究，研究团队希望进一步理清植被在复杂城市环境中协同发挥降温与净化功能的机制，为沿海乃至全球城市的绿色基础设施规划和可持续管理提供科学依据。

研究结果

1.UVFs的直接减缓和间接增强作用

不同城市植被因子对API和SUHI影响强度与方向差异显著，且具有气候依赖性（图2a）。结构方程模型结果表明，植被景观形态对API和SUHI起到直接的减缓效应；景观形态和冠层性状通过微气候机制对API和SUHI起到间接增强作用，其路径为：景观形态→冠层性状→微气候→ API & SUHI；总体来看，直接减缓效应大于间接增强效应（图2b、2c）。

图2. 植被景观形态和冠层性状的直接和间接影响

Srad: 下行短波辐射，Albedo：地表反照率，SM：土壤水分，AET：实际蒸散发，Vap：水汽压，WS：风速，FI：景观破碎度，FVC：植被覆盖率，TH：冠层高度，LAI：叶面积指数，VCM：冠层水分，VG：冠层绿度

2.植被对API和SUHI影响的权衡协同关系

研究团队利用可解释性机器学习揭示植被对API和SUHI的耦合影响（图3）。通过比较UVFs在API和SUHI预测模型中的局部效应量（SHAP值），可观察到城市植被对API和SUHI的耦合效应（图3c）。首先，叶面积指数（LAI）、破碎指数（FI）、树冠高度（TH）和植被覆盖（FVC）对API和SUHI的局部效应呈现强正相关（P < 0.001），表明植被景观因子对API和SUHI表现出强烈的协同效应（图3c）。而冠层绿度（VG）和冠层水分（VCM）对API和SUHI的局部影响表现出弱相关甚至不相关（P > 0.05）；LAI对API和SUHI的协同效应强烈且显著，但表现出非线性特征（P < 0.001）。

图3. 植被因子（UVFs）对大气污染（API）与热岛效应（SUHI）影响的耦合效应

3.API与SUHI的空间集聚

SUHI和API具有显著但较弱的全局空间自相关（P < 0.001，Global Moran's I = 0.067，图4a）。进一步识别四种SUHI和API集聚状态：高-高集聚（H-H），高-低集聚（H-L），低-高集聚（L-H）和低-低集聚（L-L）。

比较不同局部自相关状态下的UVFs的差异发现，绿度（VG）、冠层水分（VCM）和叶面积（LAI）在H-L集聚（0.36±0. 07，0.14±0.07和1227±620）和在L-L集聚（0.37±0.07、0.14±0.07和1251±676）最高，在H-H集聚（0.33±0.05，0.14±0.05,834±489）和L-H集聚（0.34±0.07,0.14±0.06,941±620）最低（P < 0.05，图4c）; H-L和L-L集聚下的冠层水分（VCM）和叶面积（LAI）无显著差异（P > 0.05，图4c）。在植被景观形态方面，破碎度（FI）（1.24±0.18）和冠层高度（TH）（6.83±1.43m）最高，L-L集聚的破碎度（FI）（0.97±0.37）和冠层高度（TH）（6.33±1.4 m）最低。此外，植被覆盖度（FVC）在H-H集聚最低（35.4%±21.4%），而在H-L集聚最高（55.8%±26.1%）（P < 0.05，图4c）。上述结果表明，植被冠层特征（绿度、冠层含水量和叶片大小）较好的区域可能有利于空气污染的缓解，但会增强热岛强度；相比之下，树冠高度、碎片化程度较低的大型绿地可能会带来缓解城市热岛和空气污染的协同效益。

图4. 大气污染（API）与热岛效应（SUHI）空间耦合关系

研究意义及展望

研究表明，通过优化植被景观实现城市降温-减污的潜力巨大。保持适当的树冠高度和密度可以改善城市通风，促进热量和污染物的扩散；同时，避免过度碎片化和保护大型紧凑的绿色空间对于维持空气净化和城市冷却的植被功能至关重要。此外，与植被冠层紧密相关的微气候因子（尤其是与水分有关的微气候因子），可能在一定条件下对API和SUHI的降低产生潜在权衡作用。

本研究通过使用可解释机器学习探讨了不同植被属性在调节空气污染和城市热岛方面的潜在权衡和协同作用。其次，本文进一步探讨了API和SUHI的空间相关性如何与城市属性的不同方面相关。研究同时指出，未来需进一步探索城市植被空间耦合效应尺度依赖性；此外，未来需利用场地尺度的实验和物理学模型（如WRF）对结果进一步验证。

研究团队及资助

该论文第一作者为厦门大学2022级博士研究生李空明，通讯作者为厦门大学吕永龙教授，共同作者还包括英国生态水文中心James M. Bullock教授，厦门大学苑晶晶高级工程师、孙斌博士后，以及博士研究生王琪、张振军、江旭东和硕士毕业生熊筠婷。该研究获得国家自然科学基金重大项目（72394404）、国家重点研发计划项目（2023YFC3804905）、教育部“基础学科和交叉学科突破计划”项目（JYB2025XDXM804）和英国自然环境研究委员会NC-International项目（NE/X006247/1）的资助。

论文来源及链接

Li, K., Lu, Y.*, Sun, B., Wang, Q., Xiong, Y., Zhang, Z., Jiang, X., Bullock, J.M., Yuan, J. 2026. Spatially coupled effects of urban vegetation on air pollution and heat islands in coastal cities across the globe. Science Bulletin, 2026.

https://doi.org/10.1016/j.scib.2026.08.049

文图│李空明

编辑 | 苑晶晶 房月

排版 | 陈蕾

审核 | 谭巧国 柳欣