Agricultural and Forest Meteorology丨干旱改变了北半球草原和森林生产中的主要水分压力

生态遥感前沿 · 公众号 · · 2024-07-27 00:00

正文

1.文章背景

随着全球变暖，极端气候事件（如干旱和热浪）的强度和频率不断增加，对陆地生态系统的碳循环产生了重大影响。干旱事件常导致植物气孔关闭和光合作用率下降，进而导致植被生长减少甚至死亡，最终削弱了陆地生态系统的碳汇功能，甚至可能将其转变为碳源。此外，干旱通常伴随着极低的降水和高温异常，这增加了一系列连锁灾害（如火灾、虫害和病原体爆发）的风险，间接破坏了植被。土壤水分（SM）和蒸汽压亏缺（VPD）是衡量土壤和大气干燥程度的两个重要指标，它们通过不同的机制显著影响陆地生态系统的生产力。然而，由于陆地和大气相互作用的强耦合性，SM和VPD的相对影响仍存在较大争议。在全球变暖背景下，干旱事件对生态系统生产力的影响愈加明显，因此研究干旱如何改变草原和森林生产中的主要水分压力对理解植物与气候的关系以及准确预测不同生态系统的生产力具有重要意义。这一研究可以为应对未来气候变化、制定生态保护和恢复措施提供科学依据。

2.创新之处

本研究的创新点在于首次系统地解耦了土壤水分（SM）和蒸汽压亏缺（VPD）对北半球草原和森林生产力的相对影响，特别是在干旱和非干旱条件下。通过分析89个通量站点的日常观测数据，我们发现了不同生态系统在干旱期间主要水分压力的转变。这项研究不仅展示了高VPD在调控植被光合作用和生产力方面的显著作用，还揭示了干旱事件如何改变主要水分压力，从而影响不同植被类型和气候区的生态系统生产力。此外，我们通过归一化光合生产力来排除辐射和温度的影响，从而提供了更加准确的分析结果。这些发现不仅为理解SM和VPD对植被生产力的相对作用提供了新的视角，也为改进生态系统模型和预测未来气候条件下的生态系统响应提供了重要的科学依据。

3.数据与方法

本研究利用来自北半球89个通量观测站点的日常观测数据，作为植被生产力的代理，分析了土壤水分（SM）和蒸汽压亏缺（VPD）对植被生产力的影响。数据来源包括FLUXNET2015数据集、综合碳观测系统（ICOS）和AmeriFlux数据集，经过标准化的质量控制和缺口填补处理。我们使用标准化降水蒸散指数（SPEI）识别干旱日，并基于日常气象变量如GPP、空气温度、降水、VPD、SM和光合光子通量密度（PPFD）等，筛选出日平均温度高于15°C、日平均VPD高于0.5 kPa、日平均PPFD高于500 µmol m^-2 s^-1的天数。采用分箱法解耦SM和VPD的影响，通过计算标准化GPP在高VPD和低SM条件下的变化，分析了不同生态系统在干旱和非干旱条件下的主要水分压力。此外，我们还归一化了GPP以排除辐射和温度的影响，从而更准确地评估SM和VPD对植被生产力的相对作用。这些方法为研究干旱如何改变主要水分压力提供了可靠的数据支持和分析框架。

4.重要图表

5.重要结论

低土壤水分（SM）和高蒸汽压亏缺（VPD）通过不同的机制对陆地生态系统生产力产生显著影响。由于陆地和大气之间的强相互作用，这两个水分压力因素的相对影响难以分离，尤其是在干旱事件频发且强度增加的情况下，导致对生态系统中主要水分压力因素的争议。本研究分析了非干旱和干旱期间SM和VPD对总初级生产力（GPP）的相对影响，并探讨了干旱事件如何改变生态系统的主要水分压力。研究利用了北半球89个通量站点的日常观测数据，结果显示，在非干旱和干旱期间，84个和81个站点分别受到显著的水分压力影响，其中分别有43%和34%的站点在非干旱和干旱条件下主要受到高VPD和低SM的水分压力影响。此外，有19个站点在干旱事件发生时经历了显著的主要水分压力变化，包括森林（47%）、草原（37%）和灌木（16%）。通过辐射和温度归一化后的GPP数据进一步确认，高VPD对植被的控制作用强于低SM，并证实了干旱事件可能改变森林和草原中的主要水分压力因素。研究结果有助于澄清SM和VPD对植被的相对影响，以及干旱事件驱动的SM和VPD角色转变的机制。这些发现可以更准确地预测不同生态系统的植被生产力，并深化对植被与气候关系的理解。。

6.编者说

本篇文章以Drought changes the dominant water stress on the grassland and forest production in the northern hemisphere为题发表至Agricultural and Forest Meteorology。