植被水分調節對陸地生態系統碳-水循環的影響研究獲進展

全球氣候變化背景下，乾旱事件發生頻率及強度的增加將對陸地生態系統碳-水循環產生重要影響。植物對不同氣候與土壤水分條件的長期適應，會形成由一整套相關聯的性狀組成水分調節策略，如葉片氣孔導度變化和根系水力再分配（HR）等。極端乾旱事件發生時，植被水分調節策略對陸地生態系統地-氣碳水交換的影響仍存在不確定性。此外，當前陸面過程模型在模擬植物調控水分傳輸的生理機制方面存在明顯欠缺，這不利於準確評估和預測陸地生態系統關鍵碳水過程對氣候變化的響應。在國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目、江蘇省自然科學基金項目和中國科學院南京地理與湖泊研究所自主部署項目的支持下，南京地理所研究員付叢生課題組結合多元觀測數據和通用陸面模式（Community Land Model，CLM），開展相關研究，並取得如下進展：

（1）極端乾旱事件引起的HR對森林生態系統碳-水循環的影響

乾旱事件頻發背景下，學界尚不清楚HR對森林生態系統碳-水循環的影響在不同氣候區有何差異；當前陸面過程模型對HR過程的表達存在明顯欠缺。該研究將基於經驗和物理過程的兩種HR方案加入通用陸面模式CLM4.5中，利用亞洲通量網（AsiaFlux）發佈的五個森林站點的渦度相關數據來驗證模型改進效果，並綜合分析HR對上述不同氣候區森林生態系統碳-水循環的影響效應。結果顯示，水力提升過程（Upward HR）提高了表層土壤濕度，使生態系統蒸散和碳通量分別增加了0.29-0.68 mm H₂O day^-1和1.03×10^-6-1.64×10^-5 g cm² s¹。在青藏高原東北邊緣的半乾旱森林生態系統中，水力下降過程（Downward HR）明顯；在具有季節性土壤凍融過程的森林生態系統中，基於經驗性的HR方案比基於物理過程的HR方案更適用。綜合研究組已有研究發現，在乾濕非同期（生長季和乾季重合）的自然生態系統中，水力提升通常發生在乾季。在乾濕同期（生長季和濕季重合）的自然生態系統中，當年降水量低於400毫米時，水力下降通常會發生；高於800毫米時，則無明顯HR過程發生。相關研究成果發表在Journal of Hydrology上。

（2）植被水分利用策略影響我國生態系統總初級生產力（GPP）對乾旱事件的響應

極端乾旱事件發生時，植被水分利用策略的改變影響陸地生態系統碳循環。通用陸面模式CLM5中包含兩種植被水分利用策略（圖2），即土壤濕度脅迫策略（SMS）和植物水力脅迫策略（PHS）。該研究結合多元觀測和模擬手段，分析植被水分利用策略變化如何影響我國不同氣候區生態系統GPP對乾旱事件的響應。與MODIS數據相比，上述兩種配置下模擬的我國GPP高估了2.0%-2.3%，尤其是在青藏高原地區。與土壤濕度脅迫策略相比，植物水力脅迫策略配置下模擬的我國生態系統GPP更符合渦度相關和MODIS觀測的數據。植物水力脅迫策略模擬下，乾旱事件發生時，水力提升（Upward HR）過程使我國不同氣候區自然生態系統GPP增加了0.10-0.63 g cm^-2 d^-1；水力下降（Downward HR）和高飽和水汽壓差，則使中國東南濕潤區生長季生態系統GPP減少了0.37-0.45 g cm^-2 d^-1。相關研究成果發表在Journal of Geophysical Research-Atmospheres上。

該研究為綜合評價陸地生態系統碳水循環的生物調控作用、水資源制約的生態系統生產力變化等，以及陸地生態系統的碳-水循環過程管理工作提供了技術手段和科學依據。

論文鏈接：1、2 

圖1.乾季、濕季和極端乾旱事件發生時，森林生態系統土壤濕度、蒸散和碳通量的觀測和模擬結果對比評價

圖2.通用陸面模式CLM5中兩種植被水分利用配置（SMS和PHS）

圖3.我國生態系統總初級生產力空間分佈的遙感觀測和模型模擬結果