科学视点

植被水分调节对陆地生态系统碳-水循环的影响研究获进展

  全球气候变化背景下,干旱事件发生频率及强度的增加将对陆地生态系统碳-水循环产生重要影响。植物对不同气候与土壤水分条件的长期适应,会形成由一整套相关联的性状组成水分调节策略,如叶片气孔导度变化和根系水力再分配(HR)等。极端干旱事件发生时,植被水分调节策略对陆地生态系统地-气碳水交换的影响仍存在不确定性。此外,当前陆面过程模型在模拟植物调控水分传输的生理机制方面存在明显欠缺,这不利于准确评估和预测陆地生态系统关键碳水过程对气候变化的响应。在国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、江苏省自然科学基金项目和中国科学院南京地理与湖泊研究所自主部署项目的支持下,南京地理所研究员付丛生课题组结合多元观测数据和通用陆面模式(Community Land Model,CLM),开展相关研究,并取得如下进展:

  (1)极端干旱事件引起的HR对森林生态系统碳-水循环的影响

  干旱事件频发背景下,学界尚不清楚HR对森林生态系统碳-水循环的影响在不同气候区有何差异;当前陆面过程模型对HR过程的表达存在明显欠缺。该研究将基于经验和物理过程的两种HR方案加入通用陆面模式CLM4.5中,利用亚洲通量网(AsiaFlux)发布的五个森林站点的涡度相关数据来验证模型改进效果,并综合分析HR对上述不同气候区森林生态系统碳-水循环的影响效应。结果显示,水力提升过程(Upward HR)提高了表层土壤湿度,使生态系统蒸散和碳通量分别增加了0.29-0.68 mm H2O day-11.03×10-6-1.64×10-5 g cm2 s1。在青藏高原东北边缘的半干旱森林生态系统中,水力下降过程(Downward HR)明显;在具有季节性土壤冻融过程的森林生态系统中,基于经验性的HR方案比基于物理过程的HR方案更适用。综合研究组已有研究发现,在干湿非同期(生长季和干季重合)的自然生态系统中,水力提升通常发生在干季。在干湿同期(生长季和湿季重合)的自然生态系统中,当年降水量低于400毫米时,水力下降通常会发生;高于800毫米时,则无明显HR过程发生。相关研究成果发表在Journal of Hydrology上。

  (2)植被水分利用策略影响我国生态系统总初级生产力(GPP)对干旱事件的响应

  极端干旱事件发生时,植被水分利用策略的改变影响陆地生态系统碳循环。通用陆面模式CLM5中包含两种植被水分利用策略(图2),即土壤湿度胁迫策略(SMS)和植物水力胁迫策略(PHS)。该研究结合多元观测和模拟手段,分析植被水分利用策略变化如何影响我国不同气候区生态系统GPP对干旱事件的响应。与MODIS数据相比,上述两种配置下模拟的我国GPP高估了2.0%-2.3%,尤其是在青藏高原地区。与土壤湿度胁迫策略相比,植物水力胁迫策略配置下模拟的我国生态系统GPP更符合涡度相关和MODIS观测的数据。植物水力胁迫策略模拟下,干旱事件发生时,水力提升(Upward HR)过程使我国不同气候区自然生态系统GPP增加了0.10-0.63 g cm-2 d-1;水力下降(Downward HR)和高饱和水汽压差,则使中国东南湿润区生长季生态系统GPP减少了0.37-0.45 g cm-2 d-1。相关研究成果发表在Journal of Geophysical Research-Atmospheres上。

  该研究为综合评价陆地生态系统碳水循环的生物调控作用、水资源制约的生态系统生产力变化等,以及陆地生态系统的碳-水循环过程管理工作提供了技术手段和科学依据。

  论文链接:12

图1.干季、湿季和极端干旱事件发生时,森林生态系统土壤湿度、蒸散和碳通量的观测和模拟结果对比评价

图2.通用陆面模式CLM5中两种植被水分利用配置(SMS和PHS)

图3.我国生态系统总初级生产力空间分布的遥感观测和模型模拟结果


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