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干旱事件時植被水分調節對陸地生態系統碳-水循環的影響研究取得進展

  全球氣候變化背景下,干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,例如葉片氣孔導度變化和根系水力再分配等。極端干旱事件發生時,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較大的不確定性。另外,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有明顯欠缺,這不利于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共同資助下,付叢生研究員課題組結合多元觀測數據和通用陸面模式(Community Land Model, CLM),開展相關研究并取得如下進展: 

  1)極端干旱事件引起的根系水力再分配對森林生態系統碳-水循環的影響 

  干旱事件頻發背景下,根系水力再分配(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至今仍不清楚。更為重要的是,當前陸面過程模型對HR過程的表達有明顯欠缺。本研究將基于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)發布的五個森林站點的渦度相關數據來驗證模型改進效果,并綜合分析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,并使生態系統蒸散和碳通量分別增加了0.29–0.68 mm H2O day-11.03 ×10-61.64 ×10-5 g C m-2 s-1。在青藏高原東北邊緣的半干旱森林生態系統中,水力下降過程(Downward HR)十分明顯。在具有季節性土壤凍融過程的森林生態系統中,基于經驗性的HR方案比基于物理過程的HR方案更適用。綜合研究組以往研究結果發現,在干濕非同期(生長季和干季重合)的自然生態系統中,水力提升通常在干季發生。在干濕同期(生長季和濕季重合)的自然生態系統中,當年降水量低于400毫米時,水力下降通常會發生;而高于800毫米時,無明顯HR過程發生。該研究成果已在Journal of Hydrology期刊發表,全文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.124979 

1 干季、濕季和極端干旱事件發生時,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 

  2)植被水分利用策略影響中國生態系統總初級生產力對干旱事件的響應 

  極端干旱事件發生時,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(2):土壤濕度脅迫策略(SMS)和植物水力脅迫策略(PHS)。本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中國不同氣候區生態系統總初級生產力(GPP)對干旱事件的響應。與MODIS數據相比,上述兩種配置下模擬的中國總初級生產力高估了2.0%-2.3%,尤其在青藏高原地區。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中國生態系統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,干旱事件發生時水力提升(Upward HR)過程使中國不同氣候區自然生態系統GPP增加了0.10–0.63 g C m-2 d-1;水力下降(Downward HR)和高飽和水汽壓差使中國東南濕潤區生長季生態系統GPP減少了0.37–0.45 g C m-2 d-1。該研究成果已在Journal of Geophysical Research - Atmospheres期刊發表,全文鏈接:https://doi.org/10.1029/2020JD033476 

2 通用陸面模式CLM5中兩種植被水分利用配置(SMSPHS 

圖3 中國生態系統總初級生產力空間分布的遙感觀測和模型模擬結果 

  上述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研究和陸地生態系統的碳水循環過程管理工作提供重要的技術手段和科學依據。 

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