与降水不足相关的干旱导致中国内陆地区陆地生态系统总初级生产力（GPP）对气温和辐射的敏感性降低

《Journal of Hydro-environment Research》：Precipitation deficit related drought induces the decrease in the sensitivity of GPP to air temperature and radiation in mainland China

本研究基于Noah-MP LSM模型和结构方程模型，分析2001-2022年中国大陆干旱期间GPP对Ta、Rs等变量的敏感性变化，并评估三次典型干旱事件（2002年北方、2013年长江流域、2022年长江流域）的碳损失量（38.12±27.99、30.61±19.70、90.22±40.01 Tg C），揭示干旱通过调控温度与辐射影响光合效率，模型验证表明其能有效模拟潜热通量（相关系数>0.9）和GPP，为生态系统碳循环研究提供新方法。

　　在当前全球变暖的背景下，干旱的频率和强度正在逐渐增加，这给陆地生态系统的碳循环带来了深远的影响。随着气候变化的加剧，干旱不仅影响植被的生长和代谢过程，还可能对整个生态系统的碳储存能力产生重要影响。因此，理解干旱如何改变生态系统中不同变量对总初级生产力（GPP）的敏感性，对于评估碳排放变化以及制定相应的生态管理策略具有重要意义。

GPP作为生态系统中碳循环的关键指标，反映了植被通过光合作用吸收二氧化碳的能力。在干旱条件下，植被可能会经历生理上的应激反应，如气孔关闭，从而减少光合作用效率。此外，干旱还可能改变植被的组成结构，使得耐旱物种逐渐取代敏感物种，进而影响生态系统的碳吸收能力。这些变化不仅对生态系统本身的稳定性构成威胁，还可能对全球碳平衡产生连锁反应。

为了深入探讨干旱对GPP敏感性的具体影响，本研究结合了Noah-MP陆面模型（LSM）与结构方程模型（SEM）的方法。Noah-MP LSM作为一种物理基础模型，能够模拟陆地表面过程，包括能量交换、水分循环以及碳循环等。通过这一模型，研究人员可以分析不同生态变量对GPP的影响，并进一步评估干旱事件对这些影响的调节作用。SEM则用于揭示各生态变量之间的相互关系，以及它们如何共同作用于GPP的变化。

研究结果表明，Noah-MP LSM在模拟中国内陆地区的潜热通量（LH）、土壤水分（SM）和GPP方面表现出良好的性能。在2001年至2022年期间，模型与观测数据之间的皮尔逊相关系数超过了0.9，且显著性水平低于0.05，这说明该模型能够较为准确地反映实际的生态过程。此外，研究还发现，短波辐射（Rs）、空气温度（Ta）和叶面积指数是影响GPP的主要因素。其中，Rs和Ta对GPP的敏感性在南方地区高于北方地区，这可能与南方地区植被类型和气候条件的不同有关。

值得注意的是，在三个代表性的干旱事件期间，GPP对Rs和Ta的敏感性有所下降，但草甸生态系统在长江流域2022年的干旱事件中表现出了不同的趋势。这一现象表明，干旱不仅通过直接的生理机制影响光合作用效率，还可能通过间接的生态机制改变植被的组成和结构。例如，干旱可能导致某些敏感物种的死亡，从而减少生态系统对特定环境变量的响应能力。然而，在某些情况下，如草甸生态系统，干旱可能通过改变植被的生理特性，间接提升其对某些环境变量的敏感性。

研究还发现，不同类型的干旱对植被的影响存在显著差异。气象干旱主要由降水减少引起，这种干旱条件可能会迅速降低GPP，尤其是在生长季节初期。相比之下，农业干旱则更多地与土壤水分短缺有关，其对植被的影响取决于干旱的持续时间。短期的农业干旱有时反而可能促进植被的生长，因为土壤水分的减少可能在一段时间后促使植物适应性增强。此外，气候变化因素如温度升高也可能在一定程度上缓解干旱对植被生产力的负面影响，通过增强土壤与大气之间的相互作用，提高植被的水分利用效率。

为了更全面地评估干旱对GPP的影响，本研究采用了多种方法。首先，研究人员利用Noah-MP LSM模拟了中国内陆地区在2001年至2022年期间的陆面过程，重点分析了与降水减少相关的干旱事件。接着，通过设置不同的干旱情景和典型气象年情景，研究人员使用SEM分析了主要的生化和水文气象变量对GPP变化的影响。这种方法不仅能够揭示干旱对GPP的直接作用，还能进一步探讨干旱如何通过调节生态变量之间的关系，间接影响GPP的变化。

研究结果显示，三个代表性的严重干旱事件分别导致了38.12±27.99、30.61±19.70和90.22±40.01 Tg C的GPP损失。这些数据表明，干旱对生态系统碳吸收能力的影响是显著的，并且在不同地区和不同类型的干旱事件中存在差异。这种差异可能源于生态系统本身的结构和功能特征，以及当地气候条件的复杂性。因此，了解不同生态变量对GPP的敏感性变化，对于评估干旱对生态系统的影响至关重要。

此外，本研究还强调了干旱对生态系统中生物化学和物理过程的复杂影响。干旱不仅会直接减少植被的光合作用效率，还可能通过改变植被的组成和结构，间接影响生态系统的碳储存能力。例如，某些耐旱植物可能在干旱条件下表现出更强的光合作用能力，从而在一定程度上缓解碳吸收的下降。然而，这种适应性变化通常伴随着生态系统的长期调整，可能会对整个生态系统的稳定性和功能产生深远影响。

综上所述，本研究通过结合Noah-MP LSM和SEM的方法，深入探讨了干旱对GPP敏感性的具体影响。研究结果不仅揭示了干旱对生态系统碳循环的复杂作用，还为未来的研究提供了新的视角和方法。随着全球变暖的持续，干旱的频率和强度将进一步增加，因此，理解干旱对生态系统的影响机制，对于制定有效的生态管理和应对气候变化策略具有重要意义。