全球植被生产力对地表风速变化的显著敏感性研究

《Nature Communications》：Significant sensitivity of global vegetation productivity to terrestrial surface wind speed changes

本研究针对地表风速变化影响陆地生态系统生产力的机制不明这一关键问题，通过整合多源卫星观测、再分析数据、通量塔观测和CMIP6模型模拟，系统揭示了风速变化对全球总初级生产力（GPP）的负敏感性（-156.67至-65.82 gC m-2 yr-1 (m s-1)-1）。研究发现1983-2010年间风速下降是仅次于大气CO2浓度上升的第二大GPP增长贡献因子（6.0%-7.8%），其核心机制是通过降低大气干旱度和土壤干燥度来调节气孔导度。该研究为理解百年尺度全球碳动态提供了关键理论支撑。

　　

随着工业革命的推进，人类活动显著改变了全球气候系统，其中地表风速的变化近年来逐渐引起科学界的关注。自1960年代以来，全球陆地表面风速呈现出下降趋势，这一现象被学者们称为"陆地静止"。尽管2010年后部分区域出现风速回升，但气候模型预测21世纪风速将再次进入下降通道。风速作为影响植被结构和功能的关键环境因子，其变化对生态系统碳循环的影响机制尚不明确，特别是风速变化如何通过复杂的生物物理过程调控植物光合作用，成为当前全球变化生态学研究的重要空白点。

为系统解析风速变化对陆地生态系统生产力的影响机制，由中国科学院南京地理与湖泊研究所领衔的国际研究团队，在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。研究团队创新性地整合了多源数据：包括三种卫星反演的总初级生产力数据集（NIRv GPP、EC-LUE GPP和P-model GPP）、FLUXNET通量塔观测数据、三种风速再分析数据集（CRU、ERA5和MERRA2）以及六个CMIP6模型输出结果。通过主成分回归（PCR）方法量化GPP对风速变化的敏感性（?GPP/?Wind），并利用社区陆地模型第5版（CLM5）设计控制实验，分离风速变化对GPP的纯效应。

关键技术方法包括：1）基于主成分回归的环境因子敏感性分析，消除变量间共线性；2）CLM5模型模拟实验，通过控制风速变量（1%增减和去趋势处理）验证机制；3）中介效应分析量化蒸气压亏缺（VPD）和土壤含水量（SWC）的中介作用；4）结构方程模型（SEM）解析植被生长与风速的反馈机制；5）利用CMIP6多模型集合预估未来气候变化情景下的风速-GPP关系。

风速的年代际变化特征

再分析数据和CMIP6模型模拟均显示，1983-2010年全球陆地表面风速呈现显著下降趋势，2011-2030年出现短暂回升，而2031-2100年将再次转为下降。具体而言，CRU、ERA5和MERRA2再分析数据集显示1983-2010年风速下降趋势分别为-0.042、-0.017和-0.031 m s^-1 decade^-1，而2011-2020年则分别以0.039、0.031和0.036 m s^-1 decade^-1的速度上升。CMIP6模型预估2031-2100年风速下降趋势为-0.0078至-0.0101 m s^-1 decade^-1。

GPP对风速变化的敏感性

通过主成分回归分析发现，卫星观测、通量塔观测和CMIP6历史模拟均显示?GPP/?Wind以负值为主，中位值分别为-65.82、-121.65和-84.18 gC m^-2 yr^-1 (m s^-1)^-1，表明风速下降会促进GPP增加。CLM5模拟实验进一步验证了这一关系：风速降低1%可使GPP增加0.41 gC m^-2 yr^-1，而去趋势实验显示1983-2014年间风速下降贡献了0.26 gC m^-2 yr^-1的GPP增长。

风速影响GPP的机制

研究揭示了风速通过四条路径影响GPP：改变叶片边界层阻力（r_b）、调节气孔导度（g_s）、改变叶片温度（T_v）和影响光合能力。CLM5实验表明，风速下降1%虽使边界层阻力增加0.50%（抑制GPP），但通过降低VPD（-0.06%）和增加土壤含水量（0.03%）使气孔导度提升0.07%（促进GPP）。由于GPP对气孔导度变化的敏感性更高，净效应表现为风速下降促进GPP。

中介分析显示，大气干旱度（VPD）和土壤干旱度在?GPP/?Wind中的中介效应分别为17%和10%，表明风速主要通过缓解水分胁迫来增强光合作用。特别是在高纬度地区，风速下降对VPD和土壤水分的调节作用更为显著。

风速变化对GPP趋势的贡献

1983-2010年间，风速下降贡献了0.25 gC m^-2 yr^-2的GPP增长趋势，贡献率达6.0%-7.8%，仅次于大气CO₂浓度上升。在七种植物功能型中，草地对风速引起的GPP趋势变化贡献最大（26.8%-73.3%），这与其显著的?GPP/?Wind负值和广泛的全球分布有关。未来情景下（2031-2100年），尽管风速下降趋势减缓，但由于GPP对风速的敏感性增强（?GPP/?Wind达-156.67 gC m^-2 yr^-1 (m s^-1)^-1），风速下降对GPP的贡献仍将保持重要地位。

本研究首次系统量化了风速变化对全球植被生产力的影响强度与机制，揭示了"陆地静止"现象通过缓解水分胁迫显著增强生态系统碳汇功能。研究发现风速下降已成为历史时期GPP增长的第二大驱动因子，未来虽贡献位次可能变化，但仍是碳循环模拟中不可忽视的关键环节。特别值得注意的是，草地对风速变化的响应最为敏感，这为优化草地生态系统管理以增强碳汇功能提供了科学依据。该研究通过多源数据融合和模型模拟，降低了地球系统模型对未来碳汇预估的不确定性，为全面理解全球碳循环的气候反馈机制提供了新视角。