青藏高原高山草地生产力对大气干旱和土壤湿度的敏感性：空间格局及其决定因素

《Journal of Hydro-environment Research》：Sensitivity of alpine grassland productivity to atmospheric aridity and soil moisture on the Qinghai-Tibet Plateau: Spatial patterns and determinants

青藏高原高寒草地生产力对VPD和SM的敏感性时空异质性及其驱动机制研究，基于1982-2021年遥感数据，揭示了VPD和SM对NPP的阈值效应及地理分异规律，发现高寒草甸对VPD最敏感，高寒荒漠对SM最敏感，气候因素（年均温、降水）是区域敏感性的主要驱动，干旱胁迫加剧NPP与VPD和低SM的负相关，半干旱区效应最显著。

　　青藏高原作为全球海拔最高、面积最大的高原草甸，近年来面临着日益加剧的变暖和强烈的干湿交替现象。这些环境变化对高原草甸的生产力产生了深远的影响，其中水胁迫被认为是植被生长受抑制的主要驱动因素。然而，目前对于高原草甸生产力对蒸气压差（VPD）和根系层土壤水分（SM）的敏感性在空间上的差异及其主要决定因素仍缺乏深入理解。因此，本研究基于长期的卫星观测数据和网格化气象数据（1982年至2021年），量化了青藏高原草甸生产力对VPD和SM的敏感性，并识别了影响不同高原草甸类型干旱敏感性的主要因素。

研究结果表明，在过去的40年中，青藏高原的空气干燥度和土壤干旱程度显著增加，这导致了植被净初级生产力（NPP）的广泛下降。在不同的草甸类型中，高原草原对VPD的敏感性最强，而高原荒漠则对SM的响应最为显著。年均气温和年均降水量是影响草甸干旱敏感性地理变化的重要变量。值得注意的是，NPP与VPD之间呈现负相关关系，但这一关系仅在背景VPD值较低的地区（<1.8 hPa）成立。当VPD值低于某个阈值（7.2 hPa）时，NPP与VPD之间的负相关性更为显著。此外，低土壤水分会加剧这种负相关性，其影响在半干旱地区尤为突出。本研究是关于青藏高原高原草甸NPP对VPD和土壤水分条件的敏感性空间模式及其具体阈值效应的初步探索之一。

除了空气温度、太阳辐射和大气二氧化碳浓度，蒸气压差（VPD）和土壤水分（SM）也被证明是全球植被生长的重要驱动因素。VPD的增加通常伴随着SM的减少，这种组合会导致气孔导度的下降，从而影响植被的光合作用和蒸腾作用。VPD和SM对植被生产力的影响在不同的气候条件和植物功能类型中表现出显著的差异性。也就是说，植被生产力对VPD和SM的敏感性取决于区域的特定条件。全球范围内的分析表明，高寒地区对干旱的敏感性与当地气候条件密切相关，特别是年均降水量和干旱程度，这些地区被认为是需要优先进行保护和恢复的生态敏感区域。

青藏高原因其高海拔和广阔的面积，被广泛认为是全球气候变化的重要预警和敏感区域。近40年来，该地区春季至秋季的平均气温有所上升，这一趋势与全球变暖的总体趋势相一致。同时，春季至秋季的平均降水量也呈现出增加的趋势，但太阳辐射则有所下降。在气候变化的背景下，VPD在草甸区域中的显著增加尤为引人关注，其中高原荒漠地区的VPD增加最为显著。这种VPD的增加与SM的减少相互作用，进一步加剧了植被生长所面临的水胁迫问题。

本研究通过计算卫星数据获得的NPP与VPD以及标准化降水蒸散指数（SPEI）的偏回归系数（斜率），评估了水胁迫对草甸生产力的影响。SPEI在扩展时间尺度（即>6个月）上与SM异常密切相关，因此可以作为土壤水分状况的可靠代理指标。基于8公里分辨率的空间分布数据，我们使用随机森林回归模型，识别了影响不同高原草甸类型（包括草甸、草原和荒漠）干旱敏感性的主要非生物和生物因素，如植被、气候、土壤和海拔等。研究旨在回答以下几个问题：（1）水供应对高原草甸NPP时间变化的影响是否强于空气温度和太阳辐射？（2）哪些高原草甸类型对VPD的敏感性高于SPEI所代表的SM动态？（3）不同类型的高原草甸在NPP对VPD和SPEI的响应模式中，哪些因素起到了主导作用？

研究结果表明，水供应对高原草甸NPP时间变化的影响确实显著，且在某些情况下甚至超过了空气温度和太阳辐射的作用。此外，高原草原对VPD的敏感性高于其他类型，而高原荒漠则对SM的变化更为敏感。这些发现为准确识别干旱敏感区域提供了科学依据，并有助于支持高原草甸的适应性管理措施。通过分析不同草甸类型对水胁迫的响应，本研究不仅揭示了水胁迫在植被生产力变化中的核心作用，还为未来气候变化背景下高原生态系统的可持续管理提供了重要的参考。

在研究过程中，我们发现水胁迫对高原草甸生产力的影响具有显著的空间异质性。例如，在高原草原中，随着VPD的增加，NPP的下降趋势更为明显，而高原荒漠则表现出对SM变化的高度敏感性。这可能与不同草甸类型在水分利用策略上的差异有关。高原草原由于其较高的蒸腾作用，对大气干燥度的响应更为直接；而高原荒漠则依赖于有限的土壤水分资源，因此其生产力对SM的波动更为敏感。这种差异性表明，不同草甸类型在应对水胁迫时具有不同的适应机制，这些机制可能与植被的形态结构、生理特性以及土壤的持水能力等因素密切相关。

此外，我们还发现，年均气温和年均降水量在不同草甸类型对水胁迫的响应中起到了关键作用。例如，在年均降水量较低的地区，SM的波动对NPP的影响更为显著，而在年均降水量较高的地区，VPD的增加则对NPP产生了更大的负面影响。这种地理差异可能与区域的气候条件、土壤类型以及植被覆盖度等因素有关。因此，理解这些因素如何共同作用，对于评估和预测未来水胁迫对高原草甸生产力的影响至关重要。

本研究还强调了水胁迫在植被生产力变化中的主导地位。在过去的40年中，青藏高原的水胁迫程度显著增加，这不仅影响了植被的生长，还对整个生态系统的稳定性构成了威胁。随着全球气候变暖的持续，预计未来水胁迫的强度将进一步增加，特别是在高海拔地区。因此，加强对于水胁迫机制的研究，有助于制定更有效的生态保护和恢复策略，以应对未来可能发生的干旱事件。

综上所述，本研究揭示了水胁迫在青藏高原高原草甸生产力变化中的关键作用，并为理解不同草甸类型对水胁迫的响应提供了新的视角。这些发现不仅有助于提高我们对高原生态系统变化机制的认识，还为全球气候变化背景下的生态保护和管理提供了重要的科学依据。通过深入分析水胁迫的影响，我们能够更好地预测未来生态系统的演变趋势，并采取相应的措施来减轻其对植被生产力的负面影响。