全球证据表明生态系统呼吸对土壤湿度的响应呈单峰特性

《Advanced Science》：Global Evidence of the Unimodal Response of Ecosystem Respiration to Soil Moisture

生态系统呼吸（ER）与土壤湿度关系的研究发现，全球135个FLUXNET站点中106个呈现单峰响应，最佳土壤湿度（SMER opt）与生长季湿度正相关，干旱区SMER opt较低，长期缺水会抑制ER，挑战了现有模型中单调关系的假设，为碳循环预测提供新见解。

　　生态系统呼吸（ER）是陆地向大气释放碳的主要途径，其对土壤水分的响应一直是碳-气候反馈研究中的关键问题。尽管许多陆地表面模型通常假设土壤水分对ER的影响是单调递增的，即随着土壤水分增加，呼吸碳排放也会持续上升，但本研究通过对全球FLUXNET数据集中135个站点的分析发现，有106个站点表现出土壤水分对ER的单峰响应曲线，即在某个最优土壤水分值（SMER opt）附近，ER达到峰值后随着土壤水分继续增加而下降。这表明，土壤水分过多反而会对ER产生抑制作用，这一发现与传统的模型假设存在显著差异，也为理解碳循环与气候之间的相互作用提供了新的视角。

研究发现，SMER opt的分布存在显著的空间差异，且这种差异主要与当地的水文条件有关。在较干旱的生态系统中，SMER opt通常较低，而在湿润的生态系统中则较高。这种现象可能反映了生态系统对水分条件的适应性，即在长期干旱条件下，ER的最优土壤水分阈值会向更低的水平调整。为了验证这一适应性，研究还进行了一项仅操控水分的田间实验，结果显示，在长期水分亏缺后，SMER opt出现了向下移动的趋势，进一步支持了水分适应性的假设。

土壤水分对ER的影响机制复杂，涉及物理、生理和生化等多个层面。例如，土壤水分过多会导致土壤中氧气扩散受限，从而抑制植物根系和好氧微生物的呼吸活动。此外，水分过多还可能引发养分流失，减少植物和微生物的呼吸底物供应，进而降低ER。值得注意的是，虽然这些机制在某些情况下得到了实验的支持，但由于缺乏长期的观测数据，尤其是在深层土壤水分方面的数据，研究还不能完全确定这些机制是否适用于所有生态系统类型。

在当前的模型中，通常采用单调函数来描述土壤水分对ER的影响，这可能会导致对湿润条件下ER的高估。本研究的结果表明，土壤水分过多对ER的抑制作用有时甚至比水分不足的影响更大，因此，开发能够反映单峰响应特性的新模型，对于更准确地预测气候变化下的碳动态至关重要。同时，研究还发现，一些站点未能检测到SMER opt，这可能是因为这些站点在观测期间土壤水分变化范围有限，未能表现出明显的ER峰值。

此外，研究还探讨了SMER opt的空间分布驱动因素，发现生长季节的平均土壤水分（SM_growth）是影响SMER opt最重要的变量。SMER opt随着SM_growth的增加而向上移动，表明湿润的生态系统具有更高的ER潜力。这一发现不仅揭示了生态系统对水分条件的适应性，也为未来研究提供了方向，特别是在需要考虑深层土壤水分的森林生态系统中，进一步研究SMER opt的变化将有助于更全面地理解ER的动态特性。

总体而言，本研究通过全球尺度的观测数据和实验验证，揭示了土壤水分对ER的非线性影响，以及生态系统对水分条件的适应性。这些发现不仅有助于改进现有的碳循环模型，还为预测和管理碳-气候反馈提供了重要的科学依据。未来的研究应进一步探索深层土壤水分对ER的影响，并结合更多控制实验，以更深入地理解土壤水分在不同生态系统中的作用机制。