氮沉降重塑北半球植被物候气候敏感性的时空格局与驱动机制

《Journal of Plant Ecology》：Nitrogen Deposition Significantly Altered the Climatic Sensitivity of Vegetation Phenology

本研究针对氮沉降如何影响植被物候气候敏感性这一关键科学问题，通过整合野外控制实验、遥感观测和陆面模型模拟，系统分析了1982-2022年北半球中高纬度地区植被生长季开始期(SOS)和结束期(EOS)对温度(Tem)、土壤湿度(SM)和饱和水汽压差(VPD)的敏感性变化。研究发现氮沉降显著增强了SOS对VPD的敏感性(SVPD)，同时降低了其对温度和土壤湿度的敏感性；而EOS的气候敏感性变化主要受大气CO2驱动。该研究为全球变化背景下植被动态预测提供了新的理论依据。

　　

随着全球变化的加剧，植被物候（指植物发芽、开花、落叶和休眠等周期性生长过程）作为反映植物对环境变化响应的重要指标，其变化深刻影响着生态系统生产力、物种相互作用以及碳水和水分循环。然而，在气候变暖、氮沉降增加等多重压力下，植被物候如何响应这些变化，特别是其对关键气候因子（如温度、水分）的敏感性如何演变，仍不明确。传统研究多聚焦于单一气候因子的影响，且受限于观测数据的时空尺度，难以揭示长期大尺度格局。氮作为植物生长发育的必需营养元素，其沉降量的增加可能通过改变植物养分吸收、水分利用效率等生理过程，进一步调控物候对气候的敏感性，但相关证据仍存在矛盾。

为解决上述问题，湖南师范大学的李鹏、周晓璐等研究人员在《Journal of Plant Ecology》上发表了最新研究成果。他们巧妙融合了野外氮添加控制实验、长时间序列遥感观测以及多模型模拟，系统探讨了1982至2022年间北半球中高纬度地区氮沉降对植被物候（特别是生长季开始期SOS和生长季结束期EOS）及其对温度(Tem)、土壤湿度(SM)和饱和水汽压差(VPD)敏感性的影响。

研究发现，过去四十年间，SOS对VPD的敏感性(S_VPD)呈现增强趋势，而对温度(S_Tem)和土壤湿度(S_SM)的敏感性则减弱。相比之下，EOS的气候敏感性未表现出显著的一致变化趋势。模型分析进一步揭示，随着氮沉降水平的升高，SOS对VPD和温度的敏感性均显著增强（S_VPD斜率a=1.07 d unit^-1, P<0.01; S_Tem斜率a=0.10 d unit^-1, P<0.01）；而EOS对土壤湿度的敏感性(S_SM)随氮沉降增加显著减弱(a=-1.82 d unit^-1, P<0.05)，S_VPD也呈下降趋势(a=-0.38 d unit^-1, P<0.01)。归因分析表明，氮沉降是导致SOS气候敏感性变化的主要驱动因子，而大气CO₂浓度上升则主导了EOS对S_SM的敏感性变化。

主要技术方法

本研究综合利用了三类数据源：1）从文献数据库中系统收集的全球26个氮添加实验站点的物候观测数据；2）基于GIMMS NDVI 3G+数据生成的北半球植被关键物候期数据集（1982-2022年，空间分辨率8公里），并结合ERA5/ERA5-Land再分析气象数据（温度、土壤湿度、相对湿度，用于计算VPD）以及多尺度合成与陆地模型比较计划(MsTMIP)提供的全球氮沉降数据；3）来自MsTMIP的三个陆地生物圈模型(CLASS-CTEM-N, CLM4, CLM4VIC)模拟的总初级生产力(GPP)数据（1982-2010年，空间分辨率0.5°）。物候期提取结合了动态阈值法和分段逻辑函数法。气候敏感性通过多元回归分析量化，其长期趋势采用10年滑动窗口分析评估，并利用多模型情景模拟（BG1, SG1, SG2, SG3, RG1）进行驱动因子（氮沉降、气候胁迫、大气CO₂）的归因分析。

研究结果

3.1 植被物候气候敏感性的时空趋势

空间分布显示，SOS对VPD(S_VPD)、土壤湿度(S_SM)和温度(S_Tem)的敏感性趋势存在显著差异。S_VPD增加的区域更为广泛，占研究区域的68.2%；而S_SM和S_Tem减少的区域则更广，分别覆盖60.8%和67.5%的研究区。相比之下，EOS的气候敏感性未表现出显著的空间分异 pattern。

3.2 氮添加与植被物候气候敏感性的关系

控制实验分析表明，增加的氮沉降放大了温度和VPD对SOS的提前效应。随着施氮量的增加，VPD和温度对SOS的提前作用加速。相反，氮添加实验表明，增加土壤湿度会导致EOS延迟，但这种延迟效应随着施氮水平的增加而减弱。相关分析揭示了氮沉降对SOS的S_VPD、S_SM和S_Tem趋势的影响存在显著空间差异，氮沉降导致66.6%的研究区域S_VPD趋势增加，58.1%的区域S_SM趋势下降，61.4%的区域S_Tem趋势下降。

按氮沉降浓度区间计算的平均物候气候敏感性表明，S_Tem和S_VPD随氮沉降浓度升高而显著增加，尤其在温带针叶林、山地草原和灌丛等春季对温度和VPD敏感的植被类型中。对于EOS，S_SM和S_VPD均呈现下降趋势，沙漠和旱生灌丛对土壤水分和干旱最为敏感。

3.3 植被物候气候敏感性的归因分析

基于多情景模型的归因分析显示，氮沉降情景下S_Tem的趋势与物候气候敏感性的时间趋势一致，是S_Tem增加趋势的主要贡献者。SOS的S_VPD趋势显著增加，氮沉降是其增加趋势的关键驱动因子。对于EOS，S_SM和S_VPD的下降趋势中，氮沉降是S_VPD观测趋势的主要贡献者，而大气CO₂是S_SM观测趋势的主要贡献者。

研究结论与意义

本研究通过整合实验观测、遥感和模型模拟，揭示了氮沉降对植被物候气候敏感性的深刻影响。结果表明SOS的气候敏感性发生了显著转变，S_VPD随时间增强，而S_Tem和S_SM则下降；EOS未呈现一致趋势。升高的氮沉降加剧了这种格局，导致SOS的S_Tem和S_SM降低但S_VPD增加，同时EOS的S_SM显著降低。情景归因分析确定氮沉降是SOS敏感性改变的主要驱动力，而EOS的S_SM变化主要受大气CO₂调控。

这一发现强调了氮沉降在调控物候响应中的关键作用。SOS对氮沉降的响应源于植物碳氮代谢的协同调控和水分利用效率的提高，而EOS的S_SM则主要受大气CO₂改变碳代谢和水分平衡的影响。这种季节分异的调控模式表明，SOS主要受养分介导的生长启动机制控制，而EOS则由缓解环境胁迫的碳水协调策略调控。该研究超越了以往仅关注植被物候与单一气候因子关系的研究，提供了一个综合多重气候因子及氮沉降的全面分析框架，深化了对全球环境变化下植被生态系统响应机制的理解，为更准确地预测植被动态、改进生态系统模型参数化以及进行更稳健的气候影响评估提供了理论依据，对生态系统管理和生物多样性保护具有重要启示。