东北亚地区的土壤退化加剧了植被对土壤和大气干燥的敏感性

《Global and Planetary Change》：Aridification enhancing vegetation sensitivities to soil and atmospheric dryness in Northeast Asia

土壤湿度和水汽亏空对东北亚植被生产力的调控机制及气候变化响应研究。基于GLASS-GPP数据与随机森林算法分析，发现干旱区植被生长以土壤湿度为主导，半干旱至湿润区则水汽亏空影响更显著。研究揭示在变暖干旱背景下，植被对水资源的敏感性增强，半湿润区对VPD更敏感，这对全球碳循环模型改进和生态系统脆弱性评估具有重要参考价值。

　　

王志凯|陈文|廖金玲|陈尚峰|吴长浩

中国科学院大气物理研究所季风系统研究中心，北京，中国

摘要

由温室气体引起的变暖加剧了水分胁迫，这在调节干旱到湿润过渡带的陆地植被生长中起着关键作用，对全球碳循环有着重要影响。然而，植被生产力对变暖气候的敏感性变化仍知之甚少。自21世纪初以来，东北亚（NEA）的初级生产力（GPP）显著下降，这主要是由于土壤湿度（SM）的显著减少和水汽亏缺（VPD）的增加。我们的研究通过随机森林（RF）算法探讨了SM和VPD对GPP变化的相对影响，并发现植被生长在干旱梯度上的响应存在明显差异：干旱地区的植被生长主要受SM影响，而在半干旱到湿润地区VPD的影响更为显著。在变暖和干燥的条件下，植被对水分的敏感性增强，半干旱到湿润地区的植被越来越容易受到VPD的影响。随着干旱地区的扩张和气候变异性的加剧，理解这些敏感性对于预测生态系统脆弱性和评估植被对未来气候情景的响应至关重要。

引言

陆地生态系统吸收了大约30%的人为二氧化碳（CO₂）排放，对全球碳汇起着重要作用（Friedlingstein等人，2023；Reichstein等人，2013）。温度上升和CO₂的施肥效应通过促进光合作用和延长生长季节增强了陆地碳吸收和植被绿度（Fang等人，2019；Piao等人，2013，Piao等人，2020）。然而，在过去的几十年里，这些益处越来越多地被更频繁和更严重的气候极端事件所抵消，如干旱（Berenguer等人，2021；Ciais等人，2005）、热浪（Bastos等人，2020；van der Woude等人，2023）和野火（Byrne等人，2024；Jain等人，2024），这些事件破坏了陆地碳汇（Reichstein等人，2013；Zscheischler等人，2014）。来自动态全球植被模型（DGVMs）的证据表明，2011年至2020年间，这些气候引起的扰动导致全球陆地碳汇减少了15%（Friedlingstein等人，2022）。

东北亚（NEA）主要包括中国北部和蒙古高原，其气候特征是从干旱到湿润的过渡类型，降水量低且气候变异性大（Chen等人，2024；Piao等人，2021；Wang等人，2024）。这些条件使得NEA的植被生长比相邻的湿润地区更容易受到气候扰动的影响（Brookshire和Weaver，2015；Konings等人，2017）。自21世纪初以来，NEA经历了明显向更温暖和更干燥条件的转变（Cai等人，2024；Piao等人，2017；Zhang等人，2020）。这种转变表现为热浪和干旱的频率和强度显著增加（Hessl等人，2018；Li等人，2024；Wang等人，2022a）。同时，明显的变暖和干燥趋势严重抑制了植被生长（Lee等人，2023；Yuan等人，2014），导致蒙古高原东部的初级生产力（GPP）显著下降，尤其是在21世纪初（He等人，2022；Ma等人，2019）。

在水资源有限的地区，水分可用性是植被生长的主要限制因素（Beer等人，2010；Wang等人，2024）。低土壤湿度（SM）是植被干旱胁迫的公认指标（Liu等人，2020）。此外，地表土壤干燥也会加剧高温（Humphrey等人，2018，Humphrey等人，2021），进而通过增加水汽亏缺（VPD）加剧大气干燥。在干旱条件下，这些综合效应会导致这些地区的植被快速退化和相关的碳释放（Berdugo等人，2020；Huang等人，2016；Lian等人，2021），从而放大气候扰动对全球碳循环的影响（Ahlstr?m等人，2015；Poulter等人，2014）。了解SM和VPD在决定植被生产力变化中的相对作用对于改进全球碳循环模型中的陆地碳汇模拟以及增强对未来气候影响下陆地碳封存预测至关重要（Fu等人，2022；Liu等人，2020）。植被生长对SM和VPD的敏感性在不同地区存在显著的空间差异（Liu等人，2020；Wang等人，2025b）。以往的研究主要集中在21世纪初NEA地区植被生产力和绿度的时空变化上。然而，不同干旱和湿润气候阶段下SM和VPD在调节植被生长中的主导地位的动态变化仍不甚明了，特别是在过渡气候带内的不同干旱和湿润子区域之间的差异。

为了解决这些空白，我们首先确定了NEA地区植被生产力具有显著十年变化的区域及其转折点。随后，我们分析了植被对SM和VPD的时空敏感性模式，特别关注在不同干旱和湿润气候阶段下它们相对主导地位的变化。

部分摘录

基于卫星的数据集

本研究中使用的植被生产力数据来源于全球陆地表面卫星（GLASS）产品，该产品提供了基于NASA高级非常高分辨率辐射计（AVHRR）长期数据记录和修订后的涡度协方差-光利用效率（EC-LUE）模型（Li等人，2013；Liang等人，2021）得出的GPP估计值。该模型考虑了大气CO₂浓度和VPD对GPP的影响。GLASS-GPP数据集的准确性已经得到

东北亚的显著GPP下降和气候变化

东北亚主要由温带草原、稀树草原和森林覆盖（图1a），是一个典型的干旱到湿润的过渡带，AI值介于0.1到0.9之间（图1b）。东北亚的变暖和干燥气候变化对植被生长产生了深远影响，尤其是在生态脆弱地区（Hessl等人，2018；Lee等人，2023）。为了评估植被对观察到的气候变化的响应，采用了经验正交函数（EOF）分析来识别

讨论与结论

本研究调查了东北亚地区植被生产力的十年变化及其与同期气候异常的关联。自21世纪初以来，蒙古高原和中国北部的GPP显著下降，这与土壤湿度的显著减少和VPD的增加相吻合。这些变化与PDO和AMO相关的海表温度（SST）模式有关，这些模式共同加剧了土壤和大气干燥，抑制了水分

CRediT作者贡献声明

王志凯：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据管理。陈文：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，项目管理，调查，资金获取，概念化。廖金玲：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，项目管理，调查，资金获取，概念化。陈尚峰：撰写 – 审稿与编辑。吴长浩：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：42230605和42375044）的共同支持。