中国北方落叶松森林蒸散年际变化及其对不同干旱类型的响应

【字体: 时间:2025年05月23日 来源:Ecological Indicators 7.0

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  为探究中国北方森林 ET 年际变化(IAV)及不同干旱类型影响,研究人员基于 8 年涡度相关数据,分析无干旱、大气干旱(A-D)、土壤干旱(S-D)及复合干旱(C-D)下 ET 特征。发现 A-D 使 ET↑18.05%,S-D 使 ET↓19.02%,降水主导 ET 的 IAV,≥15 mm/d 降雨影响显著。

  
森林是陆地生态系统的 “水塔”,其蒸散(ET,土壤蒸发和植物蒸腾的总和)过程对全球水循环和能量平衡至关重要。然而,在气候变化背景下,北方寒温带森林的 ET 年际变化(IAV)规律及其对不同干旱类型的响应机制尚不清楚。大气干旱(高水汽压 deficit,VPD)和土壤干旱(低土壤含水量,SWC)如何单独或共同影响 ET?降水模式的改变又如何调控 ET 的年际波动?这些问题制约着我们对森林水文功能的预测能力。

为填补这一空白,中国研究人员在大兴安岭北方落叶松(Larix gmelinii)森林开展了长期研究。依托漠河森林生态系统研究站,研究团队利用 8 年(2015-2023 年)的涡度相关(EC)技术数据,结合气象观测,系统分析了无干旱(Non-D)、大气干旱(A-D)、土壤干旱(S-D)和复合干旱(C-D)条件下 ET 的动态特征,及其与净辐射(Rn)、气温(Ta)、降水(P)等环境因子的关联。该研究成果发表在《Ecological Indicators》,为寒温带森林水文过程建模提供了关键数据。

研究采用的核心技术包括:①涡度相关系统,用于连续监测森林与大气间的水热通量;②梯度气象观测,获取 Ta、RH、Rn、P 等参数;③土壤水分传感器(CS650),测定 0-40 cm 土层 SWC;④MODIS 叶面积指数(LAI)产品,分析冠层绿度变化;⑤分段线性回归和结构方程模型(SEM),识别干旱阈值及环境因子对 ET 的直接 / 间接影响。

3.1 环境因子与 ET 的年际动态


研究期内,ET 的年际变异较小(变异系数 CV=8.6%),但 ET/P 比值波动较大(CV=24.6%),主要受降水年际变化(CV=31.2%)驱动。大气干旱(VPD>1.0 kPa)使 ET 显著增加 18.05%,而土壤干旱(SWC<0.20 cm3/cm3)导致 ET 显著降低 19.02%。复合干旱条件下,低 SWC 抵消了高大气需求对 ET 的促进作用,故 ET 与无干旱无显著差异。

3.2 不同干旱类型下 ET 的环境调控机制


SEM 表明,大气因子是 ET 响应干旱的关键:无干旱时,净辐射(Rn)对 ET 的总效应最大(系数 0.60);大气干旱下,Rn、Ta、LAI 的总效应相近(0.52-0.51);土壤干旱和复合干旱中,Ta 的直接效应主导(系数 0.69 和 0.65)。VPD 在所有干旱类型中均对 ET 呈负效应,且在复合干旱中作用更强。

3.3 降水模式对 ET 年际变化的影响


降水总量(P)及≥15 mm/d 的强降水事件(P??)是 ET 年际变异的主要驱动因素。P??解释了 92% 的 ET 变异,表明强降水通过补充土壤水分、延长土壤湿润期,间接促进蒸发和蒸腾。而能量需求(如 Rn、VPD)和冠层绿度(LAI)的影响不显著。

讨论与结论


本研究揭示了寒温带落叶松森林 ET 对干旱的双向响应机制:大气干旱通过增强能量驱动促进 ET,土壤干旱则因水分限制抑制 ET,复合干旱的 “供需拮抗” 导致 ET 趋于稳定。降水模式(尤其是强降水事件)而非单纯降水量,是 ET 年际变化的核心调控因子。这一发现挑战了 “能量限制主导北方森林 ET” 的传统认知,强调气候变化下降水格局改变可能加剧森林水文过程的复杂性。

研究结果对全球变化下的森林水资源管理具有重要启示:未来高 VPD 与极端降水频发的背景下,寒温带森林的 ET 动态可能呈现 “大气驱动 - 降水制约” 的双重模式。涡度相关技术与长期生态观测的结合,为量化气候变化对森林水碳通量的影响提供了可靠范式。

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