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为探究大气 CO?浓度升高（eCO?）对生态系统冠层导度（G?）的影响，研究人员利用 78 个涡度相关站点数据，结合模型量化 CO?、总初级生产力（GPP）和水汽压亏缺（D）的作用。发现多数站点 G?无显著趋势，GPP 贡献最大，且 CLM5.0 模型低估 G?。该研究为改进模型及预测碳水文循环提供依据。
工业革命以来，大气 CO?浓度持续攀升，深刻影响着地球的碳循环与水文平衡。植物叶片的气孔作为 CO?和水汽交换的 “门户”，其导度（g?）的变化被认为是连接碳 - 水耦合循环的关键环节。早期基于叶片尺度的研究普遍认为，CO?浓度升高（eCO?）会通过诱导气孔部分关闭，降低气孔导度和蒸散量（E），进而提高水分利用效率。这一理论被广泛应用于预测全球变暖和 CO?升高背景下的陆地生态系统功能变化，例如有研究提出气孔关闭可能导致大陆尺度河流径流增加。然而，近年来越来越多区域和全球尺度的观测显示，蒸散量呈现上升趋势，这与叶片尺度的结论相悖，暗示 eCO?对生态系统尺度冠层导度（G?，表征植被冠层与大气间的水汽传输能力）的影响可能被高估。此外，生态系统结构的动态变化，如叶面积指数（LAI）增加、叶片角度分布改变等，可能抵消气孔关闭对蒸腾的抑制作用，使得从叶片到冠层的尺度扩展存在显著不确定性。同时，大气湿度（如水汽压亏缺 D）等气候因子与 CO?的协同作用也未被充分解析，导致现有模型对冠层导度的预测存在较大偏差。因此，亟需从生态系统尺度出发，综合多因子作用，揭示 eCO?对冠层导度的真实影响。
为解决上述科学问题，国内研究团队利用全球 78 个涡度相关站点的长期观测数据，开展了冠层导度趋势及其调控机制的研究。该研究成果发表在《Agricultural and Forest Meteorology》，为理解生态系统对气候变化的响应提供了新视角。
研究人员主要采用以下关键技术方法：
- 涡度相关观测：获取 78 个站点的蒸散量（E）、CO?浓度（C?）、总初级生产力（GPP）和气候数据，涵盖多种植被功能类型（PFTs）。
- 冠层导度计算：基于 Penman-Monteith 方程的逆形式，从实测数据中反推冠层导度（G?）。
- 气孔模型分析：运用 Medlyn 等人改进的气孔模型，量化 C?、GPP 和 D 对 G?趋势（dG?/dt）的独立贡献。
- 陆地表面模型验证：利用社区陆地模型（CLM5.0）模拟冠层导度，评估其对观测数据的再现能力。
研究结果
1. 冠层导度的全球趋势
多数站点（63/78）的年冠层导度无显著趋势。仅 15 个站点呈现显著趋势，且方向不一致：10 个站点下降，5 个上升。例如，地中海地区的草地站点（IT-Mo）G?年增幅最大（0.06 mol?m?2?s?1?year?1），而比利时的作物站点（BE-Lon）降幅最大。这表明全球范围内冠层导度未呈现由 eCO?主导的普遍下降趋势。
2. 各因子对冠层导度的调控作用
- GPP 的主导作用：总初级生产力（GPP）对 G?变化的贡献最大。GPP 反映植被光合能力，其提升可能通过增加叶面积或活性气孔数量，抵消气孔关闭的影响。
- 水汽压亏缺（D）的关键调节：D 对 G?有重要调控作用。在气候条件适宜、D 较低的区域，即使在 eCO?下，G?仍会升高，表明大气湿度是影响冠层水汽传输的重要因子。
- CO?浓度的弱负效应：叶片环境 CO?浓度（C?）在多数站点对 G?有一致但相对较弱的负向影响，印证了 eCO?诱导气孔关闭的生理效应，但该效应在生态系统尺度被其他因子削弱。
3. 陆地表面模型的局限性
CLM5.0 模型系统性低估了 78 个站点的冠层导度，且模型中 CO?对 G?的调控作用被高估，而 D 的作用被低估。这表明现有先进模型未能准确捕捉生态系统尺度的复杂响应，尤其是气候因子与植被结构变化的协同作用。
结论与讨论
本研究通过全球尺度的观测与模型对比，揭示了 eCO?对冠层导度的影响并非普遍存在，生态系统的响应取决于 GPP、D 等多因子的综合作用。传统基于叶片尺度的气孔关闭理论在扩展至生态系统时需谨慎，尤其是在考虑植被结构动态和气候因子的情境下。模型对冠层导度的低估表明，当前地球系统模型可能高估了 eCO?对蒸散的抑制作用，进而影响对径流、碳汇等关键过程的预测。研究结果为改进陆地表面模型提供了实测依据，有助于更准确地预测未来 CO?升高和气候变化下的陆地碳 - 水耦合循环，对水资源管理、气候预测及生态系统保护具有重要意义。
