CO2 浓度升高下植被直接响应对中国季节性土壤水分干旱的南北分异影响及机制研究

针对CO2 升高背景下植被生理效应（如气孔关闭）与结构变化（如叶面积指数LAI）对土壤水分干旱的复杂影响，研究人员通过高分辨率陆面模拟（CSSPv2模型）揭示：中国南方干旱频率降低15%，北方干旱强度加剧47%，气候变暖、LAI变化与CO2 生理效应的贡献率分别为49~54%、19~27%和22~28%，为全球变化下生态-水文耦合机制研究提供关键依据。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，季节性土壤水分干旱已成为威胁粮食安全与生态健康的头号自然灾害。2019年中国一场持续4个月的干旱直接导致235万公顷水稻绝收，经济损失高达150.8亿元。传统研究多聚焦气候变暖对干旱的影响，却忽视了另一个关键角色——植被。随着大气CO₂
浓度持续攀升，植被会通过两种截然相反的方式影响土壤水分：一方面，CO₂
“施肥效应”促进叶片生长（叶面积指数LAI增加），增强蒸散发（ET）导致水分流失；另一方面，CO₂
升高会促使气孔关闭（CO₂
生理效应），减少水分消耗。这两种效应的“拉锯战”如何改变中国干旱格局？这一科学盲区直接关系到未来抗旱策略的制定。

南京信息工程大学Yuan Xing团队在《Journal of Hydrology》发表的研究，首次通过0.25°高分辨率陆面生态水文耦合模型（CSSPv2），量化了CO₂
驱动的植被响应对中国干旱的净影响。研究采用CMIP6多模式数据驱动CSSPv2模型，设置SSP245和SSP585两种情景，分离出气候变暖、LAI变化与CO₂
生理效应的独立贡献，并创新性引入“能量限制区”（如南方）与“水分限制区”（如北方）的机制解析框架。

关键方法

1. 模型构建：基于改进的CoLM模型开发CSSPv2，整合地表-地下水文过程与Ball-Berry气孔导度模型
2. 情景设计：采用SSP245/585情景，对比1971-2000基准期与2015-2100预测期
3. 因子分解：通过控制实验分离气候变暖、LAI变化与CO₂
   生理效应的贡献
4. 干旱指标：定义持续≥1季的土壤水分亏缺为季节性干旱

研究结果

未来气候、LAI与干旱变化
模拟显示：3.0°C变暖阈值下，中国北方LAI增幅达南方2倍，但北方干旱强度反增47%，南方干旱频率下降15%。这种“南缓北剧”的分异源于植被绿化在水分限制区（北方）显著提升ET，而在能量限制区（南方）ET受辐射制约增幅有限。

驱动因子贡献率
全国尺度上，气候变暖、LAI变化与CO₂
生理效应对干旱变化的贡献比为5:2:3。值得注意的是，在变暖幅度差异分析中，生态因子（LAI+生理效应）贡献率超50%，凸显植被响应在跨升温阈值比较中的决定性作用。

CO₂
生理效应的空间均质性
与LAI的南北分异不同，CO₂
生理效应在全国范围内均表现为抗旱作用（贡献率22-28%），因其通过降低气孔导度（stomatal conductance）普遍抑制ET。

结论与意义
该研究首次揭示CO₂
升高下植被响应的“双刃剑”效应：北方需警惕LAI增加引发的干旱恶化，而南方可受益于生理效应的保护作用。这一发现革新了传统干旱预测仅关注气候变暖的认知，提出“气候-生态-水文”三重耦合的新研究范式。实践层面，北方应优先发展抗旱作物品种与节水灌溉，南方则可利用植被固碳与保水的协同效应。研究为IPCC评估报告提供了中国区域实证，其0.25°高分辨率模拟框架也为全球类似研究树立了技术标杆。