全球变暖背景下农业区土壤水分亏缺的新型潜在蒸散发模型构建与验证

本研究针对传统潜在蒸散发(Ep)估算忽略CO2升高(eCO2)与饱和水汽压差(VPD)动态生理响应的局限，创新性地将"单层大叶"模型升级为区分植被/裸土的双源框架，揭示植物气孔阻力(rs)对VPD的调节作用可缓解Ep增长，为准确评估气候变化下农业干旱提供新范式。

　　

随着全球变暖加剧，土壤水分滞留时间缩短与大气蒸散发需求(E_p)上升正对农业生产构成双重威胁。传统参考蒸散发(E_ref)采用固定植被参数，无法反映CO₂浓度升高(eCO₂)与饱和水汽压差(VPD)增加引发的动态生理响应，导致干旱评估存在系统性偏差。更棘手的是，植物气孔关闭与植被扩张等生物物理过程会通过改变气孔阻力(r_s)和空气动力学阻力(r_a)反向调节E_p，这种复杂反馈使得现有"单层大叶"模型在预测未来农业干旱时可靠性存疑。

针对这一科学难题，韩国环境产业技术研究院(KEITI)支持的研究团队在《Journal of Hydrology》发表重要成果。研究人员创新性地将Yang等(2019)和Liu等(2023)的E_p模型从单层框架拓展为区分植被与裸土的双源系统，首次实现eCO₂-VPD气孔响应与叶面积指数(LAI)变化的协同表征。通过分析1985-2020年全球数据并预测2021-210年情景，发现修正后的E_p在农业区增速较E_ref减缓11-23%，主要归因于VPD上升引发的气孔阻力(r_s)增加产生负反馈。这一突破表明传统模型可能高估未来植物水分胁迫程度，为精准农业适应策略制定提供新依据。

关键技术方法包括：1) 基于Penman-Monteith方程构建双源E_p模型，分离植被与裸土组分；2) 整合多源卫星数据量化LAI动态；3) 采用CMIP6多情景驱动模型；4) 通过蒸散比(r_E=E/E_p)计算蒸散胁迫指数(ESI)，并与标准化土壤湿度指数(SSI)对比验证。

【历史E_p估算对比】
分析显示，改进模型(E_p,Y2019和E_p,L2023)在副热带荒漠区出现峰值，反映VPD对E_p的空间调控作用。与E_ref相比，双源框架更准确捕捉到植被扩张导致的r_a升高与eCO₂诱导的r_s下降的拮抗效应。

【向双源模型转型】
模型改进揭示：温带地区实际r_a普遍高于参考草地假设值，而生态系统r_s显著低于E_ref固定的70 s m^-1。这种阻力重分配使修正E_p对气候变暖的敏感性降低18%。

【未来投影差异】
在SSP2-4.5情景下，2050年ESI与SSI的差异达0.32个标准差，凸显非气象因素(如耕作方式)对土壤水分-蒸散发耦合关系的干扰。值得注意的是，eCO₂使C3作物气孔导度下降23%，部分抵消辐射增温对E_p的促进作用。

这项研究开创性地证实：植被生理调节可使未来农业干旱程度较传统预测减轻15-28%。但ESI与SSI的持续偏差也警示，仅改进E_p模型仍不足以完全消除干旱评估的不确定性，未来需加强土壤-植物-大气连续体(SPAC)过程的耦合研究。该成果不仅为全球变化下的水资源管理提供新工具，更深化了对陆地生物地球化学反馈机制的认识。