土壤-植物-大气连续体水-能-碳通量物理一致性数据集：填补全球生态水文过程监测空白的关键突破

本研究针对全球生态系统水-能-碳通量观测数据不连续、土壤状态信息缺失的难题，由西北农林科技大学与荷兰特文特大学联合团队开发了STEMMUS-SCOPE耦合模型系统。通过整合170个FLUXNET站点数据与多源卫星观测，首次构建了包含多层土壤湿度(SM)、太阳诱导荧光(SIF)等38项参数的物理一致性数据集。验证显示模拟净辐射(Rn)、潜热通量(LE)等关键指标与实测高度吻合(中位KGE达0.80)，为LSMs模型评估和气候变化研究提供了全新基准。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，陆地生态系统如何调节水-能-碳循环已成为关键科学命题。然而现有观测网络存在致命缺陷：FLUXNET通量塔虽能测量CO₂交换，但缺乏连续土壤数据；卫星遥感虽覆盖全球却分辨率不足；而传统陆面模型(LSM)又受限于参数化方案。这种数据割裂严重阻碍了对土壤-植物-大气连续体(SPAC)相互作用的认知，特别是在干旱半干旱区，土壤水分(SM)与植被光合作用的耦合机制始终是模型模拟的薄弱环节。

西北农林科技大学联合荷兰特文特大学的研究团队在《Scientific Data》发表突破性成果。研究团队开发的STEMMUS-SCOPE耦合模型创新性地将冠层辐射传输模型(SCOPE)与土壤水热传输模型(STEMMUS)整合，通过物理过程而非经验公式连接光合作用与根区水分动态。利用PLUMBER2项目中170个通量站点的长期观测数据驱动模型，首次生成了包含8层土壤湿度(0-5m)、太阳诱导荧光(SIF)等38个参数的半小时分辨率数据集。

关键技术包括：(1)采用ERA5-Land再分析数据初始化土壤温湿度剖面；(2)整合CM_SoilHydraulic_1km全球土壤水力参数；(3)基于MOD09Q1和OCO-2卫星产品验证反射率与SIF信号；(4)使用Kling-Gupta效率系数(KGE)等5项指标进行多维度验证。

背景与方法
研究团队发现现有FLUXNET2015数据集存在两大局限：土壤湿度数据仅覆盖部分站点且缺乏质量控制信息，而PLUMBER2项目虽改进气象数据质量却完全缺失土壤状态变量。STEMMUS-SCOPE模型通过耦合冠层光合-荧光模块与土壤水热传输方程，实现了对SPAC系统的完整刻画。模型输入仅需全球公开参数集，无需站点特异性调参，这显著提升了结果的普适性。

数据记录
生成的v1.0.3版本数据集包含：

• 能量通量：净辐射(R_n)、潜热(LE)、显热(H)通量的冠层与土壤分量
• 碳通量：总初级生产力(GPP)、净生态系统交换(NEE)
• 深层土壤数据：8层SM(中位KGE=0.24)和土壤温度(ST)(中位KGE=0.56)
• 光学参数：光合有效辐射(PAR)、SIF(与OCO-2卫星R²=0.65)

技术验证
模型在森林站点表现尤为突出：

• 常绿阔叶林(EBF)的LE模拟KGE中位数达0.73
• 深层SM动态与1km分辨率GSSM产品精度相当
• 反射率在非积雪期与MODIS吻合良好(Band2 RMSE=0.010)
  但存在两个明显局限：冻土过程缺失导致高纬度冬季SM误差较大；作物轮作系统因光合途径(C3/C4)切换产生偏差。

讨论与展望
该研究首次实现了从根系吸水到冠层荧光的全链条模拟，三个创新点尤为突出：

1. 物理一致性：通过Ball-Berry方程直接耦合气孔导度与光合作用，避免经验参数化带来的误差
2. 时空扩展性：仅用全局参数即实现多生物群落适用，为无观测地区提供可靠插补
3. 多源验证：联合通量塔、卫星和再分析数据构建立体评估框架

研究揭示的T/ET(蒸腾/蒸散发)比率规律具有重要生态意义：常绿阔叶林的蒸腾主导效应(T/ET=0.69)显著高于灌木群落的0.39，这为解析植被对干旱的适应性提供了新视角。团队计划下一步整合植物水力模块，重点改进干旱区模拟能力，并推动数据集在CMIP6模型评估中的应用。这项研究不仅填补了生态水文观测的关键空白，更为理解陆地碳汇的水分调控机制提供了全新工具。