干旱区植物水分可利用性对碳-水通量变化的敏感性机制研究

本研究针对陆地碳-水通量模拟中水分约束机制不明确的问题，通过分析大气水汽压亏缺（VPD）、土壤含水量（SWC）和植物水分指标（LSWI）对干旱区森林、灌丛、草地和农田生态系统碳-水通量（GPP、ET、WUE）的影响，发现LSWI对碳-水通量的解释力显著优于VPD和SWC，揭示了植物水分在干旱区生态模型中的核心调控作用，为改进全球变化下的碳-水耦合模拟提供了新视角。

　　

全球气候变化背景下，陆地生态系统如何响应水分胁迫是生态学研究的核心问题。尽管已有模型尝试量化碳-水通量关系，但受制于对水分约束机制的认识不足，当前对总初级生产力（GPP）、蒸散发（ET）和水分利用效率（WUE）的模拟仍存在显著偏差。这一问题在占全球陆地面积41%的干旱区尤为突出，其生态系统对水分变化的敏感性直接关系到全球碳汇功能的稳定性。

中国国家自然灾害防治研究院（National Institute of Natural Hazards）的裴艳艳团队联合国内外学者，通过整合FLUXNET2015通量塔观测与MODIS遥感数据，首次系统比较了大气（VPD）、土壤（SWC）和植物（LSWI）三类水分指标对干旱区四类生态系统碳-水通量的差异化调控机制。研究发现，植物水分指标LSWI与GPP（r=0.47）、ET（r=0.43）和WUE（r=0.33）的相关性显著高于传统使用的SWC和VPD，且偏相关分析证实这种关系不受后两者的干扰。这一突破性成果发表于《Journal of Hydrology》，为改进生态模型的水分响应模块提供了理论基石。

研究采用多尺度分析方法：基于35个FLUXNET通量塔的长期观测数据，结合MODIS地表反射率产品计算LSWI，运用皮尔逊相关和偏相关分析量化三类水分指标与碳-水通量的关系；通过生态系统类型（森林/灌丛/草地/农田）、水分梯度（湿润-干旱）和时间尺度（日/8天/月）三维度解析调控规律的异质性。

关键结果揭示：

1. 年际变异特征：LSWI对GPP、ET和WUE年际波动的解释力最强，尤其在草地生态系统呈现极高相关性（GPP: r=0.72）。
2. 尺度效应：从日尺度到月尺度，LSWI与碳-水通量的相关性持续增强，反映植物水分对长期气候适应的累积效应。
3. 生态系统分异：草本生态系统（草地/农田）对LSWI的响应强度显著高于木本生态系统（森林/灌丛），这与根系深度和冠层结构的差异密切相关。
4. 交互作用：土壤水分仅设定植物可利用水分的上限边界，而大气水分通过限制CO₂扩散间接影响光合作用，植物水分则直接调控气孔导度这一关键生理过程。

理论突破与实践意义：
本研究首次阐明干旱区碳-水耦合的"植物水分主导"机制，挑战了传统模型过度依赖土壤或大气水分指标的范式。发现LSWI在干旱条件下、草本生态系统中具有更强的指示作用，为发展"生态系统类型-气候区"定制化模型提供了科学依据。通过将遥感衍生的植物水分指标引入生态模型，有望显著提升全球变化情景下干旱区碳汇功能的预测精度，对实现"碳中和"目标具有重要支撑作用。

研究同时指出当前模型的局限性：能量闭合效应、冠层结构和根系深度的生态系统差异尚未被充分参数化，这将是未来改进模型时空扩展性的关键方向。该成果为理解陆地生态系统应对气候变化的适应策略开辟了新途径，也为干旱区生态恢复和水资源管理提供了量化工具。