多卫星数据揭示了热带生态系统中碳-水耦合的时空动态及其驱动因素

《Remote Sensing of Environment》：Multi-satellite derived data reveals spatiotemporal dynamics of carbon-water coupling and its drivers in tropical ecosystems

气候变化显著影响热带地区水分利用效率（WUE），本文基于多源卫星数据与11个陆面模型，量化了2001-2020年热带WUE的时空演变，发现WUE以0.007±0.001 g C kg?1 H?O yr?1显著上升，其中热带亚洲增速最快（0.01±0.001 g C kg?1 H?O yr?1）。2015/16年极端干旱导致WUE短期下降（-0.03±0.01），但次年迅速恢复。研究揭示WUE增长主要由GPP增加驱动（5.47±0.60 g C m?2 yr?1），而ET变化较小。叶面积指数（LAI）是影响WUE、GPP和ET的关键因子，陆面模型对WUE趋势的模拟存在速率低估问题。

　　

王翔|傅峥|菲利普·西亚斯|何塞普·佩纽埃拉斯|肖静峰|李星|罗向中|陈驰|夏浩宇|周涛|保罗·C·斯托伊|朱莉娅·K·格林|张芳月

中国科学院地理科学与自然资源研究所生态系统网络观测与建模重点实验室，北京 100101，中国

摘要

气候变化显著影响了热带地区的用水效率（WUE），即总初级生产力（GPP）与蒸散量（ET）的比率。然而，这些地区WUE的时空动态及其控制因素——尤其是极端厄尔尼诺事件的影响——仍不明确。利用多源卫星数据获得的GPP和ET数据集以及大规模观测结果，我们量化了2001年至2020年WUE的变化趋势，并评估了2015/16年厄尔尼诺干旱对热带地区WUE的影响。分析显示，热带地区的WUE呈显著上升趋势，年均增长率为0.007 ± 0.001 g C kg^?1 H₂O yr^?1（平均值 ± 标准差），其中热带亚洲地区的增幅最大（0.01 ± 0.001 g C kg^?1 H₂O yr^?1）。从空间上看，三个独立的遥感驱动数据集一致显示32%–54%的热带地区WUE有所增加，而仅有1%–3%的地区出现显著下降。此外，热带生态系统的GPP显著增加（5.47 ± 0.60 g C m^?2 yr^?1），其中热带亚洲地区的增长率最高（11.45 ± 0.37 g C m^?2 yr^?1），而ET变化较小。这表明热带生态系统的WUE变化主要受GPP增加驱动而非ET变化。进一步分析表明，叶面积是影响热带地区WUE、GPP和ET变化的主要因素。我们还发现，2015/16年厄尔尼诺事件期间的极端干旱导致WUE净减少（-0.03 ± 0.01 g C kg^?1 H₂O），但到2016/17年转为净增加（0.04 ± 0.01 g C kg^?1 H₂O）。与卫星数据相比，大多数地表模型虽然捕捉到了WUE的变化趋势，但模拟的变化速率较慢，且模型间预测趋势强度存在较大差异。本研究加深了我们对热带生态系统WUE动态的理解，为预测未来气候变化下的WUE变化提供了关键见解，有助于制定脆弱热带地区的碳封存和水资源管理策略。

引言

热带陆地生态系统是地球上碳和水循环的最大贡献者，即使这些循环的微小变化也会对全球循环产生显著影响（Lewis等人，2015年）。然而，自21世纪初以来，气温上升、降水模式改变和气候变率加剧开始重塑热带生态系统的过程，对其稳定性和功能构成新的挑战（Uribe等人，2023年；Worden等人，2021年）。此外，近年来频繁的干旱严重威胁了热带地区的水资源供应和植被生产力，影响了碳储存，并可能加剧全球变暖（Wigneron等人，2020年）。例如，2015/16年的厄尔尼诺事件引发了极端高温和干旱，导致前所未有的水分压力、植被死亡率增加、生产力下降，甚至使热带地区从碳汇转变为碳源（Liu等人，2017年；Yue等人，2017年）。因此，研究热带生态系统的用水效率（WUE）对于理解热带生态系统在调节全球碳和水循环中的作用以及改进未来生态系统-气候反馈的预测至关重要（Huang等人，2015年）。WUE是一个关键的耦合指标，它联系了生态系统中的碳固定和水分损失（Beer等人，2009年；Niu等人，2011年），反映了生态系统在包括水资源短缺在内的环境条件下的碳吸收和水分损失平衡情况（Keenan等人，2013年；Wang等人，2023b）。然而，目前对热带生态系统WUE如何响应21世纪初的气候变化——从长期趋势到厄尔尼诺等极端事件——的理解仍然有限，从而阻碍了对这些系统未来碳和水平衡的可靠预测。此外，准确划分GPP和ET对WUE变化的贡献对于确定WUE变化主要是由碳同化变化还是水分损失变化驱动至关重要，这是阐明生态系统对气候变率响应的关键步骤。

估算生态系统WUE的三种主要方法是现场涡度协方差测量（EC）、地表模型（LSM）和基于卫星遥感（RS）的碳和水预算建模（Huang等人，2015年；Keenan等人，2013年；Wang等人，2023b）。尽管EC技术可以直接在生态系统尺度上测量碳和水通量，但由于其在热带地区的覆盖范围有限且生物群落类型代表性不足，难以用于大规模WUE评估（Baldocchi和Penuelas，2019年；Schimel等人，2015年）。相比之下，LSM和RS由于其广泛的空间和时间覆盖范围，被广泛用于区域和全球尺度的WUE评估（Ai等人，2020年；Liu等人，2020年；Lu和Zhuang，2010年；Nandy等人，2022年）。特别是RS能够实现不同生物群落中生态系统功能的连续、一致且重复的空间观测（Ma等人，2025年）。然而，尽管LSM在水热耦合模拟中起着重要作用，但其复杂的结构和参数描述不足常常导致WUE估计的不确定性（De Kauwe等人，2017年；Piao等人，2013年；Sun等人，2016年）。同时，基于RS的生态系统碳-水通量产品也未能充分考虑大气CO₂增加对植被光合作用的影响，从而影响WUE估计的准确性（De Kauwe等人，2016年）。例如，Yang等人（2021年）发现不同遥感产品（FLUXCOM、BESS、PML_V2和GLASS）的WUE时间趋势存在显著差异，特别是在热带地区，这突显了采用多数据集方法减少不确定性并提高WUE估计稳健性的必要性。值得注意的是，基于RS的碳和水通量模型的逐步改进，以及新的遥感指标的出现，为更准确地量化热带地区的WUE动态提供了途径。例如，BESSv2.0（Breathing Earth System Simulator v2.0）通过改进最大羧化率参数并考虑CO₂增加的影响，显著提高了生态系统GPP和ET产品的准确性（Li等人，2023a）。此外，基于太阳诱导的叶绿素荧光（SIF）开发的GPP产品提供了更可靠的碳通量估计（Li和Xiao，2019年）。这些进展为提高热带生态系统WUE的准确性提供了新的研究方向。

先前的研究表明，生态系统WUE的变化受到生物（如植被功能结构）和非生物（如气候环境）因素的综合作用，特别是植被指数（叶面积指数LAI）、温度（MAT）、降水（PRE）、蒸气压差（VPD）、土壤湿度（SM）和辐射（RAD）（Huang等人，2015年；Niu等人，2011年；Wang等人，2023b）。例如，Naeem等人（2023年）发现，2000年至2018年中国生态系统WUE的增加主要是由于生态恢复项目导致的LAI增加。同样，基于EC网络的观测表明LAI显著影响WUE的变化，而MAT和PRE的影响可能主要通过其对LAI的作用体现（Zhu等人，2015年）。相比之下，在印度森林生态系统中，温度是驱动WUE年际变化的主要环境因素，表现为负面影响（Nandy等人，2022年）。此外，现场EC观测显示，RAD和SWC分别是热带草原和森林生态系统WUE季节性和年际变化的主要驱动因素（Hutley等人，2022年；Rojas-Robles等人，2020年）。WUE还与大气水分需求（如VPD）密切相关，基于全球EC站点的放大研究表明，自2001年以来全球VPD的持续增加部分抵消了CO₂的施肥效应，导致全球生态系统WUE饱和（Li等人，2023b）。这种VPD引起的水分压力抑制了植被光合作用（Lu等人，2020年；Yuan等人，2019年）。虽然这些研究提供了关于WUE驱动因素的见解，但实际响应取决于GPP和ET在不同环境因素下的相对变化（Huang等人，2015年）。然而，热带生态系统WUE的主要影响因素仍不明确，目前仍缺乏关于GPP和ET相对变化如何影响WUE的系统性知识和深入理解。

在本研究中，我们利用多源卫星遥感驱动的碳和水通量数据集以及11个地表模型，系统分析了WUE的趋势，并评估了2015/16年厄尔尼诺干旱对热带生态系统WUE的影响。本研究旨在：（i）利用多个遥感数据集量化2001年至2020年热带地区WUE、GPP和ET的时空趋势；（ii）评估2015/16年厄尔尼诺事件对WUE、GPP和ET动态的影响；（iii）确定WUE、GPP和ET变异性的主要环境控制因素；（iv）评估地表模型在模拟观测到的WUE趋势方面的性能。

部分摘录

总初级生产力和蒸散量

我们使用了三种GPP产品和两种ET产品来量化热带生态系统的碳和水耦合动态。GPP数据包括GOSIF-GPP、CEDAR-GPP和BESSv2-GPP，ET数据包括BESSv2-ET和GLEAM-ET。选择这些数据集是因为它们提供了强有力的观测约束，并结合了多种方法，包括基于SIF的观测、CO₂施肥整合、基于过程的建模和土壤水分同化。

WUE、GPP和ET的时空动态

三个卫星驱动的数据集一致显示，过去二十年WUE呈显著上升趋势，尽管不同数据集之间的WUE增长幅度存在差异（图1，图2）。从时间上看（图2），GOSIF/GLEAM和CEDAR/GLEAM数据集显示热带生态系统的年均WUE增长率为0.007 ± 0.001 g C·kg^?1 H₂O·yr^?1，而BESS数据集显示的增长率略高，为0.008 ± 0.001 g C·kg^?1 H₂O·yr^?1。

热带地区碳-水耦合的时空模式和控制因素

本研究显示，热带生态系统的年WUE呈显著上升趋势，与GPP趋势一致（图1，图3）。相比之下，ET变化较小（图5）。基于标准化异常值（z分数）的趋势分析证实了我们的结果可靠性（图S15–S17）。进一步分析表明，WUE和GPP的趋势具有相似的空间分布模式，而ET则缺乏这种明显的空间一致性（图2，S5）。

结论

总之，我们对多源遥感数据的分析显示，2001年至2020年间热带生态系统的WUE呈显著上升趋势，主要受GPP增加驱动。这一上升趋势反映了热带地区碳-水耦合的加强，更高的WUE提高了单位用水量的碳吸收量，并影响了蒸散量对陆地-大气水和能量流动的调节。热带亚洲地区的WUE增长最为显著，这表明

作者贡献声明

王翔：撰写——初稿、软件、方法论、调查、正式分析、概念化。傅峥：撰写——初稿、监督、概念化。菲利普·西亚斯：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。何塞普·佩纽埃拉斯：撰写——审稿与编辑。肖静峰：撰写——审稿与编辑。李星：撰写——审稿与编辑。罗向中：撰写——审稿与编辑。陈驰：撰写——审稿与编辑。夏浩宇：撰写——审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2024YFF1309000）、国家自然科学基金（42471122）、中国科学院（2024000275）以及NSFC优秀青年科学家基金（海外项目）的支持。我们感谢William K. Smith提供的宝贵建议和见解。