全球生物群系树木蒸腾及其降温效应的长期趋势、动态与驱动机制对比研究（1995—2018）

《Environmental and Experimental Botany》：Contrasting long-term trends, dynamics and driving mechanisms in trees' transpiration and their associated cooling across global biomes over 1995-2018

　　

研究人员评估了1995—2018年全球不同生物群系中树木蒸腾（Tr）及其降温效应的长期趋势。结果表明，Tr及其降温效应在湿润生物群系中呈增加趋势，而在干旱生物群系中呈下降趋势。降温效应的时间变率在湿润生物群系中受空气温度（Ta）控制，在干旱生物群系中受土壤含水量（SWC）控制；春季Ta、夏季SWC和秋季饱和水汽压差（VPD）共同影响Tr和降温效应的季节格局。干旱生物群系中气候敏感性的降低表明，植物采取了水分保存（water-conservation）策略。

研究背景与意义：全球变暖预计使极端气候事件更频繁、更强烈，威胁生态环境和植物功能结构。树木通过蒸腾作用消耗热量并降低空气温度，是重要的自然降温机制。然而，以往基于地面数据的树木蒸腾降温认识多限于短期观测或单个生态系统，难以支撑跨生物群系的长期比较；遥感与模型研究常受地表温度（LST）与空气温度（Ta）关联弱、空间分辨率和参数化不确定性的限制。因此，利用长期原位液流观测数据，评估全球不同生物群系树木蒸腾（Tr）及其降温效应（ΔT）的长期趋势和驱动机制，对理解植被-气候相互作用及基于自然的降温方案具有重要意义。

基于上述问题，研究人员从全球树木液流数据库SAPFLUXNET v0.1.5中选取1995—2018年全球68个站点，涵盖热带雨林（TRF）、温带森林（TF）、热带森林—稀树草原（TFS）、林地/灌丛（W/SL）、亚热带荒漠（STD）和温带草地荒漠（TGD）六种生物群系，共803棵树、107个树种。通过计算年/月尺度的Tr、蒸腾耗热（Q）和ΔT，发现湿生物群系中Tr与降温增强、干生物群系中减弱，且驱动因子存在分异。该结果突显了水分可利用性在调控树木降温中的核心作用，为不同生物群系制定气候适应与减缓策略提供了观测依据。

主要关键技术方法：研究人员采用液流密度（SFD）原位监测数据，按胸径等级和林分边材面积将单株Tr尺度上推至林分尺度，并结合蒸发潜热（λ）与空气柱热容量计算蒸腾耗热（Q）和降温幅度（ΔT，°C m^-2 d^-1）。数据经统一质控、插补和1.405系数校正，仅分析生长季（北半球4—10月，南半球平移6个月）。统计上使用简单/多元线性回归、Sen斜率估计、方差分析（ANOVA）和偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）路径分析，以识别水文气象因子对ΔT的直接、间接和总影响。样本来源：SAPFLUXNET v0.1.5数据库的68个站点。

研究结果：

3.1 水文气象变量的长期趋势与变异：基于Sen斜率和年际变异系数（CV）分析，1995—2018年所有生物群系的生长季平均气温（Ta）、饱和水汽压差（VPD）、相对湿度（RH）、降水（P）和土壤含水量（SWC）存在明显分异。Ta在所有生物群系均呈上升趋势；SWC在TRF和TF中上升，在TFS、W/SL、STD和TGD中下降；各变量的CV范围分别为Ta 2.21%–18.48%、VPD 16.74%–50.47%、RH 4.05%–14.66%、P 18.12%–58.36%、SWC 17.88%–54.38%。这表明水文气象背景的变化为Tr与ΔT的长期分异提供了环境条件。

3.2 树木蒸腾及其降温效应的长期趋势与变异：研究人员对生长季年/月平均Tr、Q、ΔT拟合线性趋势，发现TRF和TF中三者均呈上升趋势，其中TRF增幅最明显（Tr、Q、ΔT斜率分别为0.127、0.293、0.271）；TFS、W/SL、STD和TGD则呈下降趋势，其中TFS降幅最大（-0.117、-0.315、-0.231）。月尺度上，TRF的Tr和ΔT较稳定，峰值出现在9—10月；TF和TFS自春季向夏季升高后下降；W/SL、STD和TGD在夏季（6—8月）下降，反映水分胁迫抑制蒸腾。

3.3 蒸腾降温的水文气象调控：通过相关分析、多元线性回归和PLS-SEM路径分析，ΔT对水文气象因子的响应存在生物群系差异。在TRF和TF中，ΔT与Ta呈显著正相关（R²=0.74），Ta是主要正驱动因子（路径系数0.66）；在TFS、W/SL和荒漠中，ΔT主要由降水（P）诱导的SWC控制，SWC可独立解释58%–73%的ΔT变异（路径系数0.75）。VPD和RH在所有生物群系中对ΔT的直接效应不显著。敏感性分析显示，TRF/TF对Ta的敏感性高，干旱生物群系对SWC敏感性高；季节上，春季ΔT对Ta最敏感，夏季对SWC最敏感，秋季对VPD敏感。

讨论与结论：讨论指出，暖湿生物群系中Ta和SWC同步上升，维持了树木生理功能和较高蒸腾，从而增强降温；干热生物群系中水分为主要限制因子，植物通过降低气孔导度和叶面积等适应机制减少水分消耗，导致Tr和降温下降。长时间尺度上，VPD和RH对ΔT的解释能力有限，SWC在干旱区起关键作用。干旱区植物对大气因子敏感性降低，反映其水分保存策略。研究亦指出，液流校正系数、尺度转换和探头创伤等不确定性可能影响林分尺度估算，未来需提供原始电压信号并纳入地表温度、感热/潜热通量等指标。

研究结论可译为：树木Tr及其降温效应在TRF和TF中增加，在TFS、W/SL、STD和TGD中减少；这与所有生物群系Ta上升、SWC在湿区上升而干区下降的趋势一致。季节格局主要受夏季SWC影响，湿生物群系呈上升趋势而干旱生物群系下降。在TRF/TF中Ta是ΔT变异的主要驱动因子，在TFS/W/SL/荒漠中由P诱导的SWC调控ΔT，这与气候模型一致。干旱区植物降低ΔT对大气变量的敏感性，表明其采取水分保存策略。这些发现对理解树木生物物理-气候相互作用、制定跨生物群系的气候适应与减缓策略具有重要意义；未来纳入蒸腾/蒸散比将有助于更完整认识生态系统水分损失与热舒适问题。