《Global Change Biology》：Impacts of Atmospheric and Soil Droughts on Carbon and Water Fluxes in Northern European Coniferous Forests: Evidence From Eddy-Covariance Data
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近年来，北欧国家的森林碳（C）汇下降部分被归因于水分限制（即干旱）对森林生产力的影响增强。然而，关于这一点的经验证据仍然有限。研究人员将ERA5-Land再分析数据集与来自瑞典和芬兰针叶林涡度协方差（EC）塔的长期碳和水通量观测相结合，以评估大气干旱（高水汽压
近年来，北欧国家的森林碳（C）汇下降部分被归因于水分限制（即干旱）对森林生产力的影响增强。然而，关于这一点的经验证据仍然有限。研究人员将ERA5-Land再分析数据集与来自瑞典和芬兰针叶林涡度协方差（EC）塔的长期碳和水通量观测相结合，以评估大气干旱（高水汽压亏缺，VPD）和土壤干旱（低土壤水分）影响森林碳吸收的条件。利用再分析数据集，研究人员随后评估了这些条件在研究站点以及整个北欧地区是否变得更加普遍。EC数据表明，碳和水交换仅对极低土壤水分作出响应，而对大气干旱的响应则更为渐进，且最强响应出现在复合干旱期间。在两个站点，孤立的干旱年份导致年总初级生产力（GPP）下降超过10%，年净生态系统生产力（NEP）下降20%–40%。然而，未观察到对年碳通量的频繁和广泛影响。在过去十年中，大气干旱的发生率在整个北欧地区有所增加，而土壤干旱和复合干旱则表现出更为局地的变化。除了分析EC数据中干旱信号的方法学进展外，研究人员的结果还通过将站点尺度通量响应与再分析数据集相结合，揭示了干旱可能如何影响北欧森林的生态系统-大气碳和水通量。结果表明，不断增加的VPD可能是观察到的北欧国家森林生长下降的一个潜在因素，而土壤水分限制可能更为罕见且更具局地性。
近年来，北欧国家的森林碳（C）汇呈下降趋势，对森林和气候政策构成挑战。已有研究将这一现象部分归因于水分限制（即干旱）对森林生产力的影响，但经验证据有限。常规的森林清查和树木年轮数据虽能反映生长变异，却难以揭示调控生长的生理机制。因此，需要借助长期涡度协方差（EC，一种测量生态系统与大气间水热和碳通量的微气象技术）通量观测等手段，检验水分限制是否确实是森林生产力下降的原因。此前关于北欧森林干旱响应的研究在干旱指标定义、时间尺度选择及响应分离方法上缺乏一致性，难以直接比较。为此，研究人员利用瑞典和芬兰七个（半）北方针叶林EC站点的长期数据，结合ERA5-Land再分析数据，系统评估了大气干旱（高水汽压亏缺，VPD，空气饱和水汽压与实际水汽压之差）和土壤干旱（低土壤水分）对森林碳吸收、水分利用及其年尺度通量的影响，并分析了北欧-波罗的海地区干旱发生频率的历史变化。该研究发表于《Global Change Biology》。
研究人员采用的关键技术方法包括：基于ERA5-Land数据定义标准化土壤水分指数（SSMI）和标准化空气水分指数（SAMI），利用经验累积分布函数和标准正态转换，仅基于热生长季数据计算；EC数据来自七个站点（FI-Hyy、FI-Ken、FI-Var、SE-Nor、SE-Htm、SE-Svb、SE-Ros），覆盖1997–2023年，包括欧洲赤松（Pinus sylvestris）、挪威云杉（Picea abies）及混交常绿针叶林；使用矩形双曲线光响应模型和Lloyd-Taylor呼吸温度响应模型计算日尺度总初级生产力（GPP，生态系统光合作用固定的碳总量）和生态系统呼吸（Reco，生态系统自养与异养呼吸释放的碳总量）参数，并以14天滑动平均的期望值定义无水分限制基线，从而获得通量异常（ΔX）；最后采用条件分布采样技术，将日尺度异常与SAMI-SSMI状态关联，估算干旱对年碳通量的贡献。区域分析则比较了1980–2010年参考期与2015–2024年近十年极端干旱日数比例的变化。
**3.1 大气和土壤干旱期间的通量异常**
研究人员发现，蒸散发分数（EF，可用于蒸散发的能量占净辐射的比例）异常（ΔEF）对SSMI的响应仅在FI-Hyy、FI-Var、SE-Htm和SE-Nor四个站点存在明显的阈值（临界SSMI约为-1.5至-2.0），表明土壤水分限制在这些森林中较为罕见。碳通量异常（如ΔGPP、ΔNEP）对SAMI的响应是渐进的，即随着VPD升高逐渐增强；而对SSMI的响应仅在极端干旱（SSMI低于约-2）时显现。最强的通量异常出现在复合干旱（即大气和土壤同时干旱）条件下。净生态系统生产力（NEP，生态系统碳净固定量）的异常主要受GPP驱动，而Reco的响应相对较弱。
**3.2 干旱对年碳通量的影响**
通过条件分布采样，研究人员估算了个别年份干旱导致的年碳通量变化。例如，FI-Hyy站在1999、2006和2018年，干旱导致的GPP下降超过当年GPP的10%；SE-Htm站在2018年（欧洲严重干旱年）GPP下降约240 g(C) m
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?1（约10%），NEP下降约90 g(C) m
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?1（约50%）。然而，在多数站点和年份，未观察到频繁且广泛的年尺度影响，说明干旱导致的年碳通量下降仅在极端年份发生。
**3.3 土壤和大气干旱的发生**
**3.3.1 研究站点的发生情况**
站点尺度上，极端土壤干旱（SSMI<-2）的年发生日数较少，且近十年无一致增加趋势；极端大气干旱（SAMI<-2）则频繁出现。例如，FI-Hyy站在2018年出现约57天极端土壤干旱（SSMI<-2），而其他年份极少。
**3.3.2 区域发生与趋势**
区域尺度上，与1980–2010年相比，2015–2024年间北欧-波罗的海地区极端大气干旱日数比例显著增加，平均每年从4天增加到6天，局地最大增加10天；而土壤干旱和复合干旱的变化呈局地性，未检测到覆盖全区域的一致趋势。
**3.4 干旱是否导致了北欧森林的生长下降？**
研究人员指出，高VPD对GPP的限制较为普遍，但土壤水分限制仅在极端情况下发生。基于区域干旱趋势，VPD可能是北欧国家森林生长下降的潜在因素之一，尤其对欧洲赤松可能影响更强；而土壤水分限制不太可能解释大范围的生长下降，尤其在芬兰北部。研究强调需结合树木年轮宽度和固定样地数据，在空间尺度上分析土壤水分异质性，以避免空间平均模糊化。
讨论部分强调，EC通量观测虽能揭示干旱对生态系统碳交换的影响，但无法直接等同于树木生长变化，因为GPP向净初级生产力（NPP，植物净固定的碳量）的转化及碳分配（如根系分配增加）会调解二者的关系。此外，生长季提前等补偿机制可能部分抵消干旱导致的年碳损失。研究结论认为，土壤水分仅在极端且罕见的条件下限制了北方森林的生态系统功能和碳/水通量；相反，不断升高的VPD在广泛范围内降低了GPP和表观光合能力，意味着VPD限制更为频繁。最强的通量异常出现在复合干旱期间。在年尺度上，显著影响仅发生在少数孤立年份，年GPP最大降幅约10%，未发现持续的干旱诱导的GPP或NEP下降。基于ERA5-Land数据，北欧和波罗的海国家强大气干旱的发生普遍增加，表明与过去几十年相比，VPD对生态系统碳吸收的限制可能已经增强。该研究提供了三个方法论改进：基于SAMI和SSMI的干旱指数框架、从通量时间序列中识别干旱诱导日异常的方法，以及量化临时干旱异常对年碳通量影响的条件分布采样技术。这些方法可推广至全球EC站点，用于不同生态系统和气候区的水分胁迫研究。
