生态系统呼吸温度敏感性的土壤湿度阈值

《Global Change Biology》：Soil Moisture Thresholds for the Temperature Sensitivity of Ecosystem Respiration

　　

摘要

生态系统呼吸 (ER) 是生物源 CO₂ 排入大气的最大来源，其在达到最大值之前的温度敏感性 (Q₁₀) 对于理解陆地 - 气候反馈至关重要。然而，尽管数十年的研究表明 Q₁₀ 在空间、时间和生物群系中存在相当大的差异，但这种变异性的潜在机制仍未解决。在此，我们证明 Q₁₀ 的全球变化可以在一个统一的水热框架内得到调和。使用来自全球 142 个涡度协方差站点的数据，我们表明 Q₁₀ 对土壤湿度表现出单峰响应。在每个站点，Q₁₀ 首先随土壤湿度增加而增加，在达到阈值 (SM_th) 时达到峰值，然后下降。这个 SM_th 是生态系统特异性的，这与涉及植物 - 土壤 - 微生物相互作用的机制一致，由长期水文气候格局和土壤物理限制所塑造。SM_th 的全球制图显示，目前地球上约 25% 的植被覆盖土地运行在 SM_th 之上，包括许多富含碳的泥炭地和热带森林，在那里，适度的干燥可能会放大温度敏感性并加速碳损失。通过确定土壤湿度阈值是对 Q₁₀ 的一阶控制，我们的研究提供了一种统一的机制，将水文状态与碳通量的热敏感性联系起来。该框架为预测呼吸对气候变化的响应提供了预测基础，通过明确解决土壤湿度的变化是将生态系统推向还是远离这些关键阈值。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

本研究使用的 FLUXNET2015 数据集可通过 FLUXNET 数据门户 (https://fluxnet.org/data/fluxnet2015-dataset/) 公开获取，并且包括碳、水和能量的半小时通量，以及站点级气象变量。站点级土壤属性提取自 ISRIC 提供的 SoilGrids v2 全球数据库 (https://soilgrids.org/)，该数据库提供物理和化学土壤属性的 1 公里分辨率网格数据层。地上生物量碳 (ABC) 数据获取自 http://wald.anu.edu.au/data_services/data/global-above-ground-biomass-carbon-v1-0/。用于全球规模建模的额外气候变量获取自 CRU TS v4.06 数据集 (https://crudata.uea.ac.uk/cru/data/hrg/)，分辨率为 0.5°，包括月最高和最低温度 (TMX, TMN)、年平均降水量 (MAP) 和潜在蒸散发 (PET)。土壤湿度数据源自欧洲航天局 (ESA) 气候变化倡议 (CCI) 土壤湿度项目 (https://www.esa-soilmoisture-cci.org/)，分辨率为 0.25°，并使用双线性插值重采样至 0.5°。代码可用性：用于分析的 Matlab 代码可在 https://github.com/QinZhang861/Soil-moisture-thresholds 上获取。