《Agricultural and Forest Meteorology》：Critical snowpack thresholds and escalating risks for extreme decreases in vegetation productivity across Northern Hemisphere ecosystems
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雪pack减少导致植被生产力极端下降，主要与土壤湿度变化相关。研究显示约10%的NH地区在雪pack减少超30%时出现EDVP，响应峰值出现在-1.33σ的SWE水平，温暖干燥区 grassland 最脆弱，未来因气候变化雪pack减少风险显著上升。
刘浩|肖鹏峰|张学良|苗欣|唐波|刘彦涛|陈思勇|加雷斯·里斯|朱卫民
江苏省先进遥感与地理信息技术重点实验室，自然资源部陆地卫星遥感应用重点实验室，南京大学地理与海洋科学学院，中国江苏南京
摘要
季节性积雪是影响植被生产力动态的关键因素，但目前尚不清楚在何种积雪变化程度下会导致植被生产力极端下降（EDVP），这增加了对陆地碳循环评估的不确定性。本研究探讨了不同程度积雪变化对EDVP的影响，并分析了北半球（NH）不同生态过程在其中的角色。结果表明，在约10%的北半球地区，超过30%的积雪减少事件之后会发生EDVP事件（p < 0.05），这主要归因于积雪的水分效应（通过改变土壤湿度）。平均而言，当雪水当量（SWE）低于平均值0.85个标准差（σ）时，EDVP对积雪变化的响应会迅速增强，在-1.33σ时达到峰值。此外，温暖干燥地区的植被（尤其是草原）对SWE减少更为敏感，其抵抗力随着降水量的增加而显著增强。根据SSP5-8.5情景，由于积雪减少，未来更多地区将面临EDVP发生的风险显著增加，预计约8%的北半球地区每年都会发生EDVP。我们的发现强调了积雪减少在调节EDVP中的重要性，并为更好地预测和缓解积雪变化的生态后果提供了依据。
引言
季节性积雪覆盖了北半球（NH）大约50%的陆地面积，通过能量和水文过程对植被生产力产生深远影响（Bokhorst等人，2016；Wang等人，2018；Wieder等人，2022）。通常情况下，更多的积雪可以降低植被根部的霜冻风险，并增加土壤湿度及养分供应，从而促进早期碳吸收（Brooks等人，2011；Knowles等人，2017；Chen等人，2019b）。然而，在气候变暖的情况下，北半球大多数地区的积雪量显著减少，对植被生产力构成了威胁（Brown等人，2017；Niittynen等人，2020；Zhu等人，2022）。作为生态系统健康的一个指标，监测植被生产力动态对于气候调节和陆地碳平衡至关重要（Keenan等人，2013；Piao等人，2017）。因此，了解积雪变化如何影响植被生产力至关重要。
许多研究表明，积雪与植被生产力之间的关系因生态系统、水热条件和地形因素而异（Peng等人，2010；Trujillo等人，2012；Wu等人，2018；Slatyer等人，2022）。例如，积雪减少显著降低了阿拉斯加北部的草地生产力，但对灌木丛生产力的影响较小（Pattison和Welker，2014）。在青藏高原，干燥寒冷地区主要观察到正相关关系，而在湿润温暖地区则出现负相关关系（Liu等人，2023a）。此外，一些在站点或区域尺度上的研究表明，植被生产力对积雪极端变化的响应幅度更大（Galvagno等人，2013；Song等人，2017），甚至可能导致生态系统从碳汇转变为碳源（Pirk等人，2023）。总体而言，积雪变化的程度（强度）越大，植被生产力的响应也越大。然而，植被通常具有一定的抗气候变化能力（Isbell等人，2015；Seddon等人，2016；Flach等人，2021），这意味着并非所有积雪变化都会导致植被生产力极端下降（EDVP），从而威胁植被生长。
关于EDVP对气候变化响应的临界点，人们越来越关注。最近的一项研究表明，全球约有25%的森林正接近其临界点（Forzieri等人，2022）。随着积雪变化的加剧（IPCC，2022），确定引发EDVP的积雪变化临界阈值对于评估未来生态系统是否面临不稳定风险至关重要。然而，与其他气候变量（如气温和降水量）相比（Zeppel等人，2014；Zhang等人，2022a；Li等人，2024），触发植被生产力极端响应的积雪变化程度仍知之甚少，尤其是在大尺度上。这一知识空白使得识别哪些植被生产力区域最易受积雪变化影响变得困难，并增加了陆地碳循环动态的不确定性。
在这项研究中，我们基于多源数据集详细评估了不同程度积雪变化对北半球EDVP的影响。我们回答了以下三个关键问题：（1）EDVP是否与积雪变化同时发生？（2）是否存在引发EDVP的积雪变化临界阈值？（3）未来植被生产力是否面临更高风险的积雪事件？我们的研究结果将有助于深入了解植被生产力对积雪变化的响应，并为气候适应规划提供参考。
数据
总初级生产力（GPP）常被用作植被生产力的指标（Li等人，2022；Zhang等人，2022b）。在此，我们使用了通过平均三种全球GPP产品得出的月度GPP估计值来减少结果的不确定性，这些产品包括空间分辨率为0.05°的GLASS GPP（Yuan等人，2010）、NIRv GPP（Wang等人，2021）和BEPS GPP（Chen等人，2019a）。
植被生产力的极端下降与积雪减少有关
我们首先研究了积雪变化与EDVP之间的关系，发现它们主要呈负相关（图2），即积雪减少通常会导致更多的EDVP事件。当VSWE（|VSWE|）的绝对值为0.6时，积雪减少对EDVP有显著影响的面积比例最大（约10%，p < 0.05）。在积雪增加的情况下（正相关），显著影响区域相对较小，所有水平下的最大面积均小于2%
讨论
总体而言，积雪减少对EDVP有显著影响（北半球约10%的植被覆盖区域），而积雪增加则相反，这与以往的研究结果一致，即积雪变化与植被生产力主要呈正相关（Knowles等人，2018；Leffler等人，2016）。积雪减少与EDVP同时发生的比率平均至少为0.3，并且随着积雪变化强度的增加而增加。
结论
本研究强调了积雪减少在调节北半球EDVP中的重要性及其主要生态过程。EDVP对积雪变化的响应通常遵循非线性轨迹，其关系主要受积雪变化的水分效应控制。特别是温暖干燥地区的植被对积雪减少的抵抗力较低。因此，需要采取更多措施来确保这些地区的生态稳定性。
CRediT作者贡献声明
刘浩：撰写——初稿、方法论、正式分析、概念化。肖鹏峰：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。张学良：撰写——审阅与编辑、资金获取。苗欣：撰写——审阅与编辑、可视化。唐波：撰写——审阅与编辑、可视化。刘彦涛：撰写——审阅与编辑。陈思勇：撰写——审阅与编辑。加雷斯·里斯：撰写——审阅与编辑。朱卫民：撰写——审阅与编辑。
