全球陆地水储量减少对植被生产力的胁迫机制及碳汇响应研究

本研究针对气候变化下陆地水储量(TWS)减少如何影响植被碳同化的关键问题，整合多源卫星观测、水文模型与机器学习方法，揭示土壤湿度(SM)、蒸汽压亏缺(VPD)等水热因子对光合作用的调控机制。研究发现TWS下降导致全球植被总初级生产力(GPP)减少3.20-7.10 g m-2 day-1，为气候适应策略提供重要理论支撑。

　　

论文解读

气候变化背景下，陆地生态系统作为重要的碳汇，每年吸收约30%的人为CO₂排放。然而，日益频发的极端干旱事件正严重威胁这一生态功能。传统研究多聚焦单一水文要素（如降水或土壤湿度）对植被的影响，却忽视了陆地水储量(TWS)——这一包含地表水、土壤水和地下水的综合指标——对碳循环的系统性调控。尤其令人担忧的是，全球约40%的植被生长区已出现TWS持续下降趋势，但其对碳吸收的动态影响机制仍是未解之谜。

为破解这一难题，中国研究人员联合国际团队在《Agricultural and Forest Meteorology》发表重要成果。研究创新性地融合GRACE/GRACE-FO卫星观测、245个通量塔站点数据和17个水文模型，构建了首个机器学习约束的全球TWS重建数据集。通过随机森林模型和路径分析，首次量化了不同干旱等级下TWS减少对植被生产力的非线性影响，并预测了未来气候情景下的生态风险。

关键技术方法
研究整合三大类数据源：1）FLUXNET2015/AmeriFlux/ChinaFlux网络的245个通量站点GPP（总初级生产力）、TER（生态系统呼吸）观测；2）GRACE/GRACE-FO反演的TWS数据；3）CMIP6多模型集合的未来气候预测。采用机器学习方法重建1901-2022年全球0.5°分辨率TWS数据集，结合路径分析解析水热因子（SM/VPD/降水/辐射）的交互作用。

研究结果

碳通量对水热胁迫的响应
分析显示：1）植被生产力对VPD（蒸汽压亏缺）的敏感性是SM的1.8倍，尤其在干旱区VPD每增加1 kPa可使GPP下降23%；2）温带草原在TWS<100 mm时出现光合作用"断崖式"下降，而热带森林能维持生产力直至TWS<50 mm；3）辐射(RAD)与温度的正效应仅在TWS>150 mm时显著。

陆地水储量减少对碳吸收的制约
路径分析揭示：1）TWS通过SM-VPD耦合路径解释76%的GPP变异；2）当TWS低于气候均值30%时，干旱区作物GPP下降达40%，而森林仅降15%；3）未来SSP1-2.6情景下，中纬度地区TWS减少将使年GPP损失2.4 Pg C yr^-1。

结论与展望
该研究首次建立TWS-植被生产力的定量响应曲线，发现：1）TWS阈值效应显著，当降至气候均值80%时全球GPP开始非线性下降；2）水热因子交互放大效应使干旱区碳汇功能加速衰退；3）到2100年，即使低碳排放情景下极端干旱事件也可能使全球GPP减少12%。这些发现为"基于自然的解决方案"提供了精准调控靶点，建议将TWS纳入全球碳汇评估指标体系。研究特别指出，中国东北黑土区与北美大平原等粮食主产区的灌溉策略需优先考虑深层储水消耗的累积效应。