重大突破

　　全球气候变化背景下，干旱事件发生频率及强度的增加将对陆地生态系统碳-水循环产生重要影响。植物对不同气候与土壤水分条件的长期适应会形成由一整套相关联的性状组成水分调节策略，例如叶片气孔导度变化和根系水力再分配等。极端干旱事件发生时，植被水分调节策略对陆地生态系统地-气碳水交换的影响仍存在较大的不确定性。另外，当前陆面过程模型在模拟植物调控水分传输的生理机制方面有明显欠缺，这不利于准确评估和预测陆地生态系统关键碳水过程对气候变化的响应。在国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、江苏省自然科学基金项目和中国科学院南京地理与湖泊研究所自主部署项目的共同资助下，付丛生研究员课题组结合多元观测数据和通用陆面模式(Community Land Model, CLM)，开展相关研究并取得如下进展： 

　　（1）极端干旱事件引起的根系水力再分配对森林生态系统碳-水循环的影响 

　　干旱事件频发背景下，根系水力再分配(HR)对森林生态系统碳-水循环的影响在不同气候区有何差异至今仍不清楚。更为重要的是，当前陆面过程模型对HR过程的表达有明显欠缺。本研究将基于经验和物理过程的两种HR方案加入通用陆面模式CLM4.5中，利用亚洲通量网(AsiaFlux)发布的五个森林站点的涡度相关数据来验证模型改进效果，并综合分析HR对上述不同气候区森林生态系统碳-水循环的影响效应。结果显示，水力提升过程(Upward HR)提高了表层土壤湿度，并使生态系统蒸散和碳通量分别增加了0.29–0.68 mm H₂O day^-1和1.03 ×10^-6–1.64 ×10^-5 g C m^？2 s^？1。在青藏高原东北边缘的半干旱森林生态系统中，水力下降过程(Downward HR)十分明显。在具有季节性土壤冻融过程的森林生态系统中，基于经验性的HR方案比基于物理过程的HR方案更适用。综合研究组以往研究结果发现，在干湿非同期（生长季和干季重合）的自然生态系统中，水力提升通常在干季发生。在干湿同期（生长季和湿季重合）的自然生态系统中，当年降水量低于400毫米时，水力下降通常会发生；而高于800毫米时，无明显HR过程发生。该研究成果已在Journal of Hydrology期刊发表，全文链接：https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.124979 

　　图1 干季、湿季和极端干旱事件发生时，森林生态系统土壤湿度、蒸散和碳通量的观测和模拟结果对比评价 

　　（2）植被水分利用策略影响中国生态系统总初级生产力对干旱事件的响应 

　　极端干旱事件发生时，植被水分利用策略的改变影响陆地生态系统碳循环。通用陆面模式CLM5中包含两种植被水分利用策略(图2)：土壤湿度胁迫策略(SMS)和植物水力胁迫策略(PHS)。本研究结合多元观测和模拟手段，分析植被水分利用策略变化如何影响中国不同气候区生态系统总初级生产力(GPP)对干旱事件的响应。与MODIS数据相比，上述两种配置下模拟的中国总初级生产力高估了2.0%-2.3%，尤其在青藏高原地区。与土壤湿度胁迫策略相比，植物水力胁迫策略配置下模拟的中国生态系统GPP更符合涡度相关和MODIS观测的数据。植物水力胁迫策略模拟下，干旱事件发生时水力提升(Upward HR)过程使中国不同气候区自然生态系统GPP增加了0.10–0.63 g C m^-2 d^-1；水力下降(Downward HR)和高饱和水汽压差使中国东南湿润区生长季生态系统GPP减少了0.37–0.45 g C m^-2 d^-1。该研究成果已在Journal of Geophysical Research - Atmospheres期刊发表，全文链接：https://doi.org/10.1029/2020JD033476 

　　图2 通用陆面模式CLM5中两种植被水分利用配置（SMS和PHS） 

　　图3 中国生态系统总初级生产力空间分布的遥感观测和模型模拟结果 

　　上述研究为综合评价陆地生态系统碳水循环的生物调控作用、水资源制约的生态系统生产力变化等研究和陆地生态系统的碳水循环过程管理工作提供重要的技术手段和科学依据。