National Science Review | 大气水分胁迫主导了陆地碳汇和大气CO2浓度的年际变化

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陆地生态系统作为最重要的大气碳汇之一，对于调节全球碳循环以及大气CO2浓度变化扮演着极为关键的作用。然而，科学界对于驱动陆地碳汇年际变化的主导因子仍然存在着巨大争议。之前的多项研究发现温度和陆地储水量是调控陆地碳汇年际变化的主要因素，忽视了全球变暖导致的大气水分胁迫的重要作用。北京师范大学等各单位合作发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）的一项研究中，研究者利用多模型模拟的陆地碳汇以及观测的大气CO2浓度数据，揭示了大气水分胁迫对陆地碳汇年际变化的重要影响。同时发现，与温度和陆地储水量相比，大气水分胁迫扮演着更加重要的角色，然而目前的地球系统模式未能很好地反映其重要影响。1. 陆地生态系统碳汇年际变化的重要作用陆地和海洋生态系统都是重要的大气碳汇，相比而言，陆地生态系统具有更强的碳汇功能，也呈现出更大的增加趋势（图1a）。然而，值得注意地是，陆地碳汇具有强烈的年际变化，其年际波动是海洋碳汇近4倍（图1b），是决定大气CO2浓度的年际变化的关键因素（图2）。因此，准确理解陆地碳汇年际变化特征及其环境主导因素对于预测全球碳循环过程，特别是大气CO2浓度变化具有极为重要的意义。图1. 陆地和海洋生态系统碳汇变化趋势（a）和年际变异特征（b）。

图2. 大气CO2浓度增长年际变异与海洋/陆地碳汇年际变异的相关性。

2. 大气水分胁迫对于陆地碳汇年际变化的主导作用

大气水分胁迫是一个重要的影响陆地植物生长的气象要素，用大气饱和水汽压亏缺（VPD）表示，即大气中实际水汽含量与可以容纳的饱和水汽含量的差值，其值越大表示大气水分胁迫越剧烈，使得植物向外散失水分的压力越强。此时，植物会关闭减少水分散失，同时减少了细胞间的CO2浓度，制约了植物光合作用和陆地碳汇功能。该研究发现VPD与两类模型模拟的全球陆地碳汇年际变化均具有显著的负相关性（图3a），即强烈的大气水分胁迫会显著减少陆地碳汇。同时，VPD的年际变化也与大气CO2浓度增加的年际变化显著相关（图3b）。更为重要地是，VPD对于陆地碳汇以及大气CO2浓度年际变化的决定作用显著强于其他气象要素。这一结论在一定程度上澄清了之前关于该问题的分歧，强调了大气水分胁迫的重要作用，也为理解陆地碳汇和大气CO2浓度年际变化提供了新的重要证据。

图3. 1980-2013年的陆地生态系统碳汇、大气CO2浓度上升速率与大气VPD相关性。（a）经验模型（FLUXCOM）和过程模型（TRENDY）模拟的陆地碳汇年际变化以及大气VPD年际变化；（b）大气CO2浓度上升速率与大气VPD的年际变化。

3. 地球系统模式对于大气水分胁迫影响的模拟能力地球系统模式是预测未来陆地碳汇和大气CO2浓度变化的重要工具。该研究基于19个地球系统模式的模拟结果，分析发现地球系统模式总体上能够反映出大气水分胁迫对陆地碳汇的限制作用（图4a），但是，模式低估了大气水分胁迫的年际变化（图4b），从而导致整体上模式难以准确刻画大气水分胁迫对于陆地碳汇年际变化的重要影响，由此会低估陆地碳汇的年际波动。

图4. 地球系统模式对于大气VPD与陆地碳汇关系的模拟能力。（a）模式模拟的VPD与模拟的陆地碳汇相关性；（b）模式模拟的VPD与观测VPD的相关性。

上述成果以题"Worldwide impacts of atmospheric vapor pressure deficit on the interannual variability of terrestrial carbon sinks"发表在《国家科学评论》（National Science Review, NSR），北京师范大学地表过程资源生态国家重点实验室/全球变化与地球系统科学研究院何斌教授为第一和通讯作者，中山大学袁文平教授为共同通讯作者，瑞典隆德大学Hans Chen博士，瑞典哥德堡大学陈德亮教授，北京大学朴世龙教授等为合作作者。

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