森林、草原和耕地水分利用效率的变化趋势及其气候响应

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森林、草原、耕地是响应全球气候变化的陆地生态系统的主要类型,与人们的生产生活、社会经济、生态经济密切相关。量化不同植被类型下的水分利用效率对当前生态环境局势的响应是预测和适应气候变化的关键。然而,在森林、草原和耕地生态系统中,生态系统水分利用效率(Ecosystem Water Use Efficiency,EWUE),固有水分利用效率(Inherent Water Use Efficiency,IWUE),潜在水分利用效率(Underlying Water Use Efficiency,uWUE)的变化趋势及其气候控制的基本过程仍不清楚。本研究利用全球通量网FLUXNET2015中落叶阔叶林(deciduous broadleaf forests,DBFs),常绿针叶林(evergreen needleleaf forests,ENFs),草原(grasslands,GRAs),耕地(croplands,CROs)5 年以上的 42 个站点的数据,研究了森林、草原和耕地生态系统水分利用效率的变化趋势以及不同水分利用效率指标间变化趋势的共性与差异,并探究了不同气候因子对森林、草原和耕地水分利用效率趋势共性的影响因素。本研究的主要结果如下:(1)森林、草原和耕地生态系统水分利用效率的平均趋势基本上都是增加的。DBF和GRA两种植被类型中IWUE的平均增长速率最高,其次是uWUE和EWUE。而在CROs和ENFs中未出现类似情况,其中,CROs的速率变化从大到小依次为uWUE,IWUE,EWUE。ENF中则依次为EWUE>IWUE>uWUE。(2)ENFs中水分利用效率的平均斜率总是高于其他三种植被类型。在EWUE 和 uWUE 中,均呈现了 ENFs>CROs>DBFs>GRAs 的顺序,而在 IWUE中,草原的平均趋势不再是最小,并排列在耕地和森林(DBFs)之前。另外,气候因子的变化在不同植被覆被类型下也呈现出一定的共性和差异性,比如大气二氧化碳浓度(Ca)和短波辐射(SR)均呈上升的趋势,其他自变量诸如水汽压差(VPD)、土壤含水量(SWC)、气温(TA)、风速(WS)在不同生态系统中则趋势各异。(3)EWUE的增长主要是由于总初级生产力(gross primary productivity,GPP)的速率增长,而GPP和蒸散发(evapotranspiration,ET)之间也存在显著正相关关系,这说明ET的变化可能部分促进或抵消了其他因素对GPP的刺激或抑制作用。另外,3个水分利用效率(water use efficiency,WUE)指标在不同植被类型对比中也体现出了显著正相关关系,反映了不同WUE指标间存在可替换的可能性。(4)WUE对气候变化的响应存在一定的共性。在DBFs、ENFs、GRAs中WS对WUE均呈负影响,而Ca对其均呈正影响。同样,在DBFs、ENFs、GRAs中,VPD对IWUE和uWUE均呈正影响。CROs中只有VPD和TA影响了 EWUE和IWUE的增长。从解释度上看,VPD是对水分利用效率最重要的气象驱动因子,而WS则只在DBFs、ENFs、GRAs中占据最重要的位置。本研究针对全球森林、草原和耕地3个典型陆地生态系统碳水循环间的特征,通过分析和比较反映生态系统碳-水耦合特性的不同水分利用效率指标的性能,探究不同生态系统水分利用效率之间的共性和差异,阐明了森林,草原,耕地生态系统中碳水规律及水分利用效率对不同影响因子(如气温、风速、短波辐射、水汽压差、大气二氧化碳浓度、土壤含水量等)的响应和反馈机制,可为不同水分利用效率指标在森林、草原和耕地生态系统间的应用提供借鉴。其结果有助于理解全球气候变化下典型陆地生态系统的碳水循环机制,在应对气候变化、制定可持续发展战略和措施、改善和保护人类生活方面有着十分重要的意义。
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