南京师范大学李龙辉教授课题组丨Glob. Planet. Change
在全球气候变暖背景下，陆地生态系统面临日益增强的水分胁迫，其中土壤水分减少所导致的陆地干旱以及饱和水汽压差升高所引发的大气干旱成为影响植被生长的重要水分限制因素。随着气温持续升高，大气蒸发需求不断增强，饱和水汽压差呈显著增加趋势，同时降水时空分布的不均衡以及蒸散过程的强化使得土壤水分持续下降，进一步加剧陆地表层干燥程度。这两种干旱过程往往在陆气相互作用机制下同时发生，并通过复杂的反馈机制共同影响生态系统水分循环与能量交换，从而对植被生长、碳吸收能力以及生态系统稳定性产生深远影响。已有研究表明，干旱胁迫不仅能够抑制植物光合作用和气孔导度，还可能导致植被生长减缓甚至大规模死亡，对全球碳循环和生态系统功能产生重要影响。然而，在不同气候背景和干旱度条件下，植被对土壤水分和大气干旱的响应机制仍存在显著差异。一方面，在水分受限地区，植被生长通常对土壤水分变化更加敏感；另一方面，在水分相对充足地区，大气蒸发需求的增强可能成为限制植被生长的重要因素。此外，植被对干旱胁迫的响应不仅具有即时效应，还可能表现出明显的时间滞后和累积效应，这进一步增加了理解陆地生态系统水分调控机制的复杂性。因此，在全球气候变化持续加剧的背景下，深入理解陆地干旱与大气干旱对植被结构变化的相对影响及其在不同干旱度梯度下的变化规律，对于准确评估生态系统对气候变化的响应、改进陆地碳循环模拟以及制定生态系统适应气候变化的管理策略具有重要意义。本研究从陆地—大气耦合水分过程的角度出发，系统探讨了土壤水分与蒸汽压亏缺在不同干旱度梯度下对植被结构变化的相对作用，并在分析过程中综合考虑了干旱影响的时间滞后和累积效应，从而更加全面地揭示了植被对多尺度水分胁迫的响应特征。研究通过构建多时间尺度的干旱特征变量，并利用多种机器学习算法对植被结构变化进行归因分析，有效整合了多源数据和多模型信息，使不同干旱因子的影响能够在统一框架下进行量化比较。研究结果揭示了土壤水分与蒸汽压亏缺在不同气候干旱度条件下对植被变化具有明显不同的主导作用，并表现出沿干旱度梯度变化的动态平衡关系，从而从机制层面深化了对陆地—大气干旱耦合影响植被结构变化的理解。同时，研究进一步指出时间滞后和累积效应能够显著改变干旱因子对植被变化的贡献程度，使得土壤水分的影响在考虑时间效应后得到强化，而大气干旱的作用相对减弱。这一分析框架将干旱过程的时序特征与机器学习归因方法相结合，为揭示复杂气候因子对生态系统结构变化的综合影响提供了新的思路，也为未来在全球变化背景下评估生态系统水分胁迫风险和预测植被变化趋势提供了重要参考。陆地干旱和大气干旱均会导致植被结构发生变化，但两者对植被变化的相对贡献仍缺乏清晰认识。本文利用八种机器学习算法，系统评估了1982—2020年北半球土壤水分和饱和水汽压差对叶面积指数变化的相对贡献。研究结果表明，随着干旱度指数的增加，土壤水分对叶面积指数的相对贡献逐渐降低，而饱和水汽压差的贡献则逐渐增加。在干旱地区，土壤水分对植被结构变化的影响显著强于饱和水汽压差，而在湿润地区则表现出相反的特征。此外，在考虑时间滞后和时间累积效应后，土壤水分对叶面积指数变化的相对贡献进一步增强，而饱和水汽压差的贡献则在大多数区域显著减弱。研究表明，在当前土壤水分持续下降和饱和水汽压差不断增加的气候背景下，陆地干旱与大气干旱对植被结构变化呈现出明显的“跷跷板效应”。该发现有助于更加准确地理解和预测未来气候变化条件下植被生态系统的响应。
