本研究综合利用2015–2023年多源数据，重点聚焦2023年极端热旱事件。研究基于全球碳预算（GCB2024）框架下的卫星约束大气反演结果，结合GCAS额外反演实验，估算加拿大森林的净生物群落生产力（NBP）与净生态系统生产力（NEP）；同时引入多套野火碳排放数据以降低不确定性，并利用两套独立的卫星反演总初级生产力（GPP）产品分离生态系统呼吸（TER）。此外，研究还结合涡度相关通量观测与14个动态全球植被模型（TRENDYv13），系统分析2023年加拿大森林碳收支变化的主导过程及其气候驱动机制。研究首先从加拿大森林整体碳收支出发，定量评估了2023年极端热旱条件下森林碳汇的变化。结果显示，尽管2023年加拿大经历了历史最严重的高温、干旱和野火，但森林净生态系统生产力（NEP）并未减弱，反而显著增强。基于多套卫星约束的大气反演结果估算，与2015–2022年平均水平相比，2023年加拿大森林NEP增加约 0.28 ± 0.23 Pg C，相当于抵消了当年野火碳排放的 38–48%（图1）。这一结果表明，在极端气候背景下，森林碳汇对气候扰动具有显著的缓冲能力。
图1｜2023年加拿大森林陆地碳通量及其相对于2015–2022年的异常
进一步的空间与季节分析揭示了NEP增强的时空特征。2023年正的NEP异常广泛分布于加拿大西部及部分东南部森林区域（图2a、b），且在涡度相关通量观测站点中同样表现出明显的正异常（图2c）。从季节变化来看，NEP的正异常主要出现在 夏季（6–8月），并在6月达到峰值，随后逐渐减弱并在秋季接近多年平均水平（图2g、h）。同时，大气CO₂季节振幅在2023年明显增强（图2i），从独立观测角度进一步验证了森林碳吸收增强的结论。
图2｜2023年加拿大森林NEP、GPP和TER的空间分布及季节变化异常
在明确NEP增强的事实后，研究进一步分解其组成来源。结果表明，2023年森林净碳吸收增强并非主要由总初级生产力（GPP）增加所驱动。相反，生态系统呼吸（TER）在2023年显著下降，是NEP增加的主导因素（图1、图2）。尽管春季偏暖促进了生长季提前启动，使5–6月GPP略有增加，但进入夏季后，持续的高温和严重土壤水分亏缺抑制了光合作用，使GPP由正异常转为负异常。然而，TER在整个夏季持续显著降低，且降幅大于GPP的下降幅度，从而在整体上维持并增强了森林碳汇。
为解释呼吸作用显著下降的原因，研究系统分析了TER对气温、根区土壤水分以及GPP的响应关系。结果显示，TER对气温呈现明显的单峰型非线性响应：当温度升高至最适范围（约14–15 °C）后，进一步升温反而导致呼吸作用减弱（图3）。同时，TER对根区土壤水分也表现出显著敏感性，严重水分亏缺条件下呼吸过程受到强烈抑制。2023年夏季正好叠加了持续高温和极端土壤干旱，使TER降至近9年来最低水平，从而成为NEP增强的关键机制。
图3｜2015–2023年夏季生态系统呼吸对气温、根区土壤水分和GPP的响应关系
最后，研究将观测约束的结果与14个动态全球植被模型（DGVMs）进行对比，发现当前模型普遍未能再现2023年呼吸显著下降的现象（图4）。多数模型仍假设呼吸随温度单调增加，导致在高温年份高估TER、低估森林碳汇强度。这一偏差解释了为何现有模型难以准确模拟极端气候条件下北方森林碳循环的真实响应。
图4｜动态全球植被模型模拟的TER与气候因子关系
本研究利用多源观测与模型数据，揭示了2023年极端热旱条件下加拿大森林净碳吸收增强的关键机制，挑战了“极端气候必然削弱陆地碳汇”的传统认知。研究表明，在严重高温和干旱背景下，生态系统呼吸的显著抑制可在一定程度上抵消生产力下降和野火排放带来的碳损失。该发现强调，在未来气候变化情景下，准确刻画呼吸过程对温度和水分的非线性响应，对于改进陆地碳循环模型和评估北方森林碳汇稳定性至关重要。
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