在全球变暖背景下，北半球冻土区正在发生快速变化。过去，人们更多关注北极、欧亚大陆、北美以及青藏高原冻土区植被“变绿”的现象，也就是植被生产力和生物量增加。然而，越来越多的观测也显示，在一些区域，植被正在出现“变褐”——植被绿度和生产力下降。这一变化不仅影响生态系统功能，也关系到冻土区碳吸收能力和冻土碳反馈的不确定性。
近日，南京大学吴谋松等联合国内外多家科研机构，在Nature Communications发表题为“Vegetation browning patterns under compound soil and atmospheric dryness in northern permafrost ecosystems” 的研究，系统揭示了北半球冻土区低矮灌丛和草本植被变褐的空间格局及其水分胁迫机制。
研究关注什么问题？
冻土区储存着巨大的土壤碳库。气候变暖和冻土退化会改变土壤水热条件，并进一步影响植被生长和生态系统碳吸收。已有研究对冻土区“变绿”机制有较多认识，但对“变褐”尤其是低矮灌丛和草本植被为什么变褐，仍缺乏区域尺度上的系统解释。
本研究聚焦一个关键问题：当土壤水分减少与大气蒸发需求增强同时发生时，是否会推动冻土区植被变褐？
关键创新
第一，研究从单一植被指数扩展到多源遥感证据。团队综合使用了MODIS NDVI、太阳诱导叶绿素荧光SIF、叶片叶绿素浓度FCC等多种遥感产品，并结合CMIP6地球系统模式模拟，对欧亚大陆、北美和青藏高原冻土区的植被变化进行了系统评估。
第二，研究提出并量化了“土壤—大气复合干旱”对冻土区植被变褐的作用。团队用生长季根区土壤水分和大气水汽压亏缺之间的年际相关关系，诊断低土壤水分是否与高大气干旱同步出现，从而刻画复合水分胁迫。
第三，研究不仅识别了变褐格局，还进一步分析了气候、冻土、土壤、植被、地表水体和火灾等因素如何调节复合干旱的空间差异，为理解冻土生态系统未来风险提供了新的机制框架。
主要发现
研究发现，2001—2018年间，北半球冻土区总体上仍表现出植被变绿趋势，但变褐现象也十分显著。基于MODIS NDVI结果，约20%的研究区出现显著变褐，面积约60万平方公里。其中，欧亚冻土区、北美冻土区和青藏高原均存在不同程度的植被变褐。
进一步分析显示，变褐区域普遍受到土壤干旱和大气干旱的共同影响。在欧亚和北美变褐区域，约98%的区域同时经历了根区土壤水分下降和大气水汽压亏缺增加；在青藏高原，这一比例也达到约70%。这说明，植被变褐并非仅由升温或降水变化单独控制，而与土壤供水不足和大气蒸发需求增强的叠加密切相关。
研究还发现，不同区域的控制机制存在差异。欧亚和北美地区的复合干旱与变暖、冻土连续性、活动层变化等因素密切相关；青藏高原则表现出更强的大气干旱约束，生长季降水和植被物候变化对复合干旱具有重要调节作用。
CMIP6模式结果表明，未来冻土区土壤—大气复合干旱可能持续或增强。这意味着，在持续变暖和冻土退化背景下，冻土区低矮植被面临更高的生产力下降风险；如果再叠加野火等突发扰动，冻土生态系统碳汇功能可能进一步减弱。
研究意义
这项研究表明，冻土区植被响应气候变化并不是简单的“变绿”过程。随着气候变暖加剧，土壤水分供应、大气干旱和冻土水文过程之间的耦合将深刻影响植被生产力和碳循环。
研究提示，未来地球系统模式需要更加显式地刻画冻土水热过程、活动层变化、土壤水分可利用性以及植被水分胁迫机制，才能更准确预测冻土区生态系统和碳循环反馈。
主要人员与合作单位
论文第一作者为南京大学国际地球系统科学研究所吴谋松。通讯作者为吴谋松、加拿大蒙特利尔大学Oliver Sonnentag、中科院西北生态环境资源研究院/国家冰川冻土沙漠科学数据中心冉有华。
研究合作单位包括南京大学、蒙特利尔大学、伊利诺伊大学、中科院西北生态环境资源研究院、查尔姆斯理工大学、格拉斯哥大学、隆德大学、法国气候与环境科学实验室、哥本哈根大学、中科院青藏高原研究所、南京农业大学、同济大学、魁北克大学蒙特利尔分校、清华大学等。
