Nature Geoscience: 水文气象因素调节陆地碳周转的表观温度敏感性

Nature Geoscience: 水文气象因素调节陆地碳周转的表观温度敏感性

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Nature Geoscience: 陆地碳周转的全球表观温度敏感性受水文气象因素的调节

生态系统碳周转时间是一个新兴的生态系统属性,它在一定程度上决定了陆地碳循环与气候之间的反馈关系;而且它受到了温度的强烈控制。然而,水文气象条件在多大程度上可能会影响碳周转时间(τ)的表观温度敏感性(Q10, 定义是碳周转时间(τ)随温度升高10°C而增加的倍数)还尚不清楚。

对此,作者对基于观测的全球数据集以及实地测量数据进行了汇编,研究了生态系统碳周转对温度和水文气象因子的响应。

研究发现,温度和水文气象在塑造生态系统碳周转的空间模式方面几乎同等重要,分别解释了其全球变率的60%和40%。在模型中纳入水文气象效应,对Q10值产生了强有力的约束,从而大大降低了其变异幅度和不确定性,使得全球范围Q10的中值收敛到1.6±0.1。

研究表明,水文气象条件调节了陆地碳周转时间的表观温度敏感性,从干扰了温度在量化碳循环对气候变化的响应方面的作用。

研究背景

大气和陆地生物圈之间的CO2净交换由光合作用的碳吸收和碳周转时间(τ)决定。τ对气候变化的响应很少受到观测的约束,这反映在当前气候-碳循环反馈模拟中的大量不确定性上。

理解陆地碳循环和气候之间的反馈的一个核心挑战是,量化陆地生态系统中碳周转时间的温度敏感性。尽管人们普遍认为温度是τ的关键驱动因素,但τ对温度的敏感性及其对不同气候条件的依赖性是有很多争议的。

以往的研究表明,陆地碳周转的长期(年代际)表观温度敏感性随温度升高而增加。然而,在其他研究中,并没有在生态系统水平和年代际时间尺度上发现这种依赖性。

此外,目前尚不清楚水文气象条件的变化如何影响τ的表观温度敏感性,因为已经发现降水和τ之间存在显著的空间相关性。在全球范围内,水文气象条件在很大程度上决定了土壤水分有效性,从而通过控制土壤呼吸和分解过程影响碳周转过程。

所以,目前关于气候对τ的长期温度敏感性的控制还缺乏全面的认识。

对此,本文对比了τ对大尺度气候梯度的空间响应,以量化不同空间尺度下碳周转时间空间变异背后的主导因素。

研究方法

研究评估了τ的表观空间温度敏感性,其量化为在其他环境因素的影响下,温度升高10℃时周转时间的变化(Q10)。由于因为在这种情况下,周转时间对温度的响应同时受到其他环境变化的影响,因此这里的温度敏感性是表观的。

这一研究的目标是量化Q10在不同陆地生态系统中的变率,以探究——“水文气象条件在多大程度上影响τ的温度敏感性?”这一问题。

由于缺乏碳储量(包括土壤和植被)的长期动态观测,直接确定τ对气候的瞬时响应受到了阻碍。另一种方法是推断在空间梯度上出现的τ -气候关系,因为τ的空间变异性反映了气候、生产力、呼吸和生态系统碳储存的长期累积效应。

因此,本研究中的Q10代表了τ的气候温度敏感性,可用于诊断长期气候对碳周转时间的影响。

利用基于观测的土壤碳储量(Csoil)、植被生物量(Cveg)、陆地生态系统呼吸(TER)和初级生产总值(GPP)的数据集成,作者以全因子的方式评估了τ及其不确定性,以解释来自不同数据源的不确定性。此外,作者还使用了一个全球汇编(超过200个站点)的站点级别的τ估计来评估Q10值,并在全球尺度上量化潜在的水文气象效应。

作者独立地分析了τ估计的数据集成的每一项,但在全球、生物群系和纬度水平上以一致的方式进行。为了解释水文气象对τ的温度敏感性的影响(下称H效应),作者使用年均降水量(MAP)、潜在蒸散量(PET)和泥炭土壤分数(PSF)来表示不同的水文气象/水文过程(H因子)。

结果与讨论

1. τ和气候之间的全球模式

研究揭示了一个与温度和水文气象变量相关的τ空间变异的全球模式(图1)。

研究发现log10[τ]和温度(图1a,d)的全球分布之间的强线性关系,证实了在全球尺度上τ -温度的敏感性。相反,log[τ]与降水(log[τ] ~ 1/MAP)和PET (log[τ] ~ 1/PET)呈负相关,这一点由集成数据和站点级别的τ评估得到的模式所证实(图1b,c,e,f)。

进一步的分析表明,当温度被控制时,τ和H因子之间存在很强的偏相关关系,反映了全球尺度上水资源可利用性对τ的潜在控制。

图1:由集成中值和站点τ数据集得出的全球τ -气候模式。

a-c,集成数据;d-f,站点数据

2. 水文气象(H)效应对表观Q10值的影响

对全球观测集成和站点级别的τ评估的检验表明,τ对温度的敏感性在很大程度上受到了H效应的约束。

在全局考虑H效应,Q10值的量级和不确定性都得到了大大降低,模型性能显著提高;这样得到的Q10中值为1.6,而在不考虑H效应时为2.2(图2)。在独立站点级数据中也发现了类似的结果。

因此,H因子调节了τ的全球温度敏感性。这一结果挑战了在以往研究揭示的Q10空间模式中的温度依赖性。

图2: 全球尺度下Q10值的H效应。

结果表明,温度和水文气象条件都是解释全球尺度上τ的空间变异的关键。此外,地形、气候季节性和土地利用变化则对其有着边缘(marginal)影响。

3.温度和H因子的相对重要性

研究进一步利用相对优势度(relative dominance, RD)量化温度和H因子的相对重要性。

在全球范围内,温度和H因子分别解释了τ空间变异性的约60%和40%。

尽管长期以来,人们认为空间周转时间是由温度的巨大空间梯度主导的,但该研究表明,在解释空间τ变异性方面,H因子几乎与温度同等重要。这些结果进一步表明,把H因素对τ的变异性的影响中抽离出来,可能会在确定空间τ-温度敏感性方面造成偏差。

表1基于集成中值和站点数据的Q10值和各气候变量RD的比较。

4.气候因子的作用及Q10估计值

不同生物群落的温度和H因子的相对优势度(RDT vs RDH)是异质性的。

温度在温带草地(RDT = 72%)和半干旱草地(RDT = 57%)中起主导作用,而在热带森林(RDT = 47%)、温带森林(RDT = 48%)、湿地(RDT = 48%)和农田(RDT = 35%)生态系统中,温度对τ变异性的贡献较小(图3a)。

H因子在北方森林(RDH = 92%)、苔原(RDH = 89%)和热带热带大草原(RDH = 70%)中占主导地位,在这些地区,对τ变异的大部分贡献来自降水和PET模式,而不是来自温度(图3a)。

在确定生物群落层面的Q10时,H因素对τ的变异性的贡献也得到反映。图3b显示,在热带森林中,Q10值被调整为较高的值,而在其他生态系统中,特别是在冻土和北方森林中,通过考虑H效应,它们被抑制了。

泥炭地部分的重要性在北方、热带和湿地生态系统中出现,正如PSF的较高RD所示(图3)。这些生物群落中显著的正τ-PSF相关性表明,土壤/植被动态和水文循环之间的相互作用,可以在局部范围内大大影响碳周转时间。

总的来说,通过考虑H因素,Q10估算的跨生物群落变异性和生物群落内的不确定性都大大降低。各个生物群落的Q10从1.9减少到1.4,而生物群落内的τ的不确定性总体上减少了10%(图3b)。温带森林(27%)、北方森林(34%)和苔原(15%)的Q10估计的不确定性大大降低。

图3:生物群系层面的Q10值的估计以及温度和H因子的RD。

a, 在考虑H效应的情况下,对Q10中值的估计。b,考虑和不考虑H效应的Q10值的比较。黑线是1:1的参考线。

分析表明,温度和H因子的RD在纬度上有很大的变异性。与在生物群落水平上的结果一致,温度在温带和亚热带纬度上发挥着更重要的作用,而H因子在高纬度(55°N)支配τ变化率(图4a)。

与全球尺度上的格局相比,纬度尺度上RD的空间变异性增加,说明考虑局部特征时RD的异质性要高得多。

尽管温度和H因子的RD存在异质性,但分析揭示了高度一致的跨纬度线性τ -温度模式(图4c,斜率=−0.024),以及τ和MAP、τ和PET之间的明显反比关系(图4d,e)。

τ对PET的敏感性随纬度的增加而增加,这与PET在高纬度的重要性较高的结果是一致的。

在确定纬度水平上τ的温度敏感性方面的贡献,不考虑H效应时得到了受约束的Q10值(1.5±0.2),而不考虑H效应时得到的Q10值为1.8±0.3。H对温度敏感性的影响是明显的,特别是在高纬度地区,那里的Q10值比低纬度地区更受限制(图4b)。

图4:RD和τ对MAT的温度敏感性的纬度格局。

a,不同纬度的温度和H因子的RD。b,有(紫色)和无(橙色)水文气象控制的Q10中值比较。c,各纬度移动窗口的log[τ]和MAT之间的回归。每条线代表一个纬度窗口中τ和MAT之间的一次拟合。蓝色、红色和绿色线条分别代表北半球(北纬20°-60°)、南半球(南纬20°-60°)和热带地区(北纬20°-南纬20°)。d,e,log[τ]对MAP(d)和PET(e)的反应。每条曲线表示在一个纬度窗口中τ与MAP/PET之间的拟合反函数。

对理解碳循环-气候反馈的影响

研究结果强调,水文气象对碳周转时间温度敏感性存在关键性影响,但过去却被忽视了。研究表明,在塑造全球到纬度空间尺度的碳周转时间的空间变异性方面,水文气象条件几乎与温度一样重要,这一点得到了基于观测的大型数据集成以及站点级的τ评估的支持。

尽管不同气候因素对τ的影响的RD有很大的空间变异性,但在评估碳周转时间对温度的明显敏感性时,忽视H因素可能会带来很大的偏差和不确定性。一个包容性的方法(即整合H因素)对Q10值产生了强有力的约束,使其幅度和变异性大幅下降,这表明在纳入H效应后,空间周转时间对温度的反应趋同。

研究表明,水文气象条件调节了陆地碳周转时间的表观温度敏感性,干扰了温度在量化气候-碳循环反馈中的作用。这些结果强调了在确定气候-碳循环反馈的强度时考虑气候变量之间的空间协方差的重要性。