图1 在严重干旱、火灾和昆虫害爆发后GPP对干旱敏感性的变化
本文旨在研究严重干旱、火灾和昆虫害爆发后森林生态系统GPP对水分胁迫的敏感性是否发生变化，研究了驱动这些变化的因素，并评估了它们对碳吸收的影响。利用CONUS中的长期遥感GPP数据，进行了回归分析，以了解植物生产力对水分胁迫变化的响应。计算了森林GPP对水分胁迫的敏感性（也称为“干旱敏感性”），并对其进行了干扰前后的比较。此外，运用随机森林回归模型，揭示了干旱敏感性变化的驱动因素和潜在机制。具体包括以下四个步骤。
1. 敏感性计算。本研究利用长期遥感GPP数据，分析CONUS在严重干旱、火灾和昆虫爆发等干扰事件后GPP对水分胁迫的敏感性变化。利用线性回归的斜率（GPP异常与PDSI）评估GPP对水分胁迫（特别是水分可用性）的敏感性，并计算干扰前后敏感性的变化。首先检查每个像元的第一次干旱（PDSI<-3时），当第一次干旱之前和之后至少有8个数据，可用于进行回归分析计算敏感性的变化。如果所有干旱都不符合计算敏感性变化的条件，则丢弃此像元。在计算敏感性变化时，连续干旱被视为一次干旱。当有两个或两个以上像元适合计算敏感性时，只使用第一个。同时使用广义最小二乘法（GLS）统计分析敏感性变化的显著性。
图2 CONUS的GPP对水分胁迫的敏感性在严重扰动后发生了显著变化。GPP异常（去趋势）和PDSI（a）以及由于干扰引起的敏感性变化（b）。严重干旱（c）、火灾（d）和昆虫爆发（e）后敏感性的变化。星号表示基于GLS模型的0.05水平（双侧）的显著性。干旱（f）、火灾（g）和昆虫爆发（h）后气候空间敏感性的变化（年平均温度（MAT）与年平均降水量（MAP））；1°C×100 mm网格）
在严重干扰后，森林的干旱敏感性普遍增加，但不同森林类型之间存在显著差异（图3）。在严重干旱后，常绿针叶林、常绿阔叶林和落叶阔叶林敏感性均是增加的，但是常绿针叶林和常绿阔叶林的增幅不显著，而落叶阔叶林增幅显著，幅度也最大（为5.47±2.22 g C m-2）。在火灾后，常绿阔叶林和落叶阔叶林的干旱敏感性增加，而常绿针叶林的干旱敏感性减少，但幅度较小，仅为-0.73±0.45 g C m-2。此外，只有落叶阔叶林的敏感性变化显著，为6.67 ± 3.08 g C m-2。而昆虫害爆发后，森林的干旱敏感性几乎没有变化。灌丛和草地对干旱敏感性变化较大，但是都不显著。这些结果证实了森林的干旱敏感性受到干扰的严重影响，干扰后干旱敏感性呈上升趋势。
图3 严重干扰后，森林的干旱敏感性增加。在严重干旱（a）、火灾（（b）和昆虫爆发（c）之后，CONUS不同土地覆盖的敏感性（Δk）和截距（Δb）的平均变化。星号表示平均值在基于GLS模型的0.05水平（双侧）上是显著的。落叶阔叶林；EBF，常绿阔叶林；ENF，常绿针叶林
对于干旱敏感性，土壤湿度趋势成为最重要的驱动因素（图4）。年平均气温和气温与反向降水量的交互作用分别是第二和第三重要的驱动因素。敏感性的变化随着土壤水分的减少而增加，表明较低的土壤水分水平有助于较高的干扰后敏感性。同样，敏感性的变化随着年平均温度的增加而增加，表明经历较高温度的区域在干扰后更有可能表现出更高的敏感性。温度与反向降水的相互作用对年平均气温的影响相似，较高的值（表示炎热和干燥地区）与干旱敏感性增加有关。对于火灾，年平均气温成为火灾的最重要驱动因素，其中当年平均气温超过约15°C时，温度较高的区域，干扰后敏感性增加。增加向下地表短波辐射，火灾后敏感性也增加。在昆虫害爆发的情况下，平均每年向下地表短波辐射成为最重要的驱动因素，经历高辐射的地区敏感性增加，而低辐射的地区在干扰后敏感性降低。二氧化碳和向下地表短波辐射的增加趋势也增加了敏感性的变化。
图4 GPP干旱敏感性变化的驱动因素。严重干旱后GPP对水分胁迫敏感性变化的驱动因素：驱动因素的重要性（a）和敏感性变化对三个最重要驱动因素的随机森林部分依赖性：土壤水分趋势（trend.SM）（b）、MAT（c）和温度与反向降水之间的相互作用（interaction.TP）（d）。严重火灾后GPP对水分胁迫敏感性变化的驱动因素：驱动因素的重要性（e）和敏感性变化对三个最重要驱动因素的随机森林部分依赖性：MAT（f）、SRAD趋势（g）和年平均PDSI（h）。严重昆虫爆发后GPP对水分胁迫敏感性变化的驱动因素：驱动因素的重要性（i）和敏感性变化对三个最重要驱动因素的随机森林部分依赖性：年均SRAD（j）、CO2趋势（k）和SRAD趋势（l）。实心黑线是平均值，阴影显示了100次随机森林模型的部分相关性范围（从最小到最大）
图5 在气候变暖的情况下，碳吸收减少。在历史时期（a）和升温+2°C变暖情景（b）下，由于严重干旱后敏感性的变化而导致的碳吸收（ΔC）的平均变化。在历史时期（c）和升温+2℃变暖情景（d）下，火灾后敏感性变化引起的平均Δc表示CONUS的年平均总ΔC，星号表示平均值在0.05水平上显著（GLS模型和t检验）
个人评价
Abstract：
Forests are a major terrestrial carbon sink, but the increasing frequency and intensity of climate-driven disturbances such as droughts, fires and biotic agent outbreaks is threatening carbon uptake and sequestration. Determining how climate-driven disturbances may alter the capacity of forest carbon sinks in a changing climate is crucial. Here we show that the sensitivity of gross primary productivity to subsequent water stress increased significantly after initial drought and fire disturbances in the conterminous United States. Insect outbreak events, however, did not have significant impacts. Hot and dry environments generally exhibited increased sensitivity. Estimated ecosystem productivity and terrestrial carbon uptake decreased markedly with future warming scenarios due to the increased sensitivity to water stress. Our results highlight that intensifying disturbance regimes are likely to further impact forest sustainability and carbon sequestration, increasing potential risks to future terrestrial carbon sinks and climate change mitigation.
Citation：
Liu, M., Trugman, A.T., Peñuelas, J. et al., 2024. Climate-driven disturbances amplify forest drought sensitivity. Nature Climate Change, 2, 1758-6798.
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