Nature Geoscience|火灾对植物-土壤水分关系的广泛和系统影响

政务   2024-11-09 10:53   中国  

自:地球平衡与稳态

文章摘要

野火活动与水文循环密切相关。众所周知,野火的发生和强度受水分供应的控制,但人们对野火对植物和土壤水循环的影响却知之甚少,尤其是在大尺度范围内。在此,我们利用对土壤水分、植被含水量和烧毁面积的遥感技术,在全球范围内分析了火灾对植物和土壤含水量之间耦合关系的影响,从而研究了这一问题。研究发现,火灾对植物与土壤水分关系的影响很大,使土壤水分流失加快 17%,植被含水量增加加快 62%,这两者都与火灾严重程度呈正相关,而且在森林中的影响最大。这种影响的空间范围很广,在所有分析过的烧毁区域中,67%的区域发现土壤水分流失加快,67%的区域发现植被含水量增加。火灾后,植物对其含水量的控制能力也趋于减弱(即更加无水)。总之,火灾会增加生态系统的水分损失,改变土壤和植被水分预算之间的关系,从而改变生态系统的功能。随着气候变化,野火可能会在生态系统水循环和随后的生态系统恢复中扮演越来越重要的角色。

文章概述

植物主要从土壤中获取水分,导致土壤水分(SM)和植被含水量(VWC)之间的强耦合,通常称为植物-土壤水分关系。植物-土壤水分关系对于理解土壤-植物-大气连续体中的水分运输以及水分供应对植物生产力的影响是至关重要的。

在本研究中,我们利用近 6 年(2015 年 4 月 1 日至 2020 年 12 月 31 日)的 SM 和 VWC 微波遥感观测数据来分析全球焚烧区的植物-土壤水分关系。我们使用了来自土壤水分主动被动(SMAP)任务和高级微波扫描辐射计 (AMSR2)系统的 SM 和 VWC 数据。这两个系统的时间重访率都很高,提供的数据分辨率约为 9 千米。9 公里分辨率的数据,这也是我们的研究分辨率。VWC 由植被光学深度 (VOD) 计算得出。微波遥感中的 SM 和 VWC 通常用于测量植物的吸水率、了解 SM 损失的驱动因素、评估植被在火后恢复以及估算植物等水度,植物等水度是衡量植物对其含水量控制程度的指标。随着植被的增加,SM 和 VWC 遥感检索的不确定性也随之增加,但在我们的研究中,这种不确定性并不那么重要,因为我们主要分析的是信号能够充分穿透植被冠层的区域,即 VOD 小于 1 的区域。我们将 SM 和 VWC 观测数据与全球燃烧严重程度数据库 (MOSEV) 结合起来,以确定燃烧区域的位置,并将火灾后的植物-土壤水分关系与火灾前的参考状态进行比较,同时使用Δ归一化燃烧比 (ΔNBR)考虑火灾严重程度。ΔNBR 使用近红外通道来评估火灾前后地表属性的变化。总体而言,在我们的研究期间,有 11027 个 SMAP 像素发生了燃烧,其中 18% 的像素在燃烧前和燃烧后的表面属性发生了变化。

主要结果

燃烧后SM损失加速
为了测试火灾如何影响SM损失,我们比较了SMAP在火灾事件前后的SM干燥。干降被定义为一系列至少四个连续下降的SM观测值。在干枯期间,降水可以忽略不计,这意味着SM变化率或由于净水分损失(即来自径流、排水和蒸散)。在我们评估的所有地区中,有67%的地区出现了负面影响变化,从而显示加速的SM损失。研究观测到的火灾对ESA CCI SM的影响较弱;我们只发现SM损失的中位数增加了8%,这也不是很普遍,在分析的区域中,55%的SM损失增加了。虽然SM损失的加速在全球范围内是明显的,但火灾效应的大小是不同的。分析相对于国际地圈生物圈计划(IGBP)土地覆盖类别39的SM损失,我们发现阔叶林的SM损失加速最大。通过使用ΔNBR估计,越严重的火灾导致的SM损失越负变化,表明火灾严重程度与SM损失加速呈正相关。

火灾后植被水分的快速吸收和生长

火灾后植被水分吸收速度较快可能是由相对于火灾前条件的植被再生程度来解释的。鉴于植物的生理适应能力可以迅速再生,即使在严重火灾后也能快速再生以及 Fire 之后的高资源可用性。此外,生态系统的反应不同,因此阔叶林经历了更大的变化。

火灾影响改变了植物-土壤的昼夜水关系

研究发现,在森林和火灾前等水性更强的地区,向更不干流体行为的转变最强烈地转变了这一点。此外,向更非水态条件的转变与火灾严重程度呈正相关。综上所述,这些结果提供了证据,证明火灾通过改变植物昼夜尺度上的水关系来改变生态系统的水平衡。

图 3:火灾昼夜变化的 VWC 动力学和等水度
火灾对生态系统中 SM 脉冲使用的影响
我们的结果表明,火灾干扰改变了 SM 脉冲的使用方式,导致更快的 SM 损耗、更快的 VWC 增益以及 SM 损耗和 VWC 增益之间的耦合增加,因此,VWC 对火灾后 SM 脉冲的灵敏度更高。
我们发现证据表明,这与火灾后更多的非水源生态系统行为有关,土地覆盖类向非水源性(即常绿阔叶林)的转变更强烈,SM 损失更快. 这种等水性的变化也与火灾的严重程度有关,因为严重火灾后植物群落组成的相对再生和变化可能更大。这扩展了以前关于 SM 和 VWC 耦合的研究,并提供证据表明 VWC 对 SM 脉冲的反应可以受到火灾事件的强烈制约。
我们的研究结果特别适用于干旱地区,在那里,SM 脉冲之后是一连串的生物活动,导致植物生长和 VWC 的增加(即脉冲储备范式。由于火灾在许多旱地系统中很常见,因此它们可能在改变这些脉冲储备过程中发挥重要作用。

总结展望

总体而言,我们发现强有力的全球证据表明,野火加速了 SM 的损失,并导致火后 VWC 的增幅更加强劲。这两种影响在生态系统中是一致的,尽管在森林中最大,并且因火灾的严重性而加剧。令人惊讶的是,SM 损失和 VWC 增益与 VPD 相对无关,这表明植物-土壤水关系的生态系统水平变化,即 VWC 增益和 SM 损失之间的更强耦合作为一种控制机制。火灾后植被向更高不水性的转变进一步支持了这一发现,这在森林和以前的等水地区最为突出,并且与火灾严重程度呈正相关。因此,火灾加剧了植物和土壤水分循环之间的耦合,随着野火变得更加严重和普遍,这种耦合可能会加强。

文献来源

Baur, M.J., Friend, A.D. & Pellegrini, A.F.A. Widespread and systematic effects of fire on plant–soil water relations. Nat. Geosci. 17, 1115–1120 (2024).
【知识转载,翻译难免有误,建议查看原文,侵权联系删除】

(转载仅供交流学习使用,侵权必删)

投稿、转载、合作、申请入群可在后台留言(备注:姓名+微信号)或发邮件至sthjkx1@163.com

【点击下方超链接阅读16个栏目推文】 

1.【直播】9.【院士】
2.【视频10.【综述】
3.【健康&毒理11.【写作】
4.【12.【Nature】
5.【13.【Science
6.【14.【WR
7.【固废15.【EST
8.【生态】16.【JHM


生态环境科学
最新学术成果与讯息
 最新文章