(2024年3月7日)
2022年，欧洲夏季温度超过40℃，秋季气温也有所升高，夏季和秋季的气温均创下历史最高。与最近的2018年干旱类似，欧洲大陆近30%（300万平方公里）的地区遭受了严重的夏季干旱。尽管欧洲西部一些国家积累的干旱经验和较好的国家防高温计划避免了最严重的影响，但水资源短缺、航运中断、野火、作物减产和森林退化仍普遍存在。近年来，欧洲绝大多数国家都将林业部门碳固存纳入了《巴黎协定》中，使得当前CO2的减少备受关注。然而，从欧洲林业和固碳的角度来看，关于极端干旱对欧洲森林和大气之间碳交换的影响研究仍存在不足。为此，本研究基于各种地面和空间监测平台，探究2022年夏季极端干旱事件对欧洲森林生态系统碳循环的影响。通过将2022年事件置于强烈的夏季干旱历史背景下进行分析，本研究试图回答一个问题：对于未来干旱对森林的影响，2022年极端干旱事件的碳循环影响是否是一个例外或典型？
本研究基于不同的地面和天基监测平台，系统分析了2022年欧洲极端干旱事件对森林生态系统碳循环的影响。作者们剖析了2022年欧洲夏季干旱的成因，量化了净生态系统交换的变化，并分析了干旱对森林生态系统碳交换的影响，具体包括以下五个步骤。
1. 干旱区域划分。本研究基于SPEI-3（标准化降水蒸散发指数）在面积大于150万km2的连续区域确定了四个SPEI<−1.2（归类为严重干旱）的干旱影响地区，并使用双线性内插法将2018年和2022年7月的SPEI-3调整为0.1°。根据此标准，将2018年和2022年都受到干旱影响的地区称为“中心”，受2018年干旱影响的其余地区称为“北部”。仅受2022年干旱影响的地区主要位于欧洲南部和东部，本研究将受2022年干旱影响的地区和高压异常下的区域标为“南部”，而远离高压异常的区域标为“东部”。
2. 干旱成因分析。利用ERA5气象数据计算土壤水分（SM）异常和饱和水汽压差（VPD）异常分别代表土壤干旱和大气干旱。土壤水分异常越低和饱和水汽压差异常越高表示土壤干旱和大气干旱越严重。
3. CO2通量分析。使用综合碳观测系统（ICOS）2023年预发行的2022年26个欧洲空间站的大气CO2摩尔分数（https://meta.icos-cp.eu/objects/2ESjwQy1qQRMEtcpiYPun2RO），选取了有代表性的站点数据（即夜间的山区站点和混合良好的其他站点）。在数据的可获得性基础上，根据2019-2021年的年平均数据拟合特定站点的线性趋势，对2019-2021年的数据进行去趋势处理并计算异常值。
4. 植被近红外反射率变化。使用中分辨率成像光谱仪（MODIS）卫星的双向反射率分布函数计算校正后的植被近红外反射率（NIRv，0.5°）。同时使用线性去趋势数据解释森林生长，并根据2001-2021年的NIRV数据计算斜率（即异常时间）。
5. 净生态系统碳交换模拟。使用14个森林站点每半小时的涡旋协方差（EC）和气象数据（https://data.icos-cp.eu/），经过一系列清理和检查、修正（u*-阈值法）、空白填充，最后基于夜间的温度响应，将净生态系统交换（NEE）划分为初级生产总值（GPP）和生态系统总呼吸量（TER）。使用R软件包执行u*的计算和过滤、缺口填充和通量划分。正NEE意味着植物的吸收量为负，代表碳排放至大气中。同时，使用ERA5气象驱动的简单生物圈（SiB4）模型修正生根区深度，以更好地反映土壤水分胁迫。同时根据可获取的2019-2021年、2008-2021年和2008-2021年数据分别计算大气、NIRV、EC-Tower的异常值。其次，SiB4输出了净生态系统生产力（NEP = GPP - TER），而EC-Tower测量的是NEE（其中包括火灾）。由于火灾对EC站点的影响通常很小，因此可以直接进行比较，本研究中将SiB4通量称为NEE。
研究结果
图1 2022年欧洲夏季（a）土壤水分异常、（b）饱和水汽压差（VPD）和（c）温度异常分别代表土壤干旱、大气干旱和气温上升
2022年7-8月较大的饱和水汽压差是南部和中部地区GPP下降的主要原因，而土壤水分赤字是影响东欧地区GPP的最大原因，但其在2022年对中部地区影响较小，且不是以往法国南部和意大利GPP减少的主要驱动因素。计算2018年和2022年7-8月的三个植被胁迫因素（叶片温度过高、叶片环境中的高VPD以及根区土壤水分不足）的相对重要程度，作为减少同化和/或传导的单独因素（图2），可以发现，土壤水分不足是影响2018年GPP变化的最大原因，但其2022年在中部地区影响较小，且不是以往法国南部和意大利GPP减少的主要驱动因素。
通过综合碳观测系统网络（ICOS）记录的南欧和西欧大气中CO2摩尔分数的正异常可以看出（图3），中欧的摩尔分数高于2019-2021年的平均水平，这表明更高的净生态系统交换（NEE，正的大气通量），或更偏北的大气环流和富含CO2的气团变化。基于观测和模型分析可得，2019-2021年法国南部站点6-8月的CO2摩尔分数超标（＞2.5 ppm），导致了陆地生物圈碳吸收的减少（CO2信号的±75%）。
不同于2018年的干旱发生在潮湿的冬季和温暖晴朗的春季，2022年的干旱是从冬季就很低的土壤水分（SM）发展而来（图4）。2022年夏季干旱之后，天气异常温暖，秋季土壤水分持续偏低。饱和水汽压差（VPD）显示，影响夏季热浪的另一个相关驱动因素是大气过热和过低湿度的结合。使用ERA5再分析对三个受影响地区进行空间整合可以发现，过去20年中，2022年6-8月的VPD最高，分别在中部/南部/东部等高线下的45/51/15%区域内，2018年6-8月的值紧随其后。
图4 （a）2018年（蓝色）、2022年（黄色、红色）或这两年（蓝色/黄色阴影）遭受旱灾的不同区域；（b）南部（黄色）和北部（蓝色）地区的生物质燃烧；（c-f）SiB4计算的每个区域相对于2016-2021年的夏、秋和冬三季的净生态系统交换（NEE）异常值；（g-j）干旱年各区域月平均MODIS NIRv信号与2016-2021年的对比（灰色）
夏季净碳吸收的减少是总初级生产力（GPP）减少和总生态系统呼吸（TER）减少部分平衡的结果。而GPP的减少源于提高叶片的水分利用效率和降低蒸发损失，但代价是碳的同化。这种转向会影响森林的冠层结构，导致植被对阳光的次优截取和近红外反射（NIRv）的广泛减少（图5），从而证实了南部、东部和中部地区植被对碳吸收的重要影响。此外，研究结果还强调了东欧地区是一个关键的受影响地区，该地区夏季净资产收益率创历史新低，原因是东欧在2022年春季开始的干旱缓慢向东部地区中心传播，并在6月份进一步加剧。
除了温暖的夏天，还经历了有记录以来最温暖的秋天，使大部分受干旱影响地区的土壤水分得到了补充，并延迟了叶片的衰老。受前一年夏季影响，2022年欧洲研究区各站9-11月的平均大气CO2摩尔分数比正常水平低2.6 ppm，这表明温暖的秋季增加了CO2吸收，并可能部分弥补了夏季净碳吸收的减少（表1）。与春季相比，暖秋在落叶林中的影响较小，这是因为春季具有较高的土壤水分和入射幅度，对GPP的促进作用大于总生态系统呼吸。此外，促进秋季和春季CO2吸收的机制不同。在光热充足地区，秋季碳吸收的增加受叶片的延迟衰老和持续的光合作用控制，而春季碳吸收的增加是由于早期积雪融化和叶片脱落温度阈值的提前积累，以及充足的阳光。
个人评价
Abstract：
The year 2022 saw record breaking temperatures in Europe during both summer and fall. Similar to the recent 2018 drought, close to 30% (3.0 million km2) of the European continent was under severe summer drought. In 2022, the drought was located in central and southeastern Europe, contrasting the Northern-centered 2018 drought. We show, using multiple sets of observations, a reduction of net biospheric carbon uptake in summer (56-62 TgC) over the drought area. Specific sites in France even showed a widespread summertime carbon release by forests, additional to wildfires. Partial compensation (32%) for the decreased carbon uptake due to drought was offered by a warm autumn with prolonged biospheric carbon uptake. The severity of this second drought event in 5 years suggests drought-induced reduced carbon uptake to no longer be exceptional, and important to factor into Europe’s developing plans for net-zero greenhouse gas emissions that rely on carbon uptake by forests.
Citation：
van der Woude, A.M., Peters, W., Joetzjer, E. et al. 2023. Temperature extremes of 2022 reduced carbon uptake by forests in Europe. Nature Communications, 14, 6218.
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