在国家自然科学基金创新研究群体项目“农业遥感机理与方法”（41921001）支持下，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所李召良团队在PNAS姊妹期刊PNAS Nexus上发表了论文"Asymmetric temperature effect on leaf senescence and its control on ecosystem productivity"。项目负责人李召良研究员为论文通讯作者，何磊博士为论文第一作者。本研究是项目组去年关于春季展叶非对称响应研究工作*的延续，两篇论文系统地回答了植被春、秋季物候对自然升温、降温的非对称响应问题。
*Lei He, Jian Wang, ..., & Jian-Sheng Ye, (2023). Non-symmetric responses of leaf onset date to natural warming and cooling in northern ecosystems. PNAS Nexus, 2: pgad308. https://doi.org/10.1093/pnasnexus/pgad308 摘要
由于太平洋年代际振荡和西伯利亚高压增强，北半球在2004至2018年期间出现了大范围的秋季降温现象；然而，降温对叶片衰老和植被生产力的影响仍然不甚明确，这阻碍了我们对植被如何适应复杂气候变化的理解。本研究利用欧洲自1950s以来的地面秋季物候观测时序记录以及北半球中高纬地区1989至2018年的遥感绿度数据，发现北方森林的叶片衰老日期（leaf senescence date, LSD）对秋季升温的响应比对降温的响应更大。LSD对温度的非对称响应，归因于升温条件下植被在冬季之前获取资源的需求增加、霜冻风险降低以及水分供应需求变化。LSD非对称响应可能会进一步导致秋季植被生产力对升温和降温的非对称响应，而当前的动态全球植被模型还难以准确地表征这种复杂性。这一新的发现和认知，对于改进植被和气候模型，提高未来碳循环和气候预测的准确性有着至关重要的作用。 LSD对自然升温和降温的响应
在树种尺度和植物群落尺度上，研究表明LSD对秋季自然升温的响应更大。基于PEP725数据库中4个欧洲优势树种的叶片衰老日期数据（BBCH code 94），岭回归和线性回归的结果均表明，3个树种（Betula pendula Roth, Fagus sylvatica L., Quercus robur L.）对自然升温的响应更大（Fig. 1B–C）。基于NDVI估算的LSD数据的结果，同样发现2004–2018年北半球中高纬地区常绿针叶林、落叶阔叶林和混交林的LSD对秋季升温响应更大（Fig. 2C–D）。同时，在时间尺度上的分析也支持这一结论，即在1989–2003年、2004–2018年期间发生升温和降温转变的森林，也表现出对秋季升温的响应更大（Fig. 2E–F）。▲Fig.1 | European distribution of study sites and analyses of leaf senescence date responses to natural autumn warming and cooling in B. pendula Roth, F. sylvatica L., Q. robur L., and A. hippocastanum L. A).
▲Fig.2 | Grid cells of remotely sensed data in which there was autumn warming and cooling during the period (2004–2018) and analyses of forest biome leaf senescence date responses. A).该研究假设森林LSD对秋季升温、降温的非对称响应，可能与气候驱动（如cold degree days，CDD，冷却度日）的差异、以及对霜冻风险的适应和/或土壤水分胁迫情况差异有关。为了验证这些假设，论文比较了2004至2018年秋季升温和降温地点CDD、季前温度变率、霜冻风险以及土壤水分胁迫情况的差异。结果表明，LSD对CDD的响应在秋季升温情况下更大（Fig. 3A–B）。物候学的解释是，树木在秋季变暖的有利条件下，会尽可能的推迟叶片衰老日期，以吸收充足的碳水化合物和养分储备，确保组织成熟，支持越冬并促进来年春季的萌芽、展叶。秋季降温期间，季前温度波动较大（Fig. 3C）、霜冻风险也更大（Fig. 3D），树木可能会采取如降低温度敏感性（Fig. 3E）等保守策略以减少秋季霜冻造成的伤害。
降温地点的土壤水分胁迫水平高于升温地点的水平（Fig. 3F）。水分胁迫可显著降低叶片气孔导度和光合作用，并增强叶绿素降解，从而进一步降低叶片衰老的温度敏感性。然而，未来的升温以及更大范围的干旱可能会加剧与升温相关的干旱对LSD的影响，因而可能会导致升温引起的LSD响应减弱。▲Fig. 3 | Mechanisms of asymmetric leaf senescence date responses to autumn warming and cooling.
温度转变、LSD与植被生产力之间的联系
基于kNDVI和多套GPP产品数据，研究发现秋季植被生产力对秋季升温的响应相比对降温的响应更大，这种不对称性与LSD对秋季升温的响应更大有关。然而，当前动态全球植被模型只能部分且有限地捕捉到秋季生产力对升温和降温响应的差异。未来如果能将非对称LSD响应的详细特征纳入全球植被模型中，则有可能提升过程模型对秋季升温和降温对生产力非对称影响的表现，从而提高季节性植被动态预测的准确性。▲Fig.4 | Responses and drivers of autumn productivity to warming and cooling.
论文信息
标题：Asymmetric temperature effect on leaf senescence and its control on ecosystem productivity
期刊：PNAS Nexus
类型：Research Report
作者：何磊, 王健, ...... , & 李召良*
时间：2024-10-23
DOI：https://doi.org/10.1093/pnasnexus/pgae477
