中国农业大学博士生第一作者在《Nature》旗下Top期刊发表重要成果
学术
2024-12-20 20:31
江苏
近日，中国农业大学资源与环境学院气象系博士生陈翛以第一作者身份在《自然》(Nature)旗下Top期刊《npj气候和大气科学》(npj Climate and Atmospheric Science)在线发表了研究论文《夏季大气干燥对土壤水分变化的贡献可能超过春季植被绿化》(Summer atmospheric drying could contribute more to soil moisture change than spring vegetation greening)。这项研究特别关注北半球夏季期间土壤水分减少的问题，并深入分析了植被生长和大气干燥程度增加对土壤水分动态的相对贡献，提供了气候变化背景下水资源变动驱动因素的新见解。资环学院气象系潘志华教授和梁驹副教授为该论文的共同通讯作者。随着全球变暖的趋势加剧，北半球夏季土壤湿度显著下降的现象日益受到关注。这种现象削弱了蒸发冷却的效果，导致更频繁的极端高温、干旱以及复合型灾害事件，对农业、社会经济和生态系统构成了重大威胁。土壤湿度作为陆地水循环的重要组成部分，其变化不仅影响着陆地与大气之间的水分和能量交换，还因为全球变暖和人类活动的双重影响而加剧了水资源危机。春季植被覆盖度（以叶面积指数LAI衡量）的增加通过增强蒸腾作用加速了土壤湿度的消耗，同时夏季大气饱和水汽压差（VPD）的升高也增加了大气的蒸发需求。然而，对于春季植被绿化和夏季大气干燥对土壤湿度变化的相对贡献，目前尚缺乏系统的理解，这限制了我们对陆地水循环和气候系统之间互动关系的认识。因此，探讨这些关键驱动因子如何影响土壤湿度变化，对于制定适应气候变化的策略、优化水资源管理及保护生态系统具有重要的科学意义。本研究利用最新的再分析数据和遥感技术，揭示了北半球春季植被绿化(LAIMAM)、夏季大气VPD(VPDJJA)上升以及土壤湿度(SMJJA)下降的普遍趋势。具体来说，北半球平均SMJJA的标准化异常值呈现出明显的下降趋势，年均递减率为-0.059±0.011，而LAIMAM和VPDJJA的标准化异常值则分别以0.063±0.010/年和0.074±0.008/年的速度显著增加。图1 北半球1982—2020年LAIMAM、VPDJJA和SMJJA的变化通过应用岭回归、基于最小二乘法的控制实验和可解释性机器学习模型三种统计方法，论文量化了夏季土壤湿度变化对春季LAI和夏季VPD的敏感度，展示了不同区域和气候条件下存在的差异。总体而言，SMJJA对VPDJJA的敏感度表现为负相关，而SMJJA对LAIMAM的敏感度在不同地区表现出不同的特性。此外，所有三种方法的结果都显示，在北美西南部、欧洲南部、中亚和中国东北部等地区，SMJJA对LAIMAM的敏感度同样为负，表明春季植被绿化在这些地区会加剧夏季土壤水分的减少。图2 基于三种评估方法的SMJJA对LAIMAM和VPDJJA的敏感性空间分布论文还引入了一个综合比较框架来评估三种方法的结果，发现VPD对土壤湿度变化的贡献在许多区域明显大于LAI，并揭示了两者在中高纬度地区的不同交互机制，填补了这一领域的知识空白。图3 综合分析LAIMAM和VPDJJA对SMJJA的贡献率结果预计在未来全球变暖的情况下，VPD将在全球范围内进一步增加，但土壤湿度的变化将是非均匀且不确定的。尽管VPD对植物生理过程和生态系统生产力至关重要，但其对土壤湿度的影响往往被春季植被绿化所掩盖。研究结果表明，在北半球，夏季VPD对土壤湿度的影响将超过春季植被绿化，这对于提升对区域水循环的理解和为区域水资源管理提供理论支持具有重要意义。论文得到国家重点研发计划项目(2023YFF0805703)的资助。
