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)。该研究聚焦北半球夏季土壤水分亏缺问题，系统探究了植被变绿和大气干燥对土壤水分变化的贡献，为气候变化背景下水资源演变的驱动机制提供了新视角。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。
近年来，随着全球气候变暖，北半球夏季土壤湿度的显著下降引起了广泛关注。这一变化会减弱蒸发冷却效应，引发更多的极端高温、干旱及复合事件，对农业、社会和生态系统造成严重损害。土壤湿度作为陆地水循环的关键要素，与气候系统的许多过程密切相关，其变化直接影响到陆地与大气之间的水分与能量交换。全球变暖和人类活动的叠加效应已显著改变了土壤湿度的状态，进一步加剧了水资源危机。春季植被绿化(以叶面积指数（LAI）反映)通过提高蒸腾作用加速了土壤湿度的降低，同时，夏季大气饱和水汽压差（VPD）的上升显著提高了大气蒸发需求。然而，目前对于春季植被绿化与夏季大气干燥对土壤湿度变化的相对影响仍缺乏系统性研究，这限制了我们对陆地水循环和气候系统交互作用的全面理解。因此，研究这些关键驱动因子对土壤湿度变化的影响，对于制定应对气候变化的适应策略、优化水资源管理以及保护生态系统具有重要的科学意义。
本研究基于最新的再分析和遥感数据，揭示了北半球春季植被变绿(LAIMAM)、夏季大气VPD(VPDJJA)上升和SM(SMJJA)下降的普遍现象。具体而言，北半球区域平均SMJJA的标准化异常呈显著递减趋势，斜率为-0.059±0.011/年，LAIMAM和VPDJJA的标准化异常分别呈0.063±0.010/年和0.074±0.008/年的显著递增趋势。
图1 北半球1982—2020年LAIMAM、VPDJJA和SMJJA的变化
论文通过使用岭回归、基于最小二乘的控制实验和可解释性机器学习模型三种可靠的统计方法，量化了夏季SM变化对春季LAI和夏季VPD的敏感性，揭示了在不同区域和气候条件下的差异性。总体而言，SMJJA对VPDJJA的敏感性呈现负敏感，而SMJJA对LAIMAM的敏感性在区域上存在差异。此外，三种方法的评估结果均表明，在北美西南部、欧洲南部、中亚和中国东北部SMJJA对LAIMAM的敏感性为负敏感。这意味着在这些地区，春季植被变绿会加剧夏季土壤水分的亏缺。
图2 基于三种评估方法的SMJJA对LAIMAM和VPDJJA的敏感性空间分布
论文引入了对三种方法结果的综合比较框架，不仅发现了VPD对土壤湿度变化的贡献在相当一部分区域显著超过LAI，还揭示了两者在中高纬度地区存在不同的交互机制，填补了该领域的知识空白。
图3 综合分析LAIMAM和VPDJJA对SMJJA的贡献率结果
在未来全球变暖的背景下， VPD预计将在全球范围内进一步增加。相比之下，预计的土壤水分变化则是不均一的和不确定的。尽管最近的研究表明VPD对植物生理过程和生态系统生产力起着关键作用，但VPD对土壤水分的影响似乎被春季植被绿化的这种更加明显的变化所掩盖。论文通过多种统计方法得到可靠的结果，表明对于北半球地区，夏季VPD对SM的影响会超过春季植被绿化。这将有助于加深对区域水循环的认识，为区域水资源管理提供理论支持。
论文得到国家重点研发计划项目(2023YFF0805703)的资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41612-024-00844-6
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