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文章摘要
低土壤湿度和高蒸气压差（VPD）会造成植物水分胁迫，并导致各种干旱反应，包括蒸腾作用和光合作用的降低。当土壤湿度低于临界土壤湿度阈值时，生态系统会从能量限制过渡到水分限制，因为气孔会关闭以缓解水分胁迫。然而，在生态系统尺度上，这些阈值背后的机制仍不甚明了。
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研究方法
本研究基于全球土壤数据和气候模型，使用了土壤-植物水力模型（SPAC模型）来分析不同土壤质地对植物水分利用的影响。
通过将土壤质地的导水性、持水性与植物蒸腾速率相结合，研究人员建立了全球不同土壤质地的水分阈值模型。
该模型能够预测在不同气候条件下，土壤质地如何影响生态系统水分利用的变化。此外，研究还使用了气候情景模拟，预测了未来气候变化对全球生态系统水分限制的影响，重点分析了不同土壤类型的生态系统在应对VPD和土壤干旱方面的差异。
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研究结果
θcrit的变化随土壤质地而变化，与含沙量呈负相关。植物水力调节对θcrit的影响取决于土壤质地。虽然θcrit可能受到细粒土壤中植物脆弱性调整的显著影响，但在粗粒土壤中的影响往往很小。ψcrit与含沙量呈负相关，这意味着沙质土壤中的生态系统在负土壤水势小于细粒土壤时会受到水分限制。土壤和植物水力学在控制生态系统水分限制开始方面依赖于质地的相对重要性。
图2：土壤导水率控制着生态系统水分限制的临界土壤水分阈值。a、 与每个土壤结构类别的平均（水平误差条指示的范围）重量砂分数相关的全球临界土壤湿度阈值（土壤结构特定的最大和最小θcrit以及所有FN和SFNθcrit的θcrit与所有观测值（即FN+SFN）的平均砂分数的线性回归分别显示为纯黑色、纯灰色、点灰色和点灰色线）。b、 通过将该模型应用于特定地点的土壤结构信息，可以很好地预测临界土壤湿度阈值（考虑所有土壤结构，排除粘土，观察到的θcrit与模拟θcrit的线性回归显示为纯黑色，而FN和SFN的线性回归分别显示为点划线和灰色虚线）。c、 含沙量决定了观测到的（FN，SFN）和模拟的（sim.）临界土壤湿度阈值（Sθcrit）的跨度，以及每个土壤结构类别的最大和最小θcrit之间的差异。Sθcrit是观测值θcrit变异性（黑色）和θcrit对模型参数敏感性的度量，例如土壤质地类别（棕色）中不同的土壤水力特性和不同的植物特征（植物脆弱性ψx50和根长Lroot，绿色）。Sθcrit线性回归的负斜率（Lroot除外）表明，在观测和模拟中（分别为纯黑色和彩色虚线），θcrit随砂分数的变化性和敏感性都在降低。d、 FN（空心圆）和SFN（十字）的观察到的中值临界土壤水势阈值（ψcrit）证实了随着含沙量的增加而预期的下降（注意模拟（实心圆和红色实线）对应于图1d，所有ψcrits的log10转换线性回归，而不仅仅是中值，都显示为纯黑色，FN和SFN分别显示为点划线和灰色虚线）。a、 b、数据以分组（FN、SFN）箱图的形式呈现（粗实线表示中位数，下铰链和上铰链对应于第一和第三个四分位数，须状物分别延伸到最高或最低值，但不超过四分位数间距的1.5倍，箱的宽度与每个土壤结构类别中观测值的平方根成比例），并结合沿箱显示为点的单个观测值（nFN和nSFN分别表示每个土壤结构等级的FN和SFNθ标准观测值的数量，而每个土壤结构分类的站点数量在补充表2中给出）。a–d，显示了线性回归斜率的调整后R2值（R2adj）和双侧P值（回归t检验）*P<0.05，**P<0.01，***P<0.001。NS无显著性差异（P>0.05）。
土壤质地通过紧急控制土壤导水率，从而调控生态系统的水分限制作用。土壤质地会对VPD与土壤水分限制的相对重要性产生影响。在沙质土壤中，水分阈值下降幅度较小，但生态系统在较低的土壤水分水平下便会表现出强烈的水分压力。而粘质土壤中的生态系统则相对较不敏感，只有当VPD显著升高时才会出现水分限制。这种变化预示着全球不同地区未来将面临不同程度的生态系统衰退风险。
临界土壤水分阈值对土壤水力特性的依赖性也表明，气候变化对生态系统水分限制的影响将受到土壤质地的调节。大多数气候预测表明，VPD普遍增加，导致潜在蒸腾速率（+ΔTpot）增加。因此，随着在较高土壤湿度下达到供应受限通量条件，VPD的增加预计会导致θcrit（+Δθcrit）的增加）。在此条件下，生态系统将更早地受到水分限制（+Δθcrit），即在季节性土壤干燥期间，在较高土壤湿度下通量下调，对植被产生潜在的负面影响，如GPP降低。
相比之下，在土壤湿度较高的情况下，水分限制的开始表明植物用水量的早期下调——这是一种节水机制，可能会延缓严重水分胁迫和干旱死亡的风险。θcrit和Tpot之间关系的斜率取决于土壤质地，θcrit（Tpot）在细粒土壤中比粗粒土壤更陡（图4b），这可以用相应土壤的导水率曲线来解释。
图4：临界土壤水分阈值对气候变化的全球敏感性取决于土壤质地。a，从当前（2005-2014年）到未来（2060-2069年）气候（SSP2-4.5情景），全球临界土壤湿度阈值（Δθcrit）对VPD变化的预测变化。四个矩形突出显示了由于VPD增加，我们预计生态系统对干旱的脆弱性放大程度最高的地区。这些地区将经历大气干燥的增加，但由于土壤质地粗糙，缓冲能力有限（Δθcrit较小）。排除了极度干旱的沙漠（深灰色，干旱指数（AI）≤0.05）。在湿润地区（虚线区域，AI>1），生态系统不太可能受到水的限制，Δθcrit的影响可能可以忽略不计。b、 颜色沿着两个轴绘制，分别表示θcrit的绝对变化（y轴）和潜在蒸腾速率的相对变化（ΔTpot，x轴）。每个像素在其不透明度中连续映射，从透明度（0%变化）到全强度（所有观测值的99%），而颜色根据ΔTpot和Δθcrit之间的土壤质地特定关系从沙子（红色）到粘土（黄色）连续变化（颜色来自12个不同的土壤质地类别；还比较了不同的坡度，例如粘土与沙子，如图1c所示）。暖色（红色-橙色-黄色）表示临界土壤湿度阈值增加（+Δθcrit），冷色（蓝色-绿色）表示临界土湿度阈值减少（-Δθcrim）。
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研究讨论
