ERL好文!气候变化下中国旱地植被生产力的变化及其驱动因素

科技   2024-11-03 00:01   贵州  

标题:Changes and drivers of vegetation productivity in China’s drylands under climate change

第一作者:Wenxin Zhou

时间:2024年9月

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研究背景

在全球气候变化的背景下,干旱地区的生态系统面临严峻挑战。研究显示,当干旱指数超过0.7时,植被会出现明显衰退,尽管提高的二氧化碳浓度可能在短期内促进植物生长,但持续的高温和资源限制将带来复杂影响。因此,理解干旱地区的植被动态及其驱动因素,对制定有效的生态管理策略至关重要。

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试验方案

选取了对关键生态系统属性和过程至关重要的变量,包括营养循环、植物生产力、生物相互作用、生物多样性、气候模式、土壤健康和土地退化等。在分析方法上,使用了线性和非线性回归模型,包括广义加法模型(GAM),以探究生态系统变量与干旱指数之间的关系,并识别了潜在的阈值。采用了部分相关分析和交叉收敛映射方法,探讨GPP与环境因子之间的部分相关性。

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主要成果


生态系统属性对干旱变化的响应表现出非线性,表明一旦超过关键干旱阈值,生态变量会发生显著变化(图1)。研究识别出三个阶段,分别对应干旱指数0.700.800.95。第一阶段特征为初级生产力(GPP)、归一化植被指数(NDVI)和地上碳密度的急剧下降。第二阶段表现为土壤有机碳、氮含量和地下碳密度的明显减少。第三阶段则以生物土壤结皮的增加、年际降水变异性的上升,以及植物物种丰富度的下降为特征。这些发现强调了干旱对生态系统动态的深远影响。

1. 15个生态系统结构和功能变量的潜力(点密度)模式随干旱程度的增加而变化。峰值显示已确定干旱值附近的阈值,其中变量值从高值向低值转变。

未来显示,预计到2100年,中国干旱地区的平均干旱指数将升高至0.72-0.74,相较于1980-2014年的历史时期,2020-2060年和2061-2100年期间干旱地区将分别扩展18721平方公里和47567平方公里。扩展主要集中在东北地区,而西南的青藏高原地区则预计会缩小。在四种干旱子类型中,干湿地区和干旱地区预计将占总扩展的89%。根据CMIP6模型的四个情景,预计到2100年,约12.8%的当前干旱区(约80万平方公里)将超过三个关键干旱阈值。尤其是在预计超过0.8阈值的区域,影响将非常显著,覆盖面积达60万平方公里(占干旱区的8.8%),主要集中在中国东北干旱地区。

2. 相对于19802014年基线期,预测中国干旱地区将跨越一个或多个干旱阈值的区域(CMIP6气候情景):SSP1-2.6(强气候变化缓解)针对(A20202060年和(B):20612100年,SSP2-4.5(中度缓解)针对(C20202060 年和(D20612100年,SSP3-7.0(无缓解基线)针对(E20202060年和(F20612100年,SSP5-8.5(无缓解,最坏情况)针对(G20202060年和(H20612100年。灰色阴影表示1950-2000年的基线旱地,未阴影区域现在不是旱地,因此不在范围之内。


SSP2-4.5情景下,20202060年间,CO2和降水将主要驱动GPP变化,分别占26.4%27.8%。而在2061-2100年,GPP下降趋势主要由氮沉降(20.1%)和降水(18.6%)驱动。对于SSP5-8.5情景,从20202060年,温度(25.2%)、CO214.4%)、氮沉降(19.1%)和降水(21.5%)将推动GPP的增加。40年后,CO2和氮沉降将成为GPP增加的主要驱动因素,分别占20.2%19.5%

3. CMIP6气候情景相对于1980-2014年基线期,预测的夏季平均总初级生产力趋势主要驱动因素的优势区域的空间分布和比例分布,这些区域将跨越一个或多个干旱阈值:SSP2-4.5(适度缓解)适用于(A2020-2060年和(B2061-2100年,SSP5-8.5(无缓解,最坏情况)适用于(C2020-2060 年和(D2061-2100年。主要驱动因素被定义为对每个网格单元中GPP的增加(正向影响)或减少(负向影响)贡献最大的驱动因素。灰色阴影表示1950-2000年基线旱地,未阴影区域不再是旱地,因此不在该范围之内。

本研究揭示了在干旱梯度上,多种生态系统结构和功能属性会经历突变,并确定了干旱阈值分别为0.70.80.95。由于气候变暖导致的干旱扩展,预计将引发生态系统结构和功能属性的广泛变化,特别是0.8的干旱阈值,这将危及生态系统服务的持续提供。最初,全球变暖和CO2浓度的上升促进了超过干旱阈值地区的植被生长。然而,持续上升的温度和CO2浓度在氮和水资源有限的情况下可能对植被生产力产生不利影响。干旱生态系统的过渡区是生态脆弱区域,容易受到干旱的影响,因此需要制定保护策略,以减缓气候变化引起的干旱化进程,缓解这些关键区域的退化问题。

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