植物水分脅迫的臨界土壤水分閾值定義為植物蒸騰開(kāi)始受土壤水分限制時(shí)的臨界土壤水分值。土壤水分低于此閾值時(shí)，潛熱通量減少，顯熱通量增加，這一過(guò)程會(huì )使大氣變暖。室內和站點(diǎn)試驗報道了不同的水分閾值，但由于缺乏全球觀(guān)測，水分閾值的全球分布尚不清楚。同時(shí)，對于調控不同生態(tài)系統水分閾值變化機制的理解知之甚少。而地球系統模型采用土壤水分-蒸發(fā)比值的參數方法來(lái)描述水循環(huán)和能量循環(huán)之間的聯(lián)系并預測未來(lái)氣候。然而，由于在全球范圍內觀(guān)測蒸發(fā)比值的困難，這些過(guò)程在不同的模型中采用了不同的參數或函數形式，從而導致了氣候、干旱和碳匯預測中的分歧和不確定性。因此，準確地量化水分閾值對于改進(jìn)未來(lái)的氣候和水資源、糧食生產(chǎn)和生態(tài)系統脆弱性的預測至關(guān)重要。?

針對以上關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，研究組通過(guò)多源遙感、通量觀(guān)測、機器學(xué)習和地球系統模型，繪制了生態(tài)系統水分閾值地圖。研究發(fā)現全球平均土壤水分閾值為0.19?m3/m3，但具有較大的空間變異，從干旱生態(tài)系統的0.12?m3/m3到濕潤生態(tài)系統的0.26?m3/m3。當前地球系統模型模擬的水分閾值在干旱地區被高估，而在濕潤地區被低估，導致錯誤的全球通用格局?；谟^(guān)測數據的全球水分閾值地圖反映了植物對土壤可用水和大氣需求的響應與適應。通過(guò)可解釋的機器學(xué)習，該研究發(fā)現干旱指數、葉面積和土壤質(zhì)地是全球水分閾值空間變異的最重要驅動(dòng)因子。同時(shí)，該研究還發(fā)現過(guò)去四十年中，土壤水分低于閾值的受水分脅迫天數的比例顯著(zhù)增加，表明陸地生態(tài)系統每年越來(lái)越多的時(shí)間正受到水分脅迫。這項研究結果對于理解模型中生態(tài)系統功能受水分脅迫的起始和識別生態(tài)系統水分脅迫的臨界點(diǎn)具有重要意義。

該研究成果近期發(fā)表于Nature Communications，第一作者和通訊作者為中國科學(xué)院地理資源所伏正研究員，還有來(lái)自法國氣候與環(huán)境科學(xué)實(shí)驗室、法國農業(yè)遙感所、巴黎薩克雷大學(xué)、美國哥倫比亞大學(xué)、美國宇航局、賓夕法尼亞州立大學(xué)、威斯康辛大學(xué)、亞利桑那大學(xué)、倫敦理工學(xué)院、北京大學(xué)、清華大學(xué)、香港大學(xué)、魏茨曼科學(xué)研究所、首爾國立大學(xué)的合作研究人員。此項研究得到了中國科學(xué)院地理資源所、國家自然科學(xué)基金委、法國航天局的共同支持。

此項研究也是作者2022年曾發(fā)表在《Science Advances》和《Nature Communications》上工作的進(jìn)一步理論深化和尺度拓展（Fu et al. 2022 Science Advances;?Fu et al. 2022 Nature Communications）。

論文信息：Fu, Z., Ciais, P., Wigneron, JP. et al. Global critical soil moisture thresholds of plant water stress. Nature Communications 15, 4826 (2024).?

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49244-7

圖1 基于觀(guān)測數據的生態(tài)系統水分脅迫閾值

圖2 評估當前地球系統模型生態(tài)系統水分脅迫閾值