澳大利亚生态系统对严重干旱的碳-水通量响应与恢复研究学术报告

一、研究团队与发表信息
本研究由C. Stephens（西悉尼大学Hawkesbury环境研究所）领衔，联合B. Medlyn、L. Williams等来自澳大利亚多所高校及研究机构的学者共同完成，发表于2025年《Global Change Biology》期刊（卷31，文章编号e70361）。研究依托澳大利亚陆地生态系统研究网络（TERN）的14个涡度协方差（eddy covariance）通量站点数据，覆盖草地、半干旱林地至热带温带森林等多种生态系统类型。

二、学术背景与研究目标
科学领域与背景
全球气候变化加剧了干旱风险，威胁碳-水循环，但生态系统尺度对多年严重干旱的响应机制仍缺乏量化研究。现有植被模型多基于叶片或单株尺度的参数化，难以准确预测冠层或生态系统尺度的干旱敏感性。澳大利亚2018-2019年极端干旱（百年最热最干年份）为研究提供了自然实验场景。

研究目标
1. 量化不同生态系统碳（GPP、NEP）与水（ET）通量对极端干旱的敏感性；
2. 解析干旱后恢复动态及遗留效应；
3. 揭示生态系统抗旱机制（如土壤储水利用、叶片脱落策略）；
4. 为植被模型参数化提供实证基准。

三、研究方法与流程
1. 数据采集与站点分类
- 数据来源：TERN-OzFlux网络的14个通量站点（2010-2021年），涵盖草地（如Sturt Plains）、极干旱林地（Alice Springs Mulga）、季节性湿润（如Daly Uncleared）及湿润森林（Tumbarumba）。
- 气候指标：基于AWAP网格降水数据和Penman方程计算的潜在蒸散发（PET），构建水分指数（MI=P/PET）。
- 站点分组：通过主成分分析（PCA）按气候与植被结构分为5类（草地、极干旱、干旱、季节性湿润、湿润）。

2. 干旱严重性评估
- 定义生长年（基于NEP季节性最低点），对比干旱期（2018-2019）与干旱前（2010-2017）的MI变化，划分严重干旱（MI下降≥30%）与中度干旱（下降10%-30%）。

3. 通量响应分析
- 年际变化：计算ET、GPP、NEP、水分利用效率（UWUE=GPP×VPD⁰.⁵/ET）的干旱期均值与基线差异。
- 恢复评估：对比干旱后首年与气候相似干旱前年的通量数据。

4. 机制解析
- 水分存储策略：分析30天移动平均的ET/PET与MI关系，判断土壤储水利用。
- 生理响应：通过LAI（叶面积指数）与GPP变化的时序关联（12个月滑动Z分数交叉相关），区分叶片脱落与气孔关闭的主导作用。
- 非气孔限制：基于ET/VPD⁰.⁵与GPP的日变化 centroid 偏移检测光合作用非气孔抑制。

5. 统计与模型验证
- 采用月度水分亏缺指数（MWDI=Σ(P-PET)|P

四、主要研究结果
1. 干旱敏感性差异
- 极干旱与草地：GPP平均下降65%（如Alice Springs Mulga下降68%），ET减少73%，3个站点由碳汇转为碳源。
- 中等湿润生态系统：GPP保持稳定（干旱期均值+2%），依赖土壤储水（ET/PET>MI的干季）与湿季水分节约（ET/PET

2. 恢复动态
所有站点在干旱后首年GPP均恢复至或超过气候相似基线年，未发现显著遗留效应（如Daly Uncleared的NEP在2020年反超）。

3. 机制解析
- 水分利用策略：干旱与季节性湿润站点通过湿季储水维持干季ET，形成“缓冲”机制（图5）。
- 生理响应：极干旱站点（如Ti Tree East）干旱时LAI与GPP同步下降（滞后≤1月），而Calperum先气孔关闭（GPP下降滞后3月）。
- MWDI预测力：解释79%的GPP空间变异（优于年降水的50%），凸显短期水分亏缺对生态系统组成的决定性影响。

五、结论与价值
科学价值
1. 揭示了澳大利亚生态系统抗旱的“水分存储-节约利用”策略，挑战了传统干旱敏感性模型；
2. 提出MWDI作为生态系统生产力空间格局的新预测指标；
3. 为植被模型改进提供关键参数（如根区水分吸收、非气孔限制）。

应用价值
1. 指导气候适应管理：极干旱生态系统需优先保护，中等湿润系统具自然抗旱韧性；
2. 优化碳汇评估模型，减少未来干旱预测的不确定性。

六、研究亮点
1. 多尺度数据整合：首次结合14个通量站点长期观测与高分辨率气候数据，量化大陆尺度干旱响应；
2. 机制创新：揭示“湿季储水-干季消耗”策略是中等湿润系统抗旱核心；
3. 方法学贡献：开发MWDI指数，弥补年降水指标对周期性干旱的盲区。

局限与展望
通量塔站点多位于平坦区域，可能低估地形导致的干旱死亡率；未来需结合遥感与田间观测验证。