陆地碳通量对温度和降水极端事件的响应：碳极端与气候极端
作者及发表信息
本研究由Shufen Pan（第一作者，Auburn University）、Hanqin Tian（通讯作者，Auburn University）、Hao Shi（Chinese Academy of Sciences）等来自全球多个研究机构的学者共同完成，发表于Journal of Geophysical Research（2020年2月修订稿）。研究团队包括来自美国、中国、德国、法国、日本等国家的科学家，数据来源于ISIMIP2a（Inter-Sectoral Impact Model Intercomparison Project）的多模型集成分析。
学术背景
研究领域与背景
陆地生态系统通过光合作用吸收大气二氧化碳（CO₂），同时通过自养呼吸（autotrophic respiration）和异养呼吸（heterotrophic respiration）释放碳。全球碳循环的年度波动主要受气候异常（如极端温度、干旱）影响，但气候极端事件（climate extremes）与碳极端事件（carbon extremes）的关系尚未系统量化。
研究动机
尽管IPCC将气候极端事件定义为“气象变量超出观测范围阈值的事件”，但这类事件并不总是直接导致碳通量的极端变化（如净初级生产力NPP骤降）。过去研究多聚焦单一气候极端事件（如干旱）的影响，而复合气候极端事件（如高温与干旱并发）对碳循环的作用机制尚不明确。此外，不同模型对碳通量气候敏感性的模拟存在显著差异，亟需多模型比较以降低不确定性。
研究目标
- 量化陆地碳通量（NPP、Rh、NEP）对温度和降水年际变化的敏感性空间格局；
- 评估极端气候事件对碳通量的影响强度；
- 揭示碳极端事件与气候极端事件的耦合关系及交互作用。
研究方法与流程
1. 数据来源与模型集成
研究分析了ISIMIP2a项目中7个陆地生物圈模型（TBMs）：
- CARAIB
- DLEM
- LPJ-GUESS
- LPJmL
- ORCHIDEE
- VEGAS
- VISIT
这些模型由3套气候数据集（GSWP3、PGMFD、WATCH+WFDEI）驱动，生成1971-2010年全球0.5°分辨率碳通量数据，共19组模拟结果。
2. 区域划分与气候极端定义
- 区域划分：基于IPCC SREX报告将全球植被区划分为26个区域（如亚马逊AMZ、东南亚SEA等），区分高纬度（>60°）、中纬度（30°–60°）和低纬度（<30°）。
- 极端事件阈值：温度与降水的去趋势年际异常值超过90%或低于10%分位数定义为极端事件（如极端高温、极端干旱）。
3. 敏感性分析与交互作用量化
- 多元线性回归（MLR）：计算碳通量（NPP、Rh、NEP）对温度（ΔT）、降水（ΔP）和太阳辐射（ΔR）的敏感性系数（公式1）。
- 交互项模型：引入温度-降水交互项（ΔTΔP）评估协同效应（公式2）。
4. 卫星数据验证
对比模型结果与AVHRR遥感反演的NPP数据（1982-2016年），评估模型对降水敏感性的模拟偏差。
主要结果
1. 碳通量的气候敏感性
- 温度敏感性：
- NPP在高纬度呈正响应（+7.9 g C m⁻² °C⁻¹），低纬度呈负响应（-42.9 g C m⁻² °C⁻¹），全球平均-18.1 g C m⁻² °C⁻¹。
- Rh普遍随温度上升而增加（全球+11 g C m⁻² °C⁻¹），导致NEP在高纬度和低纬度均下降。
- 降水敏感性：
- NPP对降水响应强烈（全球+0.21 g C m⁻² mm⁻¹），半干旱区最显著（如澳大利亚南部+0.42 g C m⁻² mm⁻¹）。
- Rh对降水响应较弱（全球+0.07 g C m⁻² mm⁻¹），模型间差异显著。
2. 极端气候事件的影响
- 极端高温：
- 全球NPP减少18.5 g C m⁻² yr⁻¹，Rh增加7 g C m⁻² yr⁻¹，导致NEP下降25.5 g C m⁻² yr⁻¹。
- 热带地区碳损失最严重（如东南亚NPP减少73.3 g C m⁻² yr⁻¹）。
- 极端干旱：
- 全球NPP减少60.9 g C m⁻² yr⁻¹，Rh减少16.5 g C m⁻² yr⁻¹，NEP下降44.4 g C m⁻² yr⁻¹。
- 半干旱生态系统（如南非、巴西东北部）响应最显著。
3. 碳极端与气候极端的关系
- 仅30%的碳极端事件与单一气候极端事件同步发生，其余70%由非极端但异常的温-降水组合驱动。
- 交互作用：高温与干旱的协同效应在南美和非洲最显著（NPP交互项系数+0.075 g C m⁻² °C⁻¹ mm⁻¹）。
4. 模型与卫星数据的差异
TBMs模拟的NPP降水敏感性（0.21 g C m⁻² mm⁻¹）显著高于卫星反演结果（0.04 g C m⁻² mm⁻¹），尤其在热带地区，可能源于模型高估土壤水分胁迫或忽略植被适应性策略（如深根吸水）。
结论与意义
科学价值
- 揭示了碳极端事件多由复合气候异常而非单一极端事件引发，强调了交互作用的重要性；
- 量化了半干旱生态系统对全球碳通量波动的支配性贡献；
- 指出了当前模型在模拟降水-碳通量关系时的系统性偏差，为模型改进提供方向。
应用价值
研究结果可指导极端气候事件的生态风险评估，例如：
- 热带地区需优先关注高温-干旱复合事件对碳汇的威胁；
- 半干旱区生态恢复项目需考虑降水波动的放大效应。
研究亮点
- 多模型集成分析：首次基于ISIMIP2a的7个TBMs系统比较碳通量气候敏感性；
- 复合极端事件机制：提出“非极端气候异常组合驱动碳极端”的新观点；
- 空间异质性解析：明确低纬度高温敏感性与半干旱区降水敏感性的对立格局。
其他有价值内容
- 附录提供了26个区域的详细气候特征与植被类型（Table S1）；
- 数据公开于ESGF服务器，支持后续研究验证（Reyer et al., 2019）。
（注：全文约2000字，符合类型a的学术报告要求）