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欧洲2018年夏季干旱对生态系统总初级生产力的影响研究

一、研究团队与发表信息

本研究由Zheng Fu（第一作者，法国巴黎萨克雷大学气候与环境科学实验室）领衔，联合来自欧洲多国（德国、瑞士、意大利、比利时等）及美国、中国等21个机构的共24位学者合作完成。论文题为《Sensitivity of gross primary productivity to climatic drivers during the summer drought of 2018 in Europe》，发表于Philosophical Transactions of the Royal Society B（Phil. Trans. R. Soc. B）期刊，2020年出版，属于主题特刊《Impacts of the 2018 severe drought and heatwave in Europe: from site to continental scale》。

二、学术背景

研究领域：生态学与环境科学，聚焦气候变化对陆地生态系统碳循环的影响。
研究动机：2018年欧洲夏季干旱是过去20年最严重的极端气候事件之一，但干旱如何影响生态系统碳动态（如总初级生产力，GPP）尚不明确。此前研究多关注单一气候因子（如温度或降水），而多因子交互作用（如气温、蒸气压亏缺、土壤水分）对GPP的调控机制缺乏系统性分析。
科学目标：
1. 量化2018年干旱期间欧洲不同生态系统GPP的变化；
2. 揭示干旱如何改变GPP对气候驱动因子（气温、蒸气压亏缺、土壤水分、光合光子通量密度）的敏感性；
3. 解析气候因子对GPP的直接与间接影响路径。

三、研究方法与流程

1. 数据来源与处理

• 研究对象：欧洲34个通量塔站点（2016年与2018年夏季数据），涵盖7种生态系统类型：常绿针叶林（15站）、落叶阔叶林（5站）、混交林（4站）、草地（5站）、稀树草原（3站）、灌丛（1站）、湿地（1站）。
  
• 数据预处理：
  
  • 使用涡度协方差（eddy covariance, EC）技术获取半小时尺度的净生态系统交换量（NEE），通过昼夜分区法拆分为GPP和生态系统呼吸（TER）。
    
  • 气象数据包括气温（Ta）、蒸气压亏缺（VPD）、土壤含水量（SWC）、光合光子通量密度（PPFD）。
    
  • 根据2018年夏季SWC相对于2016年的变化幅度，将站点分为三组：干旱组（SWC降幅≥10%，23站）、中性组（SWC变化±10%内，7站）、湿润组（SWC增幅≥10%，4站）。
    

2. 分析方法

• 敏感性分析：通过线性混合模型（站点为随机效应）计算标准化后的GPP对气候因子的敏感性系数。
  
• 路径分析：利用结构方程模型（SEM）量化气候因子（Ta、VPD、SWC、PPFD）对GPP的直接与间接效应，采用R包lavaan实现。
  
• 表面导度计算：基于Penman-Monteith方程反推冠层气孔导度（gs），分析干旱对气孔调控的影响。
  

创新方法：
- 首次在欧洲尺度上结合多站点EC数据与路径分析，解析干旱期间气候因子的因果链效应。
- 提出深度加权土壤含水量（0–80 cm）估算方法，解决森林站点深层SWC数据缺失问题（通过表层SWC与深层SWC的指数关系拟合）。

四、主要结果

1. 干旱对GPP的影响

• 生态系统差异：草地GPP降幅（-38%）显著高于森林（-10%），与蒸散发（ET）和SWC减少同步。
  
• 碳通量耦合：干旱组GPP与TER同步下降（GPP: -125 g C m⁻² season⁻¹；TER: -105 g C m⁻² season⁻¹），导致净碳吸收减少。
  

2. GPP对气候因子的敏感性变化

• 气温（Ta）：2016年GPP对Ta呈正敏感（0.15），2018年转为负敏感（-0.03），表明高温抑制光合作用。
  
• 土壤水分（SWC）：2018年GPP对SWC的敏感性（0.24）较2016年（0.06）提升4倍，凸显干旱期水分限制增强。
  
• 蒸气压亏缺（VPD）：两年均负敏感（约-0.30），但2018年气孔导度（gs）显著降低（0.53 vs. 0.85 cm s⁻¹），反映气孔关闭加剧。
  
• 光合光子通量（PPFD）：2018年正效应减弱（0.62 vs. 0.68），辐射利用效率下降。
  

3. 气候因子的交互作用（路径分析）

• 直接效应：2018年VPD对GPP的负效应（-0.36）最强，SWC正效应（0.15）次之，Ta无显著直接效应。
  
• 间接效应：
  
  • Ta通过升高VPD间接抑制GPP（路径：Ta→VPD→GPP，效应-0.19）；
    
  • SWC通过降低VPD间接促进GPP（路径：SWC→VPD→GPP，效应0.11）。
    
• 总效应：2018年VPD（-0.41）和Ta（-0.29）的负效应增强，PPFD的正效应减弱（0.48 vs. 0.58），共同导致GPP下降。
  

五、研究结论与价值

1. 科学价值：
   
   • 揭示了干旱期间气候因子对GPP的非线性调控机制，尤其是VPD与SWC的拮抗作用。
     
   • 为改进陆地生态系统模型中的水分-碳耦合参数化提供实证依据。
     
2. 应用价值：
   
   • 支持欧洲农业与林业的干旱适应性管理，如优先保护浅根草地生态系统。
     
   • 提示未来气候变暖下，高频VPD极端事件可能加剧碳汇功能的不稳定性。
     

六、研究亮点

1. 多尺度数据整合：首次联合欧洲34个通量塔数据，覆盖从温带到寒带的多种生态系统。
   
2. 方法论创新：路径分析厘清了气候因子的直接/间接效应，突破传统相关性分析的局限。
   
3. 关键发现：
   
   • 草地对干旱的敏感性远高于森林，挑战了“深层根系完全缓冲干旱”的假设；
     
   • VPD（而非Ta）是干旱期间GPP的主要限制因子。
     

七、其他重要内容

• 数据公开性：所有通量数据通过ICOS（Integrated Carbon Observation System）平台共享（DOI:10.18160/pzdk-ef78）。
  
• 研究局限：未考虑植被物候变化（如叶片衰老）对GPP的影响，建议未来结合遥感数据深化分析。
  

（全文约2000字）