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

針對以上關(guān)鍵科學(xué)問題，研究組通過多源遙感、通量觀測、機器學(xué)習(xí)和地球系統(tǒng)模型，繪制了生態(tài)系統(tǒng)水分閾值地圖。研究發(fā)現(xiàn)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(tǒng)的0.12?m3/m3到濕潤生態(tài)系統(tǒng)的0.26?m3/m3。當(dāng)前地球系統(tǒng)模型模擬的水分閾值在干旱地區(qū)被高估，而在濕潤地區(qū)被低估，導(dǎo)致錯誤的全球通用格局?；谟^測數(shù)據(jù)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(yīng)與適應(yīng)。通過可解釋的機器學(xué)習(xí)，該研究發(fā)現(xiàn)干旱指數(shù)、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(qū)動因子。同時，該研究還發(fā)現(xiàn)過去四十年中，土壤水分低于閾值的受水分脅迫天數(shù)的比例顯著增加，表明陸地生態(tài)系統(tǒng)每年越來越多的時間正受到水分脅迫。這項研究結(jié)果對于理解模型中生態(tài)系統(tǒng)功能受水分脅迫的起始和識別生態(tài)系統(tǒng)水分脅迫的臨界點具有重要意義。

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，還有來自法國氣候與環(huán)境科學(xué)實驗室、法國農(nóng)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 基于觀測數(shù)據(jù)的生態(tài)系統(tǒng)水分脅迫閾值

圖2 評估當(dāng)前地球系統(tǒng)模型生態(tài)系統(tǒng)水分脅迫閾值