北半球植被水分利用效率對(duì)野火干擾的動(dòng)態(tài)響應(yīng)
《Agricultural and Forest Meteorology》：The dynamic response of vegetation water use efficiency to wildfire disturbances in the Northern Hemisphere
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時(shí)間：2026年02月28日
來源：Agricultural and Forest Meteorology 5.7
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植被水利用效率（WUE）對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳-水循環(huán)交互作用至關(guān)重要。本研究基于2001-2021年北方半球植被WUE數(shù)據(jù)和2004-2018年火災(zāi)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，通過去除長(zhǎng)期趨勢(shì)和季節(jié)性變化，發(fā)現(xiàn)2001-2011年WUE以-0.016 g C m?2 mm?1 yr?1速率下降，2011年后趨勢(shì)反轉(zhuǎn)，可能與強(qiáng)拉尼娜事件相關(guān)。火災(zāi)后5年，74.2%的ΔWUE值介于-0.5至0.5 g C m?2 mm?1，呈現(xiàn)負(fù)偏態(tài)，說明火災(zāi)普遍降低WUE。針葉林火災(zāi)后WUE上升，闊葉林下降，且受氣候帶影響顯著。機(jī)器學(xué)習(xí)歸因分析表明，前火災(zāi)WUE水平、溫度、蒸散勢(shì)差、土壤濕度和降水是主要驅(qū)動(dòng)因素。研究揭示了火災(zāi)擾動(dòng)下不同植被類型WUE動(dòng)態(tài)軌跡及關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為高緯度火災(zāi)景觀碳-水協(xié)同管理提供理論依據(jù)。
徐慧鵬|王群明|彼得·M·阿特金森
同濟(jì)大學(xué)測(cè)繪與地理信息學(xué)院，中國(guó)上海四平路1239號(hào)，200092
摘要
植被水分利用效率（WUE）是反映生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和水循環(huán)之間相互作用的關(guān)鍵指標(biāo)。然而，北半球的快速變暖和野火活動(dòng)的增加帶來了顯著的干擾，可能影響了火災(zāi)后WUE的動(dòng)態(tài)變化。理解這些影響對(duì)于推進(jìn)我們對(duì)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)的認(rèn)識(shí)至關(guān)重要。在這項(xiàng)研究中，我們利用去趨勢(shì)化和去季節(jié)化的WUE數(shù)據(jù)以及來自中分辨率成像光譜輻射計(jì)的火災(zāi)強(qiáng)度數(shù)據(jù)，分析了北半球生長(zhǎng)季節(jié)期間WUE的火災(zāi)后變化軌跡和響應(yīng)機(jī)制。研究結(jié)果表明，自2001年以來，北半球生長(zhǎng)季節(jié)的植被WUE總體上呈下降趨勢(shì)（-0.016 g C m?2 mm?1 yr?1），并在2011年左右出現(xiàn)了一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這可能與大規(guī)模氣候異常（如強(qiáng)烈的拉尼娜現(xiàn)象）有關(guān)。火災(zāi)發(fā)生后的五年內(nèi)，74.2%的?WUE（定義為火災(zāi)后的WUE減去火災(zāi)前的WUE）值介于-0.5至0.5 g C m?2 mm?1之間，并且明顯偏向負(fù)值，表明火災(zāi)干擾對(duì)WUE產(chǎn)生了不利影響。值得注意的是，針葉林在火災(zāi)后的WUE呈上升趨勢(shì)，而闊葉林則呈下降趨勢(shì)，其變化軌跡進(jìn)一步受到氣候區(qū)的影響。基于機(jī)器學(xué)習(xí)的歸因分析表明，火災(zāi)前的WUE水平是影響火災(zāi)后WUE變化的關(guān)鍵因素。此外，溫度、蒸氣壓虧缺、土壤濕度和降水量等氣候變量也發(fā)揮了重要作用，這些氣候驅(qū)動(dòng)因素在局部尺度上具有顯著影響。我們的研究揭示了不同植被類型火災(zāi)后的WUE變化軌跡，并確定了主要驅(qū)動(dòng)因素。這些發(fā)現(xiàn)為理解北半球植被對(duì)火災(zāi)干擾的碳-水循環(huán)耦合響應(yīng)提供了重要見解。
引言
水分利用效率（WUE）是指植物吸收的碳與消耗的蒸騰水分之比，反映了特定水資源條件下的植被生長(zhǎng)能力，是評(píng)估陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)碳、水和能量循環(huán)綜合響應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)（Ito和Inatomi，2012；Huang等人，2015；Yang等人，2020）。因此，WUE的動(dòng)態(tài)變化及其控制機(jī)制一直是全球變化生態(tài)學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。早期研究表明，在自由空氣CO?富集條件下，升高的CO?濃度增強(qiáng)了C3和C4植物的光合作用，同時(shí)降低了氣孔導(dǎo)度，從而提高了WUE（Wand等人，1999；Bernacchi等人，2007）。近年來，利用遙感技術(shù)的大規(guī)模研究進(jìn)一步表明，在植被綠化地區(qū)，WUE顯示出顯著上升趨勢(shì)（Xue等人，2022；Hu等人，2024），為理解植被與水資源的關(guān)系提供了新的視角。然而，在干旱脅迫條件下，特別是在高蒸氣壓虧缺（VPD）和低土壤濕度環(huán)境中，植被通過氣孔調(diào)節(jié)機(jī)制限制了光合作用和蒸騰過程，可能使WUE的進(jìn)一步增加達(dá)到一個(gè)飽和水平（Li等人，2023）。最近的研究還表明，WUE及其驅(qū)動(dòng)因素的時(shí)空變化表現(xiàn)出空間異質(zhì)性和對(duì)極端氣候事件的高度敏感性（Liu等人，2024）。盡管一些研究已經(jīng)探討了WUE對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，但專門關(guān)注火災(zāi)干擾（尤其是在大空間尺度上）的研究仍然有限。在全球氣候變化加劇的背景下，近年來極端火災(zāi)事件后的植被恢復(fù)時(shí)間越來越長(zhǎng)（Lv等人，2025）。因此，有必要在大空間尺度上研究火災(zāi)后的WUE變化軌跡，并探討火災(zāi)干擾影響WUE的機(jī)制。
野火的發(fā)生通常會(huì)對(duì)地表環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，火災(zāi)前后干旱脅迫的疊加使植被生長(zhǎng)軌跡更加復(fù)雜。現(xiàn)有研究表明，火災(zāi)可以在多個(gè)層面上影響生態(tài)系統(tǒng)的水循環(huán)和碳循環(huán)。在生物地球化學(xué)層面，火災(zāi)通過調(diào)節(jié)植物水分需求直接影響水分傳輸過程（Baur等人，2024）并改變土壤質(zhì)地（Granged等人，2011）；在群落結(jié)構(gòu)層面，火災(zāi)驅(qū)動(dòng)植被覆蓋類型的變化（Tyukavina等人，2022）并重塑生態(tài)系統(tǒng)韌性（Zheng等人，2024），間接影響碳和水的利用模式；在能量交換層面，火災(zāi)通過改變地表輻射通量和植被的蒸散能力重建區(qū)域地表能量和水平衡（Liu等人，2019；Zhao等人，2024）。
然而，北半球和南半球的火災(zāi)特征存在顯著差異，特別是在火災(zāi)頻率、面積、強(qiáng)度和天氣季節(jié)方面（Jones等人，2022；Richardson等人，2022），因此在評(píng)估火災(zāi)對(duì)WUE的影響時(shí)需要仔細(xì)考慮區(qū)域背景和植被類型。北半球的陸地生態(tài)系統(tǒng)相比南半球的熱帶植被具有更高的環(huán)境敏感性。它們的光合作用-蒸騰耦合過程受到多維環(huán)境梯度的調(diào)節(jié)，包括季節(jié)性降水波動(dòng)、溫度梯度、物種差異和海拔效應(yīng)（Zheng等人，2023）。特別值得關(guān)注的是燃料負(fù)荷異質(zhì)性和物候周期性的協(xié)同作用，它們共同驅(qū)動(dòng)了北方森林地區(qū)野火的時(shí)空模式形成。在更廣泛的尺度上，這種相互作用塑造了北美和歐亞大陸之間的火災(zāi)類型差異：北美的北方森林主要以樹冠火災(zāi)為主，而歐亞大陸則以地表火災(zāi)為主（Rogers等人，2015；De Groot等人，2013）。此外，與南半球（尤其是澳大利亞）容易發(fā)生野火的地區(qū)相比，北半球相對(duì)較長(zhǎng)的火災(zāi)復(fù)發(fā)間隔具有重要的生態(tài)意義，因?yàn)楦呔暥鹊貐^(qū)的火災(zāi)通常是自然引發(fā)的。這些火災(zāi)制度的時(shí)間特征使北半球的植被能夠展現(xiàn)出更完整的恢復(fù)和演替過程，為分析植被對(duì)火災(zāi)干擾的WUE響應(yīng)提供了獨(dú)特的時(shí)間框架。
近年來，北極放大效應(yīng)加劇，導(dǎo)致高緯度地區(qū)的變暖趨勢(shì)加劇和濕度增加，表現(xiàn)為燃燒面積擴(kuò)大、火災(zāi)強(qiáng)度增加以及北方森林的生態(tài)恢復(fù)期延長(zhǎng)。一項(xiàng)基于火災(zāi)后碳儲(chǔ)量軌跡的研究表明，北美洲北部森林的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量恢復(fù)存在顯著的時(shí)間滯后效應(yīng)，恢復(fù)期超過10年（Yu等人，2023）。盡管如此，關(guān)于火災(zāi)干擾后WUE時(shí)空演變的研究仍然很少。了解火災(zāi)后WUE的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制對(duì)于闡明氣候變化下生態(tài)系統(tǒng)中的水-碳耦合過程以及重建區(qū)域水文循環(huán)至關(guān)重要。
WUE的變化表現(xiàn)為受多種驅(qū)動(dòng)因素影響的時(shí)間趨勢(shì)，包括氣候和干擾因素。因此，在分析干擾對(duì)WUE的單獨(dú)影響時(shí)，去除氣候變化等混淆因素以獨(dú)立評(píng)估干擾效應(yīng)是至關(guān)重要的。在之前關(guān)于火災(zāi)等干擾對(duì)植被生產(chǎn)力和恢復(fù)力影響的研究中，通常會(huì)去除長(zhǎng)期趨勢(shì)和季節(jié)性波動(dòng)（Wang等人，2023；Xu等人，2024）。這種方法對(duì)于分析WUE非常相關(guān)。然而，專注于去趨勢(shì)化WUE的研究——即去除長(zhǎng)期趨勢(shì)和季節(jié)性周期后的殘余變異性，可以捕捉對(duì)干擾（如干旱、火災(zāi)）和年際氣候極值的瞬態(tài)響應(yīng)——仍然有限，這突顯了理解短期生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的關(guān)鍵空白。
鑒于上述現(xiàn)有知識(shí)空白，我們通過整合去趨勢(shì)化WUE和火災(zāi)數(shù)據(jù)來探討以下三個(gè)問題：
•自21世紀(jì)初（2001–2021年）以來，北半球的WUE發(fā)生了怎樣的變化？
•火災(zāi)干擾后WUE如何變化？
•哪些因素影響火災(zāi)干擾后WUE軌跡的演變？
通過結(jié)合遙感診斷和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的建模，我們旨在建立一個(gè)機(jī)制框架，將火災(zāi)后的植被再生策略與水文限制聯(lián)系起來。研究結(jié)果將為平衡北方火災(zāi)景觀中的碳封存和水資源可持續(xù)性提供適應(yīng)性管理策略。
研究區(qū)域概述
研究區(qū)域位于北半球的自然植被區(qū)內(nèi)（圖1a），重點(diǎn)關(guān)注八種典型的植被類型，并排除了農(nóng)業(yè)和工業(yè)活動(dòng)的干擾，以盡量減少人為因素對(duì)結(jié)果的影響。植被的空間分布表現(xiàn)出顯著的空間異質(zhì)性。針葉林主導(dǎo)了西伯利亞和加拿大北部地區(qū)（北緯55°以北的比例顯著），而溫帶草原則占據(jù)了...
去趨勢(shì)化WUE的時(shí)空演變
我們系統(tǒng)地評(píng)估了過去二十年生長(zhǎng)季節(jié)期間WUE的時(shí)空演變，重點(diǎn)關(guān)注八個(gè)在土地利用變化不顯著的陸地覆蓋類型。這種方法有效減少了土地利用變化對(duì)觀察到的WUE動(dòng)態(tài)的潛在混淆效應(yīng)。去趨勢(shì)化后的年平均WUE值分析顯示，2011年出現(xiàn)了一個(gè)顯著的拐點(diǎn)（圖4c）。具體來說，從2001年到2011年，WUE...
影響WUE的環(huán)境因素
為了了解火災(zāi)后WUE變化的環(huán)境因素，我們基于2004年至2018年間超過70%的燃燒像素訓(xùn)練了一個(gè)XGBoost模型，以預(yù)測(cè)火災(zāi)后的?WUE（圖7）。結(jié)果顯示，在訓(xùn)練集上的R2值為0.87，在測(cè)試集上為0.67，表明所選指標(biāo)解釋了?WUE方差的相當(dāng)大比例（圖7a）。通過相對(duì)重要性分析，我們對(duì)前十個(gè)環(huán)境因素進(jìn)行了排名和評(píng)估。
結(jié)論
本研究系統(tǒng)地分析了2001年至2021年的WUE時(shí)間趨勢(shì)及其對(duì)火災(zāi)干擾的響應(yīng)，基于2001年至2021年的WUE數(shù)據(jù)和2004年至2018年的火災(zāi)數(shù)據(jù)。通過去除長(zhǎng)期趨勢(shì)和季節(jié)性波動(dòng)，我們能夠研究火災(zāi)干擾后的WUE軌跡。結(jié)果表明，從2001年到2021年，北半球植被的WUE總體呈現(xiàn)...
資助
本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持，資助編號(hào)為42222108和42171345。
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
徐慧鵬：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿，可視化，驗(yàn)證，方法論，正式分析，數(shù)據(jù)管理，概念化。王群明：撰寫 – 審稿與編輯，驗(yàn)證，監(jiān)督，方法論，資金獲取，正式分析，概念化。彼得·M·阿特金森：撰寫 – 審稿與編輯，驗(yàn)證，方法論，正式分析，概念化。
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