大气蒸发在生态系统碳水通量中的重要作用外文翻译资料

 2022-11-26 19:51:56

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毕业论文

英文翻译

原文标题 The increasing importance of atmospheric demand for ecosystem water and carbon fluxes

译文标题 大气蒸发在生态系统碳水通量中的重要作用

大气蒸发在生态系统碳水通量中的重要作用

Kimberly A. Novick1*，Darren L. Ficklin2，Paul C. Stoy3，Christopher A. Williams4，Gil Bohrer5，A. Christopher Oishi6， Shirley A. Papuga7，Peter D. Blanken8，Asko Noormets9，Benjamin N. Sulman10，Russell L. Scott11，Lixin Wang12 and Richard P. Phillips13

1 印第安纳大学，公共与环境学院，布卢明顿，印第安纳州47405，美国

2 印第安纳大学，地理系，布卢明顿，印第安纳州47405，美国

3 蒙大拿州立大学，国土资源与环境科学系，博兹曼，蒙大拿州59717，美国

4克拉克大学，地理学研究生院，伍斯特，马萨诸塞州01610，美国

5俄亥俄州立大学，土木，环境与大地测量工程，俄亥俄州哥伦布市43210，美国

6美国农业部林业局，南方研究站，Coweeta水文实验室，奥托，北卡罗来纳州28763，美国

7亚利桑那大学，自然资源与环境学院，图森，亚利桑那州85721，美国

8科罗拉多大学，地理系，博尔德，科罗拉多州80309-0260，美国

9北卡罗来纳州立大学，林业与自然资源部，罗利，北卡罗来纳州27695，美国

10普林斯顿大学，地球科学系，普林斯顿，新泽西08544，美国

11西南流域研究中心，USDA-ARS，图森，亚利桑那州85719，美国

12印第安那大学 - 普渡大学印第安纳波利斯大学，地球科学系，印第安纳州印第安纳波利斯46202，美国

13印第安纳大学生物系，布卢明顿，印第安纳州47405，美国

土壤水分供应和大气对水的需求具有独立的限制作用，并且在水分胁迫期间显著影响植被生产力和水分利用率1-4。分离这两个驱动因素对生态系统碳水循环的影响是难以实现的，因为它们通常是相关的，并且在这一领域缺乏操控大气需求的实验工具。因此，大气需求的作用通常不能被充分考虑到实验或模型中5-7。本文研究表明在许多生物群落中，包括在有着陆地“碳汇”之称的半湿润森林中，大气需求对表面导度和蒸散发的限制作用在很大程度上要大于土壤水分对二者的作用8,9。此外，通过使用十个通用循环模型的预测，我们将展示在所有生态系统中，未来气候变化将增强大气对碳水通量的限制作用。因此，大气需求对于植被功能将变得越来越重要，尤其在温带半湿润森林的生长季，其对表面导度的限制作用占70％以上。我们的研究结果表明，在未来实验设计、模型模拟和土地管理战略制定中未考虑大气需求的限制作用的话，将不能正确预测生态系统对未来气候条件的响应。

生态系统的水分胁迫通常以土壤水分梯度的变化为特征10,11。土壤水分的减少阻碍水分向土壤或叶表面蒸发的位置运动12，降低了对水蒸汽的表面导度（Gs）（碳水循环的关键决定因素），从而减少蒸散发（ET）。 然而，与饱和水汽压差（VPD）直接相关的水对大气的需求也影响Gs和ET。若饱和水汽压差偏大13-16，植物关闭其气孔以防止过度的水分损失，因此，在水分胁迫期间，VPD的增加对生态系统中植物的碳吸收和水分利用具有独立地约束和限制作用。

尽管植物生理学界早已认识到VPD在确定植物功能中的关键作用，但VPD在水文和气候科学的许多领域中经常被忽视。例如，虽然VPD不受降水的影响，但是人们却常常通过降水操纵实验来企图得到生态系统对干旱胁迫的响应10。一些陆地生态系统和生态水文模型不满足气孔导度随大气需求变化的要求5,11。许多旨在获取这些影响的模型通过对土壤水分和VPD的经验参数化，以平衡效应和模型的等效性5，和/或使用相对湿度代替VPD作为主要驱动力，对碳摄取的预测也具有显著的影响7。此外，我们更关注由于二氧化碳升高导致气孔关闭的水文循环反馈（参考文献17-19），而很少注意在VPD增加情况下由气孔关闭驱动的水文循环反馈。

展望未来，将VPD和土壤水分对生态系统功能的影响单独讨论将变得更加重要。VPD对空气温度的变化非常敏感，因此预计未来全球VPD将升高1,20。另外，对降水和土壤水分的预测不准确、空间变化大、相关性小21。因此，土壤水分和VPD可能需要分开讨论，这可能对干旱条件下的生态影响与我们目前的理解产生进一步分歧。因此，模型可能过度预测VPD较高期间的碳水通量的大小，并且改善土壤水分平衡的管理方法（包括灌溉和稀释森林）可能在减轻水分胁迫方面变得不太有效。

在本研究中，我们使用地表通量观测和多种气候模型来量化土壤水分和VPD在当前和未来气候条件下水分胁迫期间独立限制生长季节的Gs和ET的作用程度。与探索ET限制的传统方法一致22,23，我们在一定范围的干度指数（DI）的地点进行研究，DI定义为年蒸散ET与年降水量的比值，即DI = PET / P。我们从干旱到湿润地带的生物群系中选取了38个美国通量网站点进行半小时ET和相关气象要素的多年测量。从这些观察中，我们通过反演Penman-Monteith方程获得Gs每小时的估计值24，指出以这种方式得到的Gs能够同时反映来自气孔导度和土壤导度的贡献。我们发现虽然VPD和土壤水分在周到年的时间尺度上是相关的，但在收集的美国通量网站点的小时时间尺度数据中二者显著不相关（r 2 lt;0.2）（图1a）。

我们用以下等式量化随土壤水分变化，Gs和VPD之间的关系变化13：

Gs = Gs，ref [1-mtimes;ln（VPD）] （1）

其中截距参数Gs，ref是在VPD = 1（kPa）下的表面导度参考值（mmol m-2s-1）。参数GS，ref对辐射和温度的变化十分敏感25,26，但正如补充信息中所讨论的，忽略这些因素不会影响实验分析。参数m描述了表面导度对VPD的灵敏度。如果GS由气孔导度控制，则m预值为0.6mmol m-2 s-1 kPa-1（参考文献13）。参数m将随着土壤导度对Gs的贡献增强或响应于水分胁迫期间植物调节叶片水势而减少27。其中对于VPD限制主导Gs的点，当土壤水分下降时，Gs，ref几乎没有变化（图1b）。在土壤水分限制占主导的地方，Gs，ref将随着土壤变干而减小，m可能同时减小（图1c）。

图1 | 概念框架。 a，虽然土壤水分和饱和水汽压差（VPD）在季节和月时间尺度上是相关的，但它们在天和小时的时间尺度上很大程度不相关。数据点表示38个研究点的平均相关系数。 粗条表示一个标准偏差，细条表示整个相关性范围。 这种在不同时间尺度上的分离方便我们解释VPD与土壤水分相比对表面导度（Gs）的作用。 b，c，预测在VPD占主导因素的地点随土壤干旱程度Gs和VPD之间的关系变化（b），在土壤水分限制占主导因素（c）。水分充足的参考表面导度（Gs，ref，ww）用黑色圆圈表示。

在每个站点，基于土壤体积含水量（theta;）我们将表面导度分成六个等级。然后，我们通过Gs与ln（VPD）的线性回归确定每个土壤水分等级的方程（1）的参数。本文将只分析限于相对静止叶面积和近中性或不稳定大气条件的时期，补充信息中有更详细地讨论。然后使用方程（1）的土壤水分特异性参数化来量化由theta;和VPD在生长季节对Gs和ET的总的和相对的限制程度。

在所有地点和土壤水分条件下，参数m几乎总是大于零，表明气孔对Gs的限制作用（图2a-e，g）。在DI值较大的位置（图2e）和在较稀疏和较矮小植被的生态系统中，灵敏度参数m在theta;低值处减小（图2g）。除了在DI lt;1的最潮湿的站点，拦截参数Gs，ref都随着theta;的减小而减小，表明土壤水分对Gs的限制作用。在DIgt; 4的稀疏植被生态系统中减小最为明显（图2f，h）

图2 |表面导度和饱和水汽压差之间的关系随土壤水分变化如何变化。a-d，在涵盖了一定程度干旱指数的四个（38个中）美国通量网站点（详见补充信息了解研究网站），由土壤水分下降而引起的已根据表面导度参考值（Gs，ref，ww）标准化的表面导度（Gs）和饱和水汽压差（VPD）的变化。圆圈表明每个VPD和土壤水分对应的平均Gs / Gs，ref，ww。 e-h，当数据是指干燥指数（DI = PETPM / P; e，f）或植物功能类型（g，h）时，方程式（1）的斜率和截距（m和Gs，ref） 表示土壤水分含量。 误差线表示平均值的标准误差。

在生长季节的过程中，VPD与对Gs的总（VPD theta;）限制因素的比值（以下称alpha;VPD：VTOTAL,GS） 在湿润和半湿润地区（DI lt;2.5）中平均值gt; 0.5，表明VPD 是Gs的主要限制驱动因素（图3a）。

这些地区的大部分是森林生态系统，其中平均alpha;VPD：VTOTAL，GS = 0.61（范围是0.06到1.0）。

相反的是，通常在干燥的非森林系统的站点中alpha;VPD：VTOTAL，GS lt;0.5，其中theta;对Gs限制作用更重要（图3a）。这些结论由以下事实可证：VPD对Gs限制作用在半湿润地区达到峰值（图3e），而土壤水分对Gs的限制在一定干燥指数梯度下趋向于单调增加（图3c）。VPD与对ET的总限制作用的比值（alpha;VPD：VTOTAL，ET）在相对潮湿的点（DI lt;2.5）也是gt; 0.5，在森林中gt; 0.70，但在干燥地区是降低的（图3b，d，f）。

图3 | 对Gs和ET的生长季限制。 a，b，VPD与对Gs的总（VPD theta;）限制作用的比值（alpha;VPD：VTOTAL,GS）和VPD与对ET的总限制作用的比值（alpha;VPD：VTOTAL，ET）。值为1.0表示土壤水分限制可以忽略不计。 c-f，不同生长季表面导度（Gs，左栏）和蒸发蒸腾（ET，右栏）减小的程度反映38个美国通量网站点在不同的干燥程度土壤水分（theta;; c，d）和饱和水汽压差（VPD; e，f）的变化。误差线表示每小时Gs，ref，ww - Gs（c，e）和PET - ET（d，f）的第50百分位数范围。阴影区域表示干燥指数范围内的移动平均值。

我们观察到在相近的DI值中，VPD在愈发湿润的站点上的限制作用具有很大差异。例如，在矮小植被生态系统中土壤水分的限制作用比在森林中更显著（图3a），这可能表明在高大植被生态系统中植物储水系统或深根系统的重要性6。决定气孔导度对VPD敏感性的因素是植物水分利用机制（例如，异羟基或异羟基）1,27,28。所有这些差异的考虑都不在本研究的范围内，但应该是未来研究的方向。

为了了解预测的气候变化是否会改变VPD相较于土壤水分对Gs具有的更强限制作用的潜力，我们从十个缩减的通用循环模型

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