在全球碳循环与水资源管理中，森林生态系统扮演着至关重要的角色。尤其是北半球中纬度森林，不仅具有强大的碳吸收能力，还通过蒸腾作用参与全球水循环。然而，目前对森林的碳固定与水分散失在日内尺度的协同关系的理解尚不明晰，其对环境因子的响应机制也暂不明确。
近日，针对这一问题，我院陈镜明院士研究团队基于北半球中纬度地区34个涡度相关通量塔的半小时尺度数据，系统探讨了森林生态系统中总初级生产力（GPP）与蒸散发（ET）在日内尺度的耦合强度及其对环境因子的响应机制。
研究发现，GPP与ET在日内变化并不完全同步。在耦合强度最弱的情况下，GPP通常在上午达到峰值，比ET峰值提前约2小时，且GPP在峰值过后下降更快；而ET在下午仍维持较高水平。这种“早高峰、早回落”的GPP变化模式，是导致碳-水日内耦合强度减弱的主要原因（图1）。
图 1 强耦合（r≥0.8）（a）、中等耦合（0.6<r<0.8）（b）和弱耦合（r≤0.6）（c）下的总初级生产力（GPP）（黑色线条）和蒸散量（ET）（灰色线条）的标准化值。不同日内耦合强度下标准化 GPP（d）和ET（e）的日平均变化情况。不同颜色分别表示GPP和ET的三种不同耦合强度：强耦合强度（r≥0.8）用红色实线表示，中等耦合强度（0.6<r<0.8）用绿色实线表示，弱耦合强度（r≤0.6）用蓝色实线表示。误差条表示标准差。
研究进一步评估了太阳辐射（SR）、大气温度（Ta）、大气饱和水汽压差（VPD）和土壤含水量（SWC）四个环境因子对GPP-ET日内耦合强度的影响。结果显示：VPD对耦合强度的负向影响最为显著，在34个站点中，30个站点的耦合强度受VPD主导；温度次之，尤其在清晨阶段影响最大；太阳辐射对耦合强度也有负向作用，但相对较弱；土壤含水量在日内尺度上影响较小，但在部分站点中表现出正向调节作用。研究还发现，VPD和温度对耦合强度的负向影响呈现日间增强趋势，下午时段尤为明显（图2）。
图 2 生长季碳水日内耦合强度 r (GPP，ET)与各环境因子（辐射SR、气温Ta、 VPD 和土壤湿度SWC）之间的相关关系的日变化情况，所有PFT（a）、DBF 站点（b）、ENF 站点（c）和 MF 站点（d）的情况。误差条表示 95% 的置信区间，实心圆表示在 p < 0.05 的统计学显著性水平下具有相关性的结果，空心圆则表示相关性不显著。
研究结果表明，在高VPD和高温条件下，植物为减少水分损失会关闭部分气孔，导致GPP下降；但ET并未同步减少（图3），因为ET变化不完全依赖气孔导度大小，还受干燥驱动力影响，同时植物在高温情况下仍需通过蒸腾降温。这种“碳减水不减”的响应差异，是导致碳水日内耦合减弱的关键机制。
图3 在强耦合强度（a - d）和弱耦合强度（e - h）条件下，日内平均环境因子（太阳辐射（SR，第一列）、空气温度（Ta，第二列）、大气饱和水汽压差（VPD，第三列）和土壤含水量（SWC，第四列））作用下日间平均总初级生产力（GPP）和蒸散量（ET）的分箱平均值。
随着全球变暖加剧，极端高温和干旱事件频发，VPD升高已成为限制森林碳吸收的重要因素。该研究首次从日内尺度系统揭示了中纬度森林碳-水耦合对环境因子的响应机制，为精准解析全球碳水循环、应对气候变化提供了全新视角，同时为改进陆面过程模型、预测森林对未来气候变化的适应能力提供了关键科学依据。
研究成果以“Atmospheric dryness dominates diurnal carbon-water coupling in mid-latitude forests”为题，发表在国际权威期刊Ecological Applications。福建师范大学为该研究工作的第一单位。福建师范大学地理科学学院、碳中和未来技术学院硕士生卢雅静为该论文的第一作者，杨梦淼副教授为该论文的通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省自然科学基金、福建师范大学人才建设经费的资助。
论文链接： https://doi.org/10.1002/eap.70189
