森林生态系统水分利用效率对遥感地表物候年际变化的响应

Carbon-water coupling cycle in terrestrial ecosystem is one of the key scientific issues on ecosystem function researches. Ecosystem-scale water use efficiency (WUE) is an indicator of the adjustment of vegetation photosynthesis to water loss. As a sensitive indicator of climate change, plant phenology regulates WUE in terrestrial ecosystem. However, there is a lack of awareness of responses and sensitivities of WUE to interannual variations in critical phenological transitions in ecosystems. Taking the North-South transect of Eastern China (NSTEC) as the study area, this proposal, based on remote sensing data, detects temporal and spatial patterns of WUE and land surface phenology in eastern China forest ecosystems. Then, direct and delayed responses of WUE to interannual variations in phenology are investigated among different forest ecosystems (exhaustive pairs of climate groups and plant functional types), and the contribution of the phenology changes to the WUE changes is identified. Furthermore, sensitivity differences of WUE to variations in phenology are detected among different forest ecosystems, and optimized environmental factors are selected to evaluate the sensitivity differences. In this proposal, phenology is considered as a regulator on the process of carbon-water coupling cycles in forest ecosystem, which deepens the understanding of biological mechanisms that regulate the coupled carbon and water cycles. The findings will provide theoretical and technological support for better predictions of carbon and water budget changes in terrestrial ecosystems, as well as the scientific basis for improving forest managements and ensuring ecological safety.

碳-水耦合循环是陆地生态系统功能研究的关键科学问题，水分利用效率（WUE）是表征碳-水耦合程度的重要指标。作为气候变化的指示器，植物物候对生态系统WUE具有重要的调控作用。然而，关于生态系统WUE对关键物候期年际变化的响应过程与敏感性的认识仍比较缺乏。本项目拟以中国东部南北样带为研究区，利用卫星遥感数据提取地表物候信息，分析森林生态系统WUE和遥感地表物候的时空格局；结合站点通量观测数据，研究不同“气候-植被类型”的森林生态系统WUE对物候年际变化的响应过程与时效性，分析物候变化对WUE变化的贡献；探讨不同类型森林的WUE对物候变化响应的敏感性差异，并筛选优化的气候因子定量评价该差异。以物候为切入点研究森林WUE变化，有助于加深对陆地生态系统碳-水耦合循环过程的生物调控机制的认识，为准备预测未来碳水循环的变化提供理论与技术支撑，同时为改善我国森林管理及保障生态安全提供科学依据。

本研究针对气候变化背景下生态功能动态与成因的科学问题，分别从站点尺度和区域尺度研究了森林生态系统碳水耦合功能对地表物候变化的响应，阐述了生态系统水分利用效率（WUE）对物候年际变化的敏感性特征及其在不同森林类型之间的差异。本文的主要结论如下：（1）在我国东部森林地区，春季和秋季WUE分别与生长季开始（SOS）和结束（EOS）时间相关，且WUE对物候因子的敏感性从温暖气候向寒冷气候逐渐增强；在春季和秋季，WUE随SOS提前（EOS延后）而增加，夏季和全年的WUE与生长季物候的相关性相对较弱。（2）对于亚热带混交林而言，春季WUE对SOS的敏感性为负，主要归因于总初级生产力（GPP）比蒸散发（ET）增加的更多，这与GPP对物候的敏感性强于ET对物候的敏感性有关；秋季WUE对EOS的正敏感性主要是由于随着EOS延后，GPP增加而ET变化不大或者减小所致。在空间上，春季WUE对SOS的敏感性随辐射梯度显著减弱，这可能与高辐射地区较强的土壤蒸发有关；夏季WUE对SOS的敏感性与降水表现出正相关关系，与温度表现为负相关关系，这可能归因于高温导致的水分胁迫和GPP对SOS延迟的补偿作用；秋季WUE与EOS的敏感性随辐射和降水梯度显著增强，这可能跟辐射和降水的增加为光合作用提供更多的能量和水分有关。（3）对于温带落叶阔叶林而言，春季WUE随SOS提前显著增加，但随之增加的春季ET可能会引起夏季水分胁迫进而对夏季WUE造成不利影响；春季增温通过影响春季物候而间接的调控春季WUE。尽管已有研究表明大气二氧化碳（CO2）浓度以及气候因子通常被认为是生态系统尺度WUE的主控因子，但物候因子在生态系统碳水耦合循环调控中不应被忽略，特别是在生长季初期。