《自然-通讯》重磅！关于全球植被对干旱响应的新发现

植被可以通过不同的机制，包括植物的结构与生理变化对干旱做出响应。一项国际研究对全球植被对干旱响应的路径进行了分解。通过使用可解释的机器学习方法分析最先进的卫星衍生数据集，他们表明在全球尺度上，许多生态系统中的植被生理机能在干旱下都偏离了其结构。该团队8月15日发表于《自然-通讯》的研究，代表了人们对地球生态系统如何对水资源短缺做出响应的理解的一次重大飞跃。

（共同作者、马克斯-普朗克生物地球化学研究所团队负责人René Orth社交媒体。）

在全球许多地区，土壤水分干旱的持续时间和强度都在增加。干旱会增加碳匮乏和水力衰竭的风险，从而影响植被功能，进而引发植物死亡。植被对干旱的响应反过来又以不同的方式反馈到气候中。传统上，干旱对植被的大尺度影响是通过分析植物结构的变化来评估的。例如，卫星数据可在更大尺度上提供对叶片总表面的测量以及以绿度衡量的植被覆盖率和密度。

 该研究中，德国马克斯-普朗克生物地球化学研究所作者牵头的国际团队，使用可解释的机器学习方法分析了基于卫星的新型测量结果。这样就可以将植物机能(称为生理学)的变化与植物结构对干旱的响应分离开来。该研究使用了2018年至2021年间收集的高空间分辨率卫星数据，这些年份发生了严重的干旱事件，从而提供了全面的全球视角。

卫星观测波长带及其与植被功能、结构和生理学相关的信息概述。（Li et al.《自然通讯》2023）

通过关注严重干旱，该团队成功描述了与光合作用、蒸发和水分含量有关的缺水生理响应。他们发现有两种植物功能受到的影响最大。首先是由气孔（叶片表面微小的受到精细控制的开口）调节的二氧化碳和水蒸气的交换率，其次是太阳辐射被光合作用利用或被叶片吸收的效率。“我们发现，植被功能的下降很大程度上是由植被生理学（如气孔导度和光利用效率）的下调所驱动的，其中在水资源有限的地区下调最为强烈，”作者们写道。“湿润地区植被生理学的下降也会导致严重干旱下功能和结构变化之间的差异。”

“植物生理学家曾证明过，单个植物物种对干旱的响应不仅仅是结构外观的简单变化，”首席作者、马普生物地球化学研究所博士后研究员Wantong Li解释说。“我们的研究现在证实了这一点，即植被作为一个整体，在全球尺度上，包括了许多物种在内。”

该研究新方法的优势体现在多个方面。首先，将干旱应激对植物生物功能的全球影响包括在内，比只看结构或外观能更好地反映植被对干旱的响应。并且，之前的方法很可能低估了植被实际受到干旱影响的时间、规模和严重程度。其次，植被的生理机能对应激的响应通常比其结构外观更快。因此，干旱的影响可能会更早被认识到。例如，一片枯黄的草地很容易被认作遭受了干旱，而其他植物，尤其是树木，可能看起来正常，实际上却已经经历了严重干旱引起的生理变化。

结果还显示半干旱和干旱地区植被受到的影响最大，表明背景气候与生理响应之间存在密切的关系。该团队观测到在较湿润地区，植被仍然是绿色的，在干旱事件中甚至更绿。然而它们的功能却减弱了，导致在严重干旱期间可检测到的功能和结构变化之间存在明显差异。“观测得出的植被对跨空间干旱的生理响应主要受干旱度控制，此外还受异常水文气象条件和植被类型的调节，”作者们写道。

该研究最后指出，分离和量化植被对干旱的生理响应，有助于更好地理解生态系统在调节气候变化中的生物地球化学和生物物理反馈。“了解植被功能如何对干旱做出响应对于预测和减缓气候变化的影响至关重要，”共同作者、马普生物地球化学研究所团队负责人René Orth指出。“这些发现为生态系统的生物和环境反馈机制提供了更准确的依据，而生态系统在塑造地球的未来方面发挥着重要作用。”

参考来源：

Li et al.《从空间推断的干旱对植被生理学的广泛而复杂的影响》《自然通讯》2023（开放获取）

https://doi.org/10.1038/s41467-023-40226-9

https://www.researchgate.net/publication/373141551_Widespread_and_complex_drought_effects_on_vegetation_physiology_inferred_from_space

https://www.bgc-jena.mpg.de/en/pm-vegetation-response-to-drought-across-the-globe

本文由公众号地球Nuance整理而成。

转自：“生态遥感前沿”微信公众号

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