本文转自生态趋势。
Global Change Biology: 全球旱地在干燥和湿润条件下的生态系统植被响应的对比
全球气候变化可以说是地球在21世纪所面临的最大环境挑战之一。气候变化的一个主要印记是干旱的增加，干旱通常被定义为一种长期缺水状态，在这种状态下，生态系统缺乏足够的水分来维持适当的功能。
全球旱地支撑着世界上大约30%的人口和世界上高达44%的全球粮食生产的耕作农业系统，但旱地的水自然是有限的。旱地具有应对水压力的内在能力，即水供应的波动或干旱期，因为植被适应这些条件，许多物种具有抗旱特性。
然而，日益严重的干旱以及更高的干旱频率和程度给旱地植被带来了挑战，目前还不能确定不同的物种将如何应对可能导致生态系统功能变化的条件。
大多数旱地位于发展中国家，这些国家的干旱化的潜在不利后果可能特别严重，因为人们的生计通常直接依赖于土地及其提供的生态系统服务，几乎没有缓冲波动的能力。
描述干旱度的最常见指数是干旱度指数（AI），它代表了地表接收的水（降水，P）和大气的水分需求（潜在蒸发量，PET）之间的平衡，因此是对生物气候干旱度的一种衡量。因此，干旱度被计算为年平均P与PET的比率（P/PET），其中0值代表最干旱的状况。
AI被广泛用作旱地生态系统净水供应的代表。一些研究已经调查了区域和全球范围内不同时间尺度的干旱度的过去和未来趋势，并且都达成了一个共识：即干旱度和干旱土地的范围都在增加。然而，关注干旱度的时间变化与对生态系统的潜在影响之间的联系的研究有限。
经验证据表明，跨越某些干旱阈值会导致各种功能性和结构性生态系统状态变量的变化，如反照率、植被、生产力和丰富度，以及土壤成分、有机碳含量和质地。
这些变量与旱地提供基本生态系统服务（如气候调节和营养循环）的能力密切相关，它们在很大程度上决定了生态系统对持续环境变化（如日益干旱）的响应和抵抗力。
为了系统地监测生态系统，科学论述中出现了基本变量（essential variables）的概念，通过一系列的测量来描述环境变化的状态和动态，例如与气候或生物多样性有关。
基本气候变量(Essential Climate Variables, ECVs)是物理、化学或生物变量或一组相关的变量，它们对地球气候的特征有重要贡献，并被归入大气、陆地或海洋相关变量。
图 | 全球气候观测系统（GCOS）的基本气候变量（ECVs）。除此之外，还有基本生物多样性变量（EBVs）和基本水变量（EWVs）。
ECVs的清单很长，但这些变量的时空数据只有一部分可用。许多研究都集中在单个或几个生态系统状态变量的组合上，以研究它们在从地方到全球的不同尺度上的过去、现在和未来状态。
只有少数研究将生态系统状态变量的趋势和动态与干旱度联系起来。例如，在东亚的干旱地区，发现由归一化差异植被指数（NDVI）量化的植被绿度对沿干旱梯度的干燥和湿润条件的明显响应。
目前关于干旱度与生态系统功能之间关系的研究状况，缺乏对全球范围内干旱度动态与一套全面的生态系统状态变量之间关系的整体综合。因此，本研究的总体目标是对全球旱地内的干旱度变化进行空间上的明确量化，并更好地理解生态系统的变化是否与干旱度的变化有关，以及发生在什么地方。
本研究调查了2000年至2020年期间干旱、半干旱和亚湿润干旱地区的全球干旱趋势，并将观察到的趋势与一套全面的生态系统状态变量联系起来，这些变量反映了植被功能的关键方面。
具体来说，本研究选择了9个ECVs来描述土地（植被覆盖率、地上生物量、表面反射率、土壤水水分可用性、土地覆盖率和烧毁面积）和大气（风速、云量、温度和水汽压差）的组成部分。
表1 | 本研究所选用的基本气候变量（ECVs）。
因此，本研究将回答以下研究问题：（1）生态系统对干旱变化的响应（由选定的状态变量描述）有哪些特点？(2) 在压力（干燥）或非压力（湿润）条件下，什么因素驱动植被的响应？(3) 这种响应是针对土地覆盖的吗？
作者假设，生态系统状态变量将与水压力下的旱地生态系统的干旱度相关，即在干旱度增加的地区，因为这些生态系统可能已经适应了缺水的情况。在压力/非压力条件下，人为的、气候的、地形的和与土壤有关的驱动因素对植被的重要性和方向性都有所不同。这些驱动因素预计将与土地覆盖有关。
通过检验这些假设和回答研究问题，这项研究将推动对全球气候变化相关的干旱动态对旱地生态系统的影响的认识，并为改善生态系统对正在和未来干旱程度增加的抵抗力的评估铺平道路。
研究对2000年至2020年间干旱的时空模式进行了分层聚类分析，确定了五5主要的时间振荡集群（clusters）以及它们的空间模式。
总的来说，全球旱地有44.5%的地区在变干，其中大部分位于南半球和中亚。全球31.6%的旱地表现出了湿润趋势，这些旱地位于非洲中部、亚洲南部和北美洲。其余的23.8%在过去20年中没有显示出时间趋势。
在干旱度增加的集群中，生态系统状态变量和干旱度的趋势之间的相关性最强，这与生态系统对水供应/水压力减少的系统适应性的预期相符。这种转变和适应性表现为生态系统状态变量和干旱度之间的最强关联。在日益干旱的情况下，生态系统的功能和组成发生了变化，这可能与灌木的侵占有关。
但研究并没有发现类似的适应湿润条件的证据，因为在湿润的群落中，生态系统状态变量和干旱度之间的相关性通常较弱。
图1：全球旱地在2000年至2020年期间干旱度的时空变化。分层聚类分析确定了5类干旱度变化模式，这5类可以进而划分（用虚线隔开）为更湿（Cluster1和2）、更干（Cluster3和4）和稳定（Cluster5）集群。
图2：干旱度和ECVs的相关性。
图3：各个EVs与每个集群的干旱度的相关性。
在经历与水有关的压力的地区，植被的趋势（用叶面积指数[LAI]表示）受到潜在驱动因素（如环境和气候因素、土壤特性和人口密度）的影响，与没有受到与水有关的压力的地区相比有所不同。
例如，当系统受压时，冠层高度对LAI的趋势有积极影响，但对非受压系统的趋势没有影响。相反，土壤参数（如根区储水能力、有机碳密度）在非胁迫条件下对增加LAI趋势有强烈的积极影响，但在胁迫条件下没有影响。另一方面，发现燃烧频率和平均云量对LAI很重要，与水分胁迫条件无关。
图4：LAI趋势。
图5：对植物受压地区LAI的负面(a)和(b)正面趋势，以及(c)植物不受压时LAI的正面趋势的重要性排序。
图6：当生态系统经历大气压力（绿色）和没有经历压力（蓝色）时，不同驱动因素和土地覆盖对LAI正趋势的影响。。
该研究确定了近期（过去20年）干旱度变化最强烈的全球热点地区，以及生态系统可能对干旱度增加特别敏感的地区。在不同的干燥或湿润制度下，不同的驱动因素和土地覆盖对LAI趋势的重要性，可以进一步支持维护和恢复旱地植被的管理。
评估生态系统对日益干旱的响应的一个局限性是对线性的假设。干旱的阈值和相关的生态系统功能的突然转变已被证明在旱地存在，未来的研究不仅应关注（非线性）响应，而且应关注生态系统对干旱动态的抵抗力。
整合来自野外观测的数据将是这种分析的一个重要部分，以更好地将基于遥感的分析与生态系统状态变量之间的复杂相互作用联系起来。
文章信息
标 题 | Contrasting ecosystem vegetation response in global drylands under drying and wetting conditions
类 型 | Research Article
作 者 | Christin Abel*, Abdulhakim M. Abdi, Torbern Tagesson, Stephanie Horion, Rasmus Fensholt
时 间 | 2023-04-27
转自：“生态遥感前沿”微信公众号
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