陸地蒸散發年際變化規律及其驅動機制研究

蒸散發（ ET ）是地表-大氣間的水汽通量，是鏈接水循環、能量（熱量）傳輸過程和碳循環過程的核心，研究其在大尺度上的年際變化及驅動機制對認識氣候演變及水循環變化規律、維持生態系統穩定、實現水資源合理利用和高效管理等具有重要意義。但是，ET在水循環中不確定性很大，其與大氣-植被-土壤耦合系統的關系復雜，且在大尺度下無法直接觀測，當前人們對全球陸地ET年際變化規律及驅動機制的認識不清。針對該問題，本文基于多種來源的蒸散發數據集，分析了陸地ET的年際變化規律及其受氣候和植被變化調控的機制。主要研究內容及結論如下：

（1）以陸面過程模式（LSMs）模擬的ET和基于遙感觀測（RSBDs）生成的蒸散發產品組成多源數據集，分析陸地ET的年際變化趨勢和年際變異特征（以變異系數表示， CV ），并探究ET年際波動規律與氣候（以降水表示， P ）、植被（以反映植被固碳能力的初級生產力表示， GPP ）等環境變化波動規律的關系及其空間分布格局。研究發現，全球陸地60%以上的區域ET有顯著增加的趨勢；ET的年際變異系數（ CVEI"）隨植被的增加而顯著降低，陸地90%以上的區域CVET比植被和氣候的年際變異系數小，說明陸地大部分地區ET的年際波動比氣候和植被的年際波動更穩定。進一步分析氣候和植被對陸地ET年際變化的影響發現，陸地70%以上區域P，GPP均與ET正相關，其中陸地60%以上區域ET與GPP的相關性強于其與P的相關性，這說明全球陸地大部分地區氣候和植被均對ET年際變化有正向作用，且陸地ET年際變化主要由植被控制。

（2）從組分上看，ET包括生物用水（植物蒸騰， T ）和非生物用水（包括土壤蒸發Es和冠層截留蒸發Ei）兩大類。為探究氣候與植被通過影響ET組分年際變化調節ET年際變化的機制，基于陸面過程模式模擬結果，采用偏相關分析方法識別了非生物因素（包括P、輻射Rn、水汽壓差 VPD 代表的氣象因素和土壤水SM代表的環境因素）和生物因素（即 GPP ）對ET組分（包括T， Es"， Ei"）年際變化的調控作用，揭示了氣候和植被對不同ET組分年際變化的協同控制機制。研究發現， GPP 對全球陸地約80%區域的生物用水（ T ）年際變化有正向控制作用，貢獻約為70%；非生物用水（Es和Ei）年際變化主要由P和GPP協同控制，其中P對Es和E均有正向作用，GPP對Es有負向作用，對Ei有正向作用，二者分別可解釋Es和Ei年際變化的40%。基于ET組分年際變化的驅動機制，進一步揭示了全球陸地大部分地區ET年際波動小于P和GPP年際波動是不同ET分割過程（即將ET分割為ET組分的過程，以T/ET表示）中，氣候和植被協同控制不同ET組分年際變化的綜合結果。

（3）基于植被對ET組分年際變化的重要作用，以陸面過程模式模擬和通量站點觀測為基礎，分別在全球尺度和站點尺度上分析了TIET對GPP空間變化和年際變化的敏感性，揭示了植被對ET分割時空特征的作用。研究發現，空間上，T/ET隨GPP的變化規律可分為快速增加階段（S1）、緩慢增加階段（S2）、下降（穩定）階段（S3）3個階段，將陸地生態系統分為3大類。其中，S1階段約占陸地面積的25%，主要位于干旱和極寒地區；S2階段面積約占60%，主要位于溫帶和寒冷地區；S3階段面積約占15%，主要位于熱帶地區。年際變化上，發現了植被對不同階段TIET年際變化的調控作用的差異：即在S1和S2階段，植被對T/ET年際變化有正向作用，且S1階段的作用明顯強于S2階段；S3階段植被對T/ET年際變化有負向作用。隨著 GPF 增加，各階段植被對T/ET年際變化的正向作用不斷削弱，負向作用不斷增強。進一步分析生物用水和非生物用水對降水、植被固碳能力的空間變化和年際變化的敏感性發現，植被對T/ET時空特征的作用由不同植被固碳能力下氣候和植被對不同蒸散發組分控制作用的差異共同決定。

（4）為探索未來氣候變化條件下ET的年際變化規律及其驅動機制，基于CMIP6模擬結果，通過研究未來ET組分年際變化的驅動機制及植被對ET分割時空特征的作用，來揭示未來全球陸地ET年際變化的驅動機制的新變化。年際變化規律方面，分析陸地ET及其組分（ Tν"Es、Ei和T/ET）和影響因素（ P 、氣溫Ta、 GPP 、SM）的線性趨勢發現，未來陸地大部分地區ET，Es，Ei，P，Ta，GPP顯著增加，T，TIET和SM顯著減小；且隨著氣候變化加劇，ET， Es，Ei， P ， Ta"，GPP和SM的變化速率加快、趨勢顯著的區域擴張，T和T/ET由顯著增加變為顯著減少。驅動機制方面，分析影響因素對ET組分時空變化的作用，發現未來氣候變化條件下，氣候（主要是P）和植被（ GPP ）對ET組分年際變化的協同控制作用及GPP對T/ET時空特征的3個階段（即S1、S2和S3階段）變化規律與歷史時期基本一致。但隨著氣候變化的加劇，陸地ET組分年際變化主導因子的作用明顯改變。其中，未來 GPP 主導T、Es和Ei年際變化的區域縮小、貢獻減小，說明植被對其年際變化的作用變弱。未來Ta對T和Es年際變化的作用不斷增強：Ta對T有負向作用，貢獻約為40%； Ta"對Es有正向作用，貢獻約為30%，代替GPP成為影響Es的重要因素。此外，未來S1階段的區域面積縮小，S2階段的區域面積擴張，S3階段的區域面積無顯著變化。隨著未來氣候變化加劇或植被固碳能力增強，植被對各階段T/ET時空變化的正向作用不斷削弱，負向作用不斷增強。

（編輯：江燾，舒忠磊）