挑战权威观点！中国农科院最新Science

由于大气二氧化碳浓度(Ca)的升高，人们普遍认为生态系统的碳同化与水蒸散(ET)之比即生态系统水利用效率(WUEeco)会增加。然而，对于Ca升高和气候变化对WUEeco的交互影响知之甚少。

2023年8月10日，中国农业科学院李菲及新罕布什尔大学Jingfeng Xiao共同通讯在Science在线发表题为“Global water use efficiency saturation due to increased vapor pressure deficit”的研究论文，该研究表明由于蒸汽压赤字增加，全球水利用效率饱和。基于机器学习方法和全球FLUXNET观测的升级估计，作者发现自2001年以来，全球WUEeco没有上升，这是由于蒸汽压差(VPD)增加的不对称效应，这抑制了光合作用和增强了ET。ET的不减少趋势表明，温度和VPD的上升可能在调节ET方面发挥比气孔导度下降更重要的作用。预计VPD的增加将影响未来陆地碳和水循环的耦合。

总之，该研究挑战了目前的观点，即WUE的增加是由生态系统光合作用的增强和气孔导度的降低导致的。该研究为正确认识陆地碳库与碳中和提供了新视角，即人类依赖自然生态系统来实现碳中和可能会受到气候变暖的不利影响，这对指导全球及我国生态系统安全建设具有重要的意义。

大气CO2浓度(Ca)的快速上升导致了全球陆地碳(C)和水循环的实质性变化，包括通过光合作用(A)增加碳的净同化和/或通过气孔导度(gs)下降而减少蒸腾(T)。尽管自20世纪70年代以来，Ca的增加对调节植物水分利用效率(WUE，等于A/T)的理论重要性已经得到承认，但其潜在机制仍存在争议。

基于自由空气CO2富集实验的研究发现，C3和C4植物中A的增加和gs的减少导致植物WUE的提高。Mathias和Thomas基于全球树木年轮同位素识别数据库显示，由于Ca升高，树木的内在水分利用效率增加了~ 40%。在生态系统水平上，许多研究报道了不同生物群系和尺度上生态系统WUE (WUEeco)的大幅增加，全球尺度上增加了48±22%。以往的研究主要集中于量化WUEeco增加的幅度。迄今为止，很少有研究报道WUEeco在全球尺度上响应环境强迫的趋势。

WUEeco的增加被认为是由于CO2施肥效应，通过光合作用提高了总初级生产力(GPP)，由于gs的下降，通过蒸散发(ET)减少了水分损失。WUEeco的决定因素(WUEeco= GPP/ET)高度依赖于植被类型，并受环境变化的影响。蒸汽压亏缺(VPD)越来越被认为是继Ca之后最重要的大气强迫，因为它对光合作用施加水分胁迫。最近，涡动相关(EC)观测数据和卫星驱动模式模拟的荟萃分析表明，自2000年以来，由于VPD上升和/或养分限制，植物生长的响应减弱。同时，气候变暖和叶面积指数(LAI)的增加可能会加剧ET响应，从而降低WUEeco的增加。对WUEeco的其他限制可能源于氮(N)和磷(P)的化学计量有效性，由于CO2施肥的逐步营养限制，它们可能减缓植物生长。遗憾的是，仍然不知道这些多方面的因素是如何影响全球生态环境的。

1982-2000年和2001-2016年WUEeco趋势的全球格局及其决定因素GPP和ET（图源自Science）

该研究发现，自2001年以来，由于VPD的增加，全球WUEeco已经饱和。为了研究全球陆地生态系统WUEeco的趋势，使用24种机器学习(ML)方法估算了GPP、ET和WUEeco，通过融合FLUXNET对二氧化碳和水蒸气通量的现场观测、卫星衍生观测和气候再分析数据。给出了所有模型的极差和中值，以显示分析中的不确定性。该研究检测了气候变化和Ca升高如何相互影响GPP和ET的潜在过程，以及全球WUEeco。这项研究强调，人类对基于自然的气候汇实现碳中和的依赖可能会被气候变暖的不利影响所破坏。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf5041