簡介
陸地生態系統對碳的年際變化在決定大氣二氧化碳濃度方面起着至關重要的作用。目前還不確定溫度和水的可用性能在多大程度上解釋全球范圍內的這些變化。我們使用因子氣候模型模擬並表明土壤濕度的變化驅動了全球陸地碳吸收的90%的年際變化，主要是通過其對光合作用的影響。這種生態系統響應大多是間接發生的，因為土壤濕度-大氣反饋放大了溫度和濕度異常，增強了土壤水分脅迫的直接影響。這種反饋機制的強度解釋了為什么耦合氣候模式表明土壤濕度具有主導作用，這在陸面模型模擬和觀測分析中並不明顯。這些發現強調了在估計碳循環對全球氣候變化的響應時，以及在進行生態系統對干旱響應的田間調查時，需要考慮土壤和大氣干燥之間的反饋。結果表明，模型土地碳吸收的全球變化主要是由土壤水分控制的溫度和蒸汽壓力虧缺效應所驅動的。
相關論文
Nature已經出版了Soil moisture–atmosphere feedback dominates land carbon uptake variability論文（https://www.nature.com/articles/s41586-021-03325-5#Sec9）
相關術語
1.氣候模擬模型
1.1 CCSM4（https://www.cesm.ucar.edu/models/ccsm4.0/）
The Community Climate System Model (CCSM) is a coupled climate model for simulating the earth's climate system. Composed of four separate models simultaneously simulating the earth's atmosphere, ocean, land surface and sea-ice, and one central coupler component, the CCSM allows researchers to conduct fundamental research into the earth's past, present and future climate states.
It is important to note that CCSM4 is a subset of CESM1. The CCSM4.0 code base is frozen and all future model updates will occur from the CESM1.0 code base. In addition, although CESM1 supersedes CCSM4, users can run all CCSM4 experiments from the CESM1 code base.
1.2 ECHAM6（https://www.mpimet.mpg.de/fileadmin/publikationen/Reports/WEB_BzE_135.pdf）
ECHAM6 is a new major version of the ECHAM series of atmospheric general circulation models, which has been developed on the basis of ECHAM5 (Roeckner et al. (2003) and Roeckner et al. (2006)). Signifificant difffferences between ECHAM5 and ECHAM6 concern the land processes, the radiation schemes, the computation of the surface albedo, and the triggering condition for convection. The technical infrastructure has been signifificantly modifified to optimize the computational performance on the current DKRZ high performance computer.
1.3 GFDL（https://www.gfdl.noaa.gov/model-development/)
Scientists at the Geophysical Fluid Dynamics Laboratory develop and use dynamical, numerical models and computer simulations to improve our understanding and make projections of the behavior of the atmosphere, the oceans, and climate, using supercomputer and data storage resources. These models have become key tools to understand the physical and biogeochemical processes that control the earth’s climate.
1.4 IPSL（http://cmc.ipsl.fr/）
The Institut Pierre-Simon Laplace (IPSL) is a federation of research laboratories devoted to study the climate system and the global environment. Since 1995, the IPSL Climate Modelling Centre (IPSL-CMC) develops and uses climate models in order to improve our understanding and knowledge of the climate system, its current characteristics and its past and future changes.
2.VPD
大氣水氣壓差(vapour pressure deficit) :一種大氣干燥度的量度，它取決於空氣的溫度和濕度
3.IAV
年際變化(inter-annual variability) :指某一地理事物的量在年與年之間的變化，如降水量的年際變化，河流流量的年際變化等
4.LAC
陸氣耦合(land–atmosphere coupling) :土壤濕度-大氣反饋作用
5.NBP
凈生物群落生產力(net biome production) :代表陸地的凈碳吸收
6.GPP
植被的總初級生產力(gross primary production) :決定了進入陸地生態系統的初始物質和能量。
7.ReD
呼吸和擾動(respiration and disturbance) :呼吸作用和擾動作用
8.CTL
操縱模擬(control simulation) :進行模擬仿真實驗
9.SST
海表溫度(sea surface temperatures) :海洋表面溫度
主要內容
圖1 CTL和ExpA碳通量的變化
研究結果表明，抑制土壤濕度的非季節性變化導致全球平均NBP方差下降91%(標准差為±2.3%)，在所有參與的四個氣候模式中均一致。也就是說，沒有土壤水分變化，土地凈碳吸收的IAV幾乎被消除。這主要是由於總初級生產(GPP)的IAV減少，在較小程度上是由於生態系統呼吸和擾動通量(自養和異養呼吸、火災和任何其他模擬擾動的總和)的IAV減少。由於直接和間接影響之間的正協方差，將直接和間接影響壓在一起導致NBP方差凈減少約90%。
圖2 土壤水分對NBP變化的直接和間接影響
直接土壤水分效應和與LAC相關的間接溫度和VPD效應都可能是實驗A中NBP變異性普遍降低的原因。通過對CTL和實驗A中局部模型對土壤濕度、溫度、VPD和短波太陽輻射異常響應的敏感性分析，分離了直接土壤濕度效應和間接效應對NBP變率整體降低的貢獻。土壤水分可以通過兩種不同但同樣重要的方式影響碳吸收變性。首先，土壤水分變異性對NBP有直接影響，這主要是由於土壤在一定閾值以下變得干燥時，植物光合作用降低;此外，通過LAC提高溫度和VPD異常，從而對NBP產生間接影響。重要的是，有些地區可能對間接效應(即土壤濕度對溫度和VPD的反饋機制)更為敏感，而不是直接影響土壤濕度效應。
圖3 NBP IAV的驅動作用
從全球尺度來看，平均而言，單獨的間接效應占全球NBP IAV的大部分(60%)，而直接土壤水分效應只占20%。由於空間聚集，間接效應也趨於增加相對重要性，因為它們在空間上更連貫(可能是由於大氣混合)，而且不像直接效應那樣迅速平均出來。將對照模擬與觀測估計相比較，發現全球NBP IAV對不同氣象驅動因素的模型敏感性與兩種獨立觀測產品非常吻合。
圖4 NBP變化和LAC熱點地區
更普遍地說，由於預先設定的土壤濕度,NBP IAV總體上最大的地區，通常對應的溫度和VPD變異性的降低是最強的。換句話說，在LAC越強的地方，NBP的變異性往往越大。在給定土壤水分條件下，熱帶平均地溫的IAV幾乎沒有變化。這是因為抑制土壤濕度異常只在幾個熱點地區降低極端溫度，而對總體熱帶平均溫度影響很小。
參考
微信文章:https://mp.weixin.qq.com/s/-4JAoidryVhC2mvs5tqfDw
論文:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03325-5#Sec9