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全球旱地饱和水汽压差和根区土壤水分变化对植被生产力的影响及其成因

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生态学报 2024年第11期 4808-4819页

作者：於嘉禾王卫光陈泽峰长江保护与绿色发展研究院河海大学水文水资源学院河海大学水灾害防御全国重点实验室

旱地约占全球陆地面积的40%，而水分是旱地植被生长的一大限制要素。尽管土壤水分与饱和水汽压差对植被生长的重要性已经得到了广泛证实，然而目前二者对植被生产力影响的空间异质性及其形成因素仍未得到深入研究，这对研究旱地生态系... 详细信息

旱地约占全球陆地面积的40%，而水分是旱地植被生长的一大限制要素。尽管土壤水分与饱和水汽压差对植被生长的重要性已经得到了广泛证实，然而目前二者对植被生产力影响的空间异质性及其形成因素仍未得到深入研究，这对研究旱地生态系统对气候变化的响应带来了挑战。为了填补这一认知空白，本研究收集了多源气象、根区土壤含水率和总初级生产力产品，基于随机森林算法量化了植被总初级生产力对根区土壤含水率和饱和水汽压差的敏感性，结合土地覆盖数据和分档平均方法分析了敏感性空间异质性的形成机制。结果表明：全球旱地饱和水汽压差与植被生产力总体呈显著上升趋势；根区土壤水分对植被生长的影响以正效应主导，饱和水汽压差对植被生长的影响以负效应主导；相较于森林和灌木，饱和水汽压差对植被生长的负效应及根区土壤含水率对植被生长的正效应在农田、草地和苔原及半干旱区更为强烈；植被生产力对饱和水汽压差和根区土壤水分的敏感性在数量上总体呈显著的线性负相关性。综上，植被种类和气候条件是导致全球旱地植被生产力对土壤水分和饱和水汽压差敏感性空间异质性的重要因素。

关键词：全球旱地总初级生产力根区土壤水分饱和水汽压差敏感性干旱指数

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饱和水汽压差的卫星遥感研究综述

地球科学进展 2014年第5期29卷 559-568页

作者：张红梅吴炳方闫娜娜中南大学地球科学与信息物理学院湖南长沙410083 南昌工程学院水利与生态学院江西南昌330099 中国科学院遥感与数字地球研究所北京100101

饱和水汽压差是许多陆表生态和陆面过程模型中非常重要的输入参数之一,精确估算并获取其时空分布特征是生态、农业遥感领域亟待解决的问题之一。在简要回顾饱和水汽压差的应用和传统获取方法的基础上重点介绍遥感估算饱和水汽压差的数... 详细信息

饱和水汽压差是许多陆表生态和陆面过程模型中非常重要的输入参数之一,精确估算并获取其时空分布特征是生态、农业遥感领域亟待解决的问题之一。在简要回顾饱和水汽压差的应用和传统获取方法的基础上重点介绍遥感估算饱和水汽压差的数据源和估算方法,即统计方法和解析计算法,并对解析计算法所需关键参数的国内外相关研究进展进行概述,探讨目前遥感估算饱和水汽压差存在的不足,并结合目前遥感技术发展现状和此领域研究存在的问题探讨其发展趋势,展望了联合多源遥感数据进行高时空分辨率的饱和水汽压差遥感估算问题。

关键词：饱和水汽压差近地表气温陆表温度大气柱大气可降水量

中国饱和水汽压差对植被生长的影响与未来情景预测

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中国饱和水汽压差对植被生长的影响与未来情景预测

作者：彭丽晓西北师范大学

学位级别：硕士

饱和水汽压差(Vapor Pressure Deficit,VPD)描述了一定温度下空气中饱和水汽压与实际水汽压之间的差异,是大气需水量的良好指标,在决定植物生理功能中起着关键作用,对于生态系统的结构和功能以及全球水资源具有重要意义。我们通过分析2... 详细信息

饱和水汽压差(Vapor Pressure Deficit,VPD)描述了一定温度下空气中饱和水汽压与实际水汽压之间的差异,是大气需水量的良好指标,在决定植物生理功能中起着关键作用,对于生态系统的结构和功能以及全球水资源具有重要意义。我们通过分析2000～2020年中国植被和VPD的时空格局变化,研究了VPD对植被生长的影响情况及贡献度,并以VPD、气温及CO浓度等环境因素为因子,基于多元线性回归方法构建植被变化预测模型,结合CMIP6模式数据预测了2025～2100年中国植被的变化情况。探讨我国VPD对植被生长的影响并针对植被变化开展预估研究对深入认识中国生态系统具有重要意义。本文的主要结论如下:(1)本文估算的VPD具有良好的准确性,其中VPD-ERA精度更高,且各方面与可信度高的VPD产品更相近,VPD-CRU的结果整体偏低。与模拟的全球VPD产品相比,本文结合研究区地形及增强因子估算的VPD-ERA适用性更高。(2)2000～2020年间,中国年均VPD以0.012h Pa/yr(P<0.01)的速度呈现波动上升的趋势,其空间分布呈现西北干旱区最高;东部次之;青藏高原及东北区域最低的特征,年均VPD值的范围在0～21.24h Pa。年均VPD在2005年发生突变,2006～2020年VPD均值是2000～2005年的1.43～1.64倍,而2005年后NIRv、LAI和GPP的增长速率均有所降低,说明VPD的增加可能对植被生长具有抑制作用。三种植被指数结合VPD的空间分布说明过高的VPD的确会抑制植被生长,但VPD与植被生长并不是单纯的负相关。(3)从VPD与植被生长的关系来看,当VPD值在4.06～4.82h Pa范围内时,三种植被指数的长势达到峰值,分别为:2.31E-4/yr、2.22E-4/yr、2.90g C·m·a,当VPD值小于该区间时,VPD与植被生长速率呈现显著正相关;当VPD值大于该区间而低于9h Pa时,VPD与植被生长速率呈现显著负相关;当VPD值超过9h Pa时,植被生长速率与VPD的相关性明显减弱。中国东部地区植被生长多与VPD呈负相关。植被生长速率变化的原因不仅与VPD增长的幅度有关,与该区域VPD的基础值及植被特性也存在密切的关系。(4)CO对植被的正贡献最为显著,对三种植被指数的贡献度均值为0.32、0.30、0.29;VPD则表现出明显的负贡献,对三种植被指数的贡献度均值分别为-0.10、-0.084、-0.089。在不考虑其他因子的前提下,VPD增长导致的植被总量降低的部分抵消了约30%的CO的施肥效应。(5)本研究基于多元回归方程构建的植被变化预测模型可以较为精准的预测未来植被动态变化,尤其是对GPP的模拟结果最佳。未来植被变化情况与CO因子十分相似,与CO对植被的显著正贡献有关。SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下,NIRv的距平率均值分别为60.91%、115.40%;LAI的距平率均值分别74.61%、148.16%;GPP的距平率均值分别为90.13%、172.73%,温室气体排放量越多的情景,上升的幅度越大。两种情景下植被增长显著的区域主要位于东北中部、黄土高原、西部山脉地区以及东南沿海地区,植被总量减少的区域主要位于青藏高原南部地区和西北北部沙漠地区。

关键词：饱和水汽压差植被生长环境因子未来情景变化特征

1961—2020年青海省饱和水汽压差变化特征及影响因子分析

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干旱区研究 2023年第2期40卷 173-181页

作者：李素雲祁栋林温婷婷史飞飞乔斌肖建设青海省气象科学研究所青海西宁810001 青海省防灾减灾重点实验室青海西宁810001 青海省气候中心青海西宁810001

饱和水汽压差(Vapor Pressure Deficit,VPD)作为蒸散的主要驱动因子之一,能够反映大气从地表获取水分的能力,厘清VPD时空变化特征有助于理解青藏高原地区大气干湿程度对气候变化的响应。利用Mann-Kendall检验、多元线性回归等方法分析... 详细信息

饱和水汽压差(Vapor Pressure Deficit,VPD)作为蒸散的主要驱动因子之一,能够反映大气从地表获取水分的能力,厘清VPD时空变化特征有助于理解青藏高原地区大气干湿程度对气候变化的响应。利用Mann-Kendall检验、多元线性回归等方法分析了青海省1961—2020年VPD时空变化特征以及影响因子。结果表明:1961—2020年青海省平均VPD呈上升趋势,且在1998年发生突变;其季节平均值和对应的气候倾向率均表现为:夏季>春季>秋季>冬季;不同的功能区,VPD平均值表现为:柴达木盆地>东部农业区>青海湖地区>青南牧区,对应的气候倾向率表现为:东部农业区>柴达木盆地>青南牧区>青海湖地区。多年平均VPD在空间上呈“鞍形场”分布格局,且除了青南牧区东北部的贵南站呈减少趋势,其余地区均为增加趋势。VPD突变前后的气象主导因子有所差异,但总体主要为最高温度和相对湿度。春、夏、秋3个季节以及多年VPD变化过程中,海拔贡献率最高,其次为经度;冬季海拔贡献率依旧最高,其次为纬度。

关键词：饱和水汽压差变化特征影响因子青海省

石羊河流域水分利用效率及其对饱和水汽压差的响应

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生态学报 2023年第8期43卷 3090-3102页

作者：王大为赵成章方锋林婧婧李丽丽杨永明西北师范大学地理与环境科学学院甘肃省湿地资源保护与产业发展工程研究中心兰州730070 滇西应用技术大学地球科学与工程学院大理671006 兰州区域气候中心兰州730020 玉龙雪山冰冻圈与可持续发展云南省野外科学观测研究站丽江674100

水分利用效率(WUE)是叶片通过光合作用调节水分生理过程的指标,是联系生态系统碳循环与水循环关系的关键,反映了植被生态系统对立地环境快速调整和资源的变化适应策略。基于卫星遥感和地面观测数据,利用光能利用率模型和蒸散发经验估算... 详细信息

水分利用效率(WUE)是叶片通过光合作用调节水分生理过程的指标,是联系生态系统碳循环与水循环关系的关键,反映了植被生态系统对立地环境快速调整和资源的变化适应策略。基于卫星遥感和地面观测数据,利用光能利用率模型和蒸散发经验估算模型,模拟石羊河流域2000—2019年植被总初级生产力(GPP)和蒸散发(ET)数据,估算2000—2019年不同植被类型的WUE空间分布特征,研究GPP/ET/WUE与饱和水汽压差(VPD)的相关性,探讨干旱区不同类型植被对水分利用及胁迫的适应策略。结果表明:(1)2000—2019年石羊河流域植被WUE、GPP和ET的平均值分别为0.80 gC m^(-2)mm^(-1)、256.52 gC/m2和302.52 mm,其三者的空间分布特征表现为“南高北低”,即由流域源头至下游逐渐减少的空间分布。(2)近20年内,流域内WUE、GPP和ET的变化率的平均值分别为0.017 gC m^(-2)mm^(-1)a^(-1),6.99 gC m-2a^(-1)和3.80 mm/a,流域总体呈现波动上升的趋势,但城区和民勤耕地-荒漠交接区呈不同程度的减少趋势。(3)流域内不同类型植被的WUE平均值关系为:森林>农作物>草地>灌丛>荒漠植被>湿地植被,WUE增加速度的平均值关系为:农作物>森林>草地>灌丛>荒漠植被>湿地植被,与GPP基本一致,其中ET在灌丛、荒漠植被、湿地植被地区呈现降低趋势。(4)研究区内GPP/ET/WUE与VPD相关性的空间分布特征与石羊河径流方向具有高度一致性,WUE与VPD相关性分布特征受土地利用以及径流方向影响显著。WUE与VPD呈正相关的区域主要分布在河西走廊绿洲东部和荒漠区东部,呈负相关区域主要分布在祁连山高海拔地区、河西走廊绿洲中部和荒漠区西部。因此,正确揭示内陆河植被GPP/ET/WUE的空间分异以及变化趋势及其对驱动因素VPD的响应,是了解流域尺度中干旱区植被对全球干旱加剧的适应性策略前提,进而为生态保护提供决策服务。

关键词：水分利用效率植被总初级生产力蒸散发植被类型饱和水汽压差相关性石羊河

全球旱地饱和水汽压差和根区土壤水分变化对植被生产力的影响及其成因

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生态学报 2024年第11期44卷 4808-4819页

作者：於嘉禾王卫光陈泽峰河海大学水灾害防御全国重点实验室南京210098 长江保护与绿色发展研究院南京210098 河海大学水文水资源学院南京210098

旱地约占全球陆地面积的40%,而水分是旱地植被生长的一大限制要素。尽管土壤水分与饱和水汽压差对植被生长的重要性已经得到了广泛证实,然而目前二者对植被生产力影响的空间异质性及其形成因素仍未得到深入研究,这对研究旱地生态系统对... 详细信息

旱地约占全球陆地面积的40%,而水分是旱地植被生长的一大限制要素。尽管土壤水分与饱和水汽压差对植被生长的重要性已经得到了广泛证实,然而目前二者对植被生产力影响的空间异质性及其形成因素仍未得到深入研究,这对研究旱地生态系统对气候变化的响应带来了挑战。为了填补这一认知空白,研究收集了多源气象、根区土壤含水率和总初级生产力产品,基于随机森林算法量化了植被总初级生产力对根区土壤含水率和饱和水汽压差的敏感性,结合土地覆盖数据和分档平均方法分析了敏感性空间异质性的形成机制。结果表明:全球旱地饱和水汽压差与植被生产力总体呈显著上升趋势;根区土壤水分对植被生长的影响以正效应主导,饱和水汽压差对植被生长的影响以负效应主导;相较于森林和灌木,饱和水汽压差对植被生长的负效应及根区土壤含水率对植被生长的正效应在农田、草地和苔原及半干旱区更为强烈;植被生产力对饱和水汽压差和根区土壤水分的敏感性在数量上总体呈显著的线性负相关性。综上,植被种类和气候条件是导致全球旱地植被生产力对土壤水分和饱和水汽压差敏感性空间异质性的重要因素。

关键词：全球旱地总初级生产力根区土壤水分饱和水汽压差敏感性干旱指数

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全球陆地饱和水汽压差的年代际突变

中国科学：地球科学 2023年第7期53卷 1536-1549页

作者：程梦琦左志燕蔺邹兴游庆龙王欢复旦大学大气与海洋科学系大气科学研究院上海200438 四川师范大学地理与资源科学学院成都610101 上海市海洋-大气相互作用前沿科学研究基地上海200438 上海长江河口湿地生态系统国家野外科学观测研究站上海202183

饱和水汽压差(Vapor Pressure Deficit,VPD)是表征大气干旱的一个重要变量.基于英国气候研究中心月尺度数据,本文主要分析了1980年后全球陆地VPD年代际突变的时空变化特征.结果表明:全球60.5%的陆地VPD存在显著的年代际突变增长,欧亚大... 详细信息

饱和水汽压差(Vapor Pressure Deficit,VPD)是表征大气干旱的一个重要变量.基于英国气候研究中心月尺度数据,本文主要分析了1980年后全球陆地VPD年代际突变的时空变化特征.结果表明:全球60.5%的陆地VPD存在显著的年代际突变增长,欧亚大陆中低纬、非洲和南美部分区域的VPD持续突变增长明显,而北美中部和西西伯利亚区域未出现显著变化.在1980~2020年期间,大多数区域发生的持续突变增长不超过两次,两次以上的显著增长主要发生在地中海周边和南美东部.持续性突变增长在欧亚大陆中低纬、非洲和南美东部地区出现较早,而高纬、东欧和青藏高原附近等地区则多发生在2000年后,持续超过10年的区域主要集中在北非、西亚、南美东部和东亚部分地区,说明这些区域大气干旱持续加剧的现象明显.总体而言,1993~2000年开始发生的持续突变增长明显多于其他时期,且持续时间相对1990年前更长,表明20世纪90年代后全球陆地同时处于突变增长状态的区域增加,水分限制在中亚和中国大部分地区此次持续突变增长中作用变强.此外,2009年VPD在全球陆地再次出现大范围的持续突变增长,说明全球大气干旱在近10年进一步加剧.全球也有少部分区域的VPD存在持续时间短于2年的突变降低.

关键词：饱和水汽压差大气干旱年代际突变时空特征

饱和水汽压差(VPD)与CO2耦合对温室番茄光合作用和生产力的调控

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饱和水汽压差(VPD)与CO2耦合对温室番茄光合作用和生产力的调控

作者：焦晓聪西北农林科技大学

学位级别：硕士

饱和水汽压差(VPD)与CO是影响温室作物生长的两个重要的环境因素,也是调控设施栽培番茄生长的主要环境因子。试验分别在夏季和冬季进行,试验处理设置为:CK处理(高VPD,低CO浓度),CO处理(高VPD,高CO浓度),VPD处理(低VPD,低CO浓度)和VPD+C... 详细信息

饱和水汽压差(VPD)与CO是影响温室作物生长的两个重要的环境因素,也是调控设施栽培番茄生长的主要环境因子。试验分别在夏季和冬季进行,试验处理设置为:CK处理(高VPD,低CO浓度),CO处理(高VPD,高CO浓度),VPD处理(低VPD,低CO浓度)和VPD+CO处理(低VPD,高CO浓度),夏季温室最高VPD大于6 kPa,冬季温室最高VPD大于3 kPa,低VPD均设置约1.5 kPa。高CO浓度约800±20μmol·mol,低CO浓度约400±20μmol·mol。通过探究VPD与CO耦合对番茄水分状态、光合、植株生长、水分利用效率及产量等的影响,探究一系列变化的内在机理,以期为实际生产中温室番茄栽培提供理论依据。试验材料为耐旱性番茄品种‘粉冠’和不耐旱品种‘金棚’,得出的主要研究结果如下:夏季试验中,植株生长的前期和中期,增施CO对两个品种的光合速率(Pn)影响不一致,但在生长后期Pn相较CK均显著提高,‘粉冠’显著提高26.32%,‘金棚’显著提高57.64%,且生长后期CO处理叶片的瞬时水分利用效率(WUEi)均提高,‘粉冠’提高61.1%,‘金棚’提高63.73%,最终植株产量分别提高4.80%和4.23%。VPD处理显著促进‘金棚’生长前期Pn和WUEi,分别提高29.10%和74.77%;生长中、后期对植株Pn均无显著促进作用,但产量均增加,‘粉冠’和‘金棚’的产量分别较CK显著增加11.12%和11.53%。VPD+CO处理可显著提高‘粉冠’和‘金棚’植株各时期Pn,‘粉冠’植株生长的前期、中期和后期依次提高26.74%、26.68%和32.62%,‘金棚’依次提高79.27%、77.88%和78.41%。VPD+CO处理中‘粉冠’和‘金棚’植株水分利用效率(WUE)分别提高15.81%和42.04%,产量分别显著增加16.85%和16.75%。此外VPD+CO处理可降低植株第一穗的开花数。因此,在夏季设施栽培中,在番茄植株生长后期进行CO处理效果显著,前期进行VPD处理效果显著。且在第一穗花开花时,要减少VPD+CO处理时间,保证第一穗花的正常开放。因此在实际生产中,降低VPD的同时增施CO可以进一步提高植株的光合速率,进而增加产量。冬季试验中,增施CO增大植株叶面积,高VPD环境下叶绿素含量均显著下降,低VPD环境下叶绿素含量显著上升。相比CK处理,CO处理中‘粉冠’的Pn增加32.15%,‘金棚’的Pn降低19.34%,但与CK处理间均无显著差异。VPD处理降低植株叶面积,‘粉冠’和‘金棚’叶面积分别降低25.35%和6.21%;VPD处理增加植株耗水。且VPD处理中‘粉冠’植株Pn提高9.61%,‘金棚’Pn降低13.83%,但差异均不显著,VPD处理中两个品种植株总生物量均下降。VPD+CO处理下‘粉冠’和‘金棚’的Pn分别增大8.81%和23.50%,WUEi分别增大432.2%和469.1%,植株生物量分别增加42.28%和38.32%。因此冬季温室植株在VPD+CO处理环境中生长最佳。

关键词：饱和水汽压差 CO2 水分利用效率气体交换产量

中国西南地区饱和水汽压差的年际变化及其影响因素

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农业现代化研究 2022年第1期43卷 172-179页

作者：宁梓妤徐宪立杨东徐超昊李学章李振炜中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室湖南长沙410125 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站广西环江547100 中国科学院大学北京100049

厘清饱和水汽压差(VPD)的年际动态特征有助于深入理解大气干湿程度对气候变化的响应。本研究基于我国西南地区105个台站1982—2015年的气象观测资料,利用Mann-Kendall突变检验分析VPD的突变特征,基于统计分析探讨突变点前后的VPD变化趋... 详细信息

厘清饱和水汽压差(VPD)的年际动态特征有助于深入理解大气干湿程度对气候变化的响应。本研究基于我国西南地区105个台站1982—2015年的气象观测资料,利用Mann-Kendall突变检验分析VPD的突变特征,基于统计分析探讨突变点前后的VPD变化趋势及影响因素。研究结果表明,西南地区1982—2015年VPD变化以2000年为突变年,增速由0.001 kPa/a变为0.005 kPa/a,并且VPD呈增加趋势的站点在2000年后增多。VPD在时间动态上出现变化的主要原因是在2000—2015年间相对湿度下降幅度增加,导致西南地区出现更干燥的气候特征。作为大气主要水汽来源的外来水汽通量和局地实际蒸散发在2000年后表现为增长趋势,但由于2000年后更高的空气温度引起饱和水汽压比实际水汽压增幅更大,即大气中实际水汽增加远低于饱和水汽容量增加,进而导致VPD增幅更大。本研究表明在突变点后西南地区VPD显著变化的原因主要是温度上升对相对湿度的影响,研究结果有助于深入理解中国西南地区的气候变化,明晰VPD变化背后的相关机制,为该地区的生态系统构建和未来气候变化应对提供参考。

关键词：饱和水汽压差气候变化时间变异 Mann-Kendall突变检验生态水文