Giám sát từ xa tác động của các sự kiện hạn hán cấp tốc lên động lực học carbon trên cạn ở Trung Quốc
Tóm tắt
Hạn hán cấp tốc đặt ra mối đe dọa lớn đối với các hệ sinh thái trên cạn và ảnh hưởng đến động lực carbon do sự khởi phát nhanh bất thường và tần suất gia tăng trong bối cảnh khí hậu ấm lên. Hiểu rõ phản ứng của động lực carbon trên cạn ở cấp vùng đối với hạn hán cấp tốc yêu cầu quan sát dài hạn về dòng carbon và độ ẩm đất ở quy mô lớn. Ở đây, các quan sát từ vệ tinh MODIS về năng suất sinh thái và mô hình tái phân tích ERA5 về độ ẩm đất đã được sử dụng để phát hiện phản ứng của các hệ sinh thái đối với hạn hán cấp tốc ở Trung Quốc.
Kết quả cho thấy GPP, NPP và LAI phản ứng với 79–86% các sự kiện hạn hán cấp tốc ở Trung Quốc, với tần suất phản ứng cao nhất và thấp nhất cho NPP và LAI, tương ứng. Sự sai lệch trong phản ứng của GPP, NPP và LAI đối với hạn hán cấp tốc bắt nguồn từ những thay đổi về sinh lý và cấu trúc thực vật. Các bất thường tiêu cực của GPP, NPP và LAI xuất hiện trong vòng 19 ngày sau khi bắt đầu hạn hán cấp tốc, với phản ứng nhanh nhất xảy ra ở Bắc Trung Quốc, và phản ứng chậm hơn ở miền nam và đông bắc Trung Quốc. Hiệu quả sử dụng nước (WUE) tăng lên ở hầu hết các vùng của Trung Quốc ngoại trừ vùng tây trong thời gian hạn hán cấp tốc, minh họa cho khả năng phục hồi của các hệ sinh thái trước những thay đổi nhanh chóng trong điều kiện độ ẩm đất.
Nghiên cứu này cho thấy phản ứng nhanh chóng của các hệ sinh thái đối với hạn hán cấp tốc dựa trên các quan sát từ xa, đặc biệt đối với miền bắc Trung Quốc có khí hậu bán khô. Bên cạnh đó, NPP nhạy cảm hơn GPP và LAI đối với hạn hán cấp tốc dưới ảnh hưởng của sự hô hấp thực vật và các điều chỉnh sinh lý. Mặc dù WUE trung bình tăng lên trong thời gian hiện diện của hạn hán cấp tốc trên hầu hết Trung Quốc, miền tây Trung Quốc cho thấy ít khả năng phục hồi hơn đối với hạn hán cấp tốc với ít thay đổi trong WUE trong giai đoạn phục hồi. Nghiên cứu này nhấn mạnh tác động của hạn hán cấp tốc lên các hệ sinh thái và sự cần thiết phải theo dõi sự gia tăng nhanh chóng của hạn hán.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Christian JI, Basara JB, Otkin JA, Hunt ED, Wakefield RA, Flanagan PX, et al. A methodology for flash drought identification: application of flash drought frequency across the United States. J Hydrometeorol. 2019;20:833–46.
Ford TW, Labosier CF. Meteorological conditions associated with the onset of flash drought in the Eastern United States. Agric For Meteorol. 2017;247:414–23.
Otkin JA, Svoboda M, Hunt ED, Ford TW, Anderson MC, Hain C, et al. Flash droughts: a review and assessment of the challenges imposed by rapid-onset droughts in the United States. Bull Am Meteorol Soc. 2018;99:911–9.
Yuan X, Wang L, Wu P, Ji P, Sheffield J, Zhang M. Anthropogenic shift towards higher risk of flash drought over China. Nat Commun. 2019;10:4661.
Hoerling M, Eischeid J, Kumar A, Leung R, Mariotti A, Mo K, et al. Causes and predictability of the 2012 great plains drought. Bull Am Meteorol Soc. 2014;95:269–82.
Yuan W, Cai W, Chen Y, Liu S, Dong W, Zhang H, et al. Severe summer heatwave and drought strongly reduced carbon uptake in Southern China. Sci Rep. 2016;6:18813.
Yuan X, Wang L, Wood EF. Anthropogenic intensification of southern african flash droughts as exemplified by the 2015/16 season. Bull Am Meteorol Soc. 2017.
Basara JB, Christian JI, Wakefield RA, Otkin JA, Hunt EHH, Brown DP. The evolution, propagation, and spread of flash drought in the Central United States during 2012. Environ Res Lett. 2019;14:084025.
He M, Kimball JS, Yi Y, Running S, Guan K, Jensco K, et al. Impacts of the 2017 flash drought in the US Northern plains informed by satellite-based evapotranspiration and solar-induced fluorescence. Environ Res Lett. 2019;14:074019.
Ciais P, Reichstein M, Viovy N, Granier A, Ogée J, Allard V, et al. Europe-wide reduction in primary productivity caused by the heat and drought in 2003. Nature. 2005;437:529–33.
Green JK, Seneviratne SI, Berg AM, Findell KL, Hagemann S, Lawrence DM, et al. Large influence of soil moisture on long-term terrestrial carbon uptake. Nature. 2019;565:476–9.
Otkin JA, Anderson MC, Hain C, Svoboda M, Johnson D, Mueller R, et al. Assessing the evolution of soil moisture and vegetation conditions during the 2012 United States flash drought. Agric For Meteorol. 2016;218–219:230–42.
Xie Z, Wang L, Jia B, Yuan X. Measuring and modeling the impact of a severe drought on terrestrial ecosystem CO2 and water fluxes in a subtropical forest. J Geophys Res Biogeosciences. 2016;121:2576–87.
Running SW, Nemani RR, Heinsch FA, Zhao M, Reeves M, Hashimoto H. A continuous satellite-derived measure of global terrestrial primary production. Bioscience. 2004;54:547–60.
Zhao M, Running SW. Drought-Induced reduction in global terrestrial net primary production from 2000 through 2009. Science. 2010;329:940–3.
Wolf S, Keenan TF, Fisher JB, Baldocchi DD, Desai AR, Richardson AD, et al. Warm spring reduced carbon cycle impact of the 2012 US summer drought. Proc Natl Acad Sci. 2016;113:5880–5.
Yuan W, Zheng Y, Piao S, Ciais P, Lombardozzi D, Wang Y, et al. Increased atmospheric vapor pressure deficit reduces global vegetation growth. Sci Adv. 2019;5:eaax1396.
Flack-Prain S, Meir P, Malhi Y, Luke Smallman T, Williams M. The importance of physiological, structural and trait responses to drought stress in driving spatial and temporal variation in GPP across Amazon forests. Biogeosciences. 2019;16:4463–84.
Huang Y, Gerber S, Huang T, Lichstein JW. Evaluating the drought response of CMIP5 models using global gross primary productivity, leaf area, precipitation, and soil moisture data. Global Biogeochem Cycles. 2016;30:1827–46.
He W, Ju W, Schwalm CR, Sippel S, Wu X, He Q, et al. Large-scale droughts responsible for dramatic reductions of terrestrial net carbon uptake over North America in 2011 and 2012. J Geophys Res Biogeosciences. 2018;123:2053–71.
Boese S, Jung M, Carvalhais N, Teuling AJ, Reichstein M. Carbon-water flux coupling under progressive drought. Biogeosciences. 2019;16:2557–72.
Gang C, Wang Z, Chen Y, Yang Y, Li J, Cheng J, et al. Drought-induced dynamics of carbon and water use efficiency of global grasslands from 2000 to 2011. Ecol Indic. 2016;67:788–97.
Guo L, Sun F, Liu W, Zhang Y, Wang H, Cui H, et al. Response of ecosystem water use efficiency to drought over China during 1982–2015: spatiotemporal variability and resilience. Forests. 2019;10:1–15.
Liu Y, Xiao J, Ju W, Zhou Y, Wang S, Wu X. Water use efficiency of China’s terrestrial ecosystems and responses to drought. Sci Rep. 2015;5:1–12.
Ma J, Jia X, Zha T, Bourque CPA, Tian Y, Bai Y, et al. Ecosystem water use efficiency in a young plantation in Northern China and its relationship to drought. Agric For Meteorol. 2019;275:1–10.
Opernicus Climate Change Service (C3S) (2017): ERA5: Fifth generation of ECMWF atmospheric reanalyses of the global climate. Copernicus Climate Change Service Climate Data Store (CDS), https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/home.
Zhao M, Running SW, Nemani RR. Sensitivity of Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) terrestrial primary production to the accuracy of meteorological reanalyses. J Geophys Res Biogeosciences. 2006;111:1–13.
Huang L, He B, Han L, Liu J, Wang H, Chen Z. A global examination of the response of ecosystem water-use efficiency to drought based on MODIS data. Sci Total Environ. 2017;601–602:1097–107.
Reichstein M, Ciais P, Papale D, Valentini R, Running S, Viovy N, et al. Reduction of ecosystem productivity and respiration during the European summer 2003 climate anomaly: a joint flux tower, remote sensing and modelling analysis. Glob Chang Biol. 2007;13:634–51.
Wu J, Gao X. A gridded daily observation dataset over China region and comparison with the other datasets. Chinese J Geophys. 2013;56:1102–11.
Zhou S, Yu B, Huang Y, Wang G. The effect of vapor pressure deficit on water use efficiency at the subdaily time scale. Geophys Res Lett. 2014;41:5005–13.
Stocker BD, Zscheischler J, Keenan TF, Prentice IC, Peñuelas J, Seneviratne SI. Quantifying soil moisture impacts on light use efficiency across biomes. New Phytol. 2018;218:1430–49.
Flach M, Brenning A, Gans F, Reichstein M, Sippel S, Mahecha MD. Vegetation modulates the impact of climate extremes on gross primary production. Biogeosciences Discuss. 2020. https://doi.org/10.5194/bg-2020-80.
Grossiord C, Buckley TN, Cernusak LA, Novick KA, Poulter B, Siegwolf RTW, et al. Plant responses to rising vapor pressure deficit. New Phytol. 2020;226:1550–66.
Vicca S, Balzarolo M, Filella I, Granier A, Herbst M, Knohl A, et al. Remotely-sensed detection of effects of extreme droughts on gross primary production. Sci Rep. 2016;6:1–13.
Niu J, Chen J, Sun L, Sivakumar B. Time-lag effects of vegetation responses to soil moisture evolution: a case study in the Xijiang basin in South China. Stoch Environ Res Risk Assess. 2018;32:2423–32.
Xu HJ, Wang XP, Zhao CY, Zhang XX. Responses of ecosystem water use efficiency to meteorological drought under different biomes and drought magnitudes in northern China. Agric For Meteorol. 2019;278:107660.
Ding Y, Xu J, Wang X, Peng X, Cai H. Spatial and temporal effects of drought on Chinese vegetation under different coverage levels. Sci Total Environ. 2020;716:137166.
Otkin JA, Shafer M, Svoboda M, Wardlow B, Anderson MC, Hain C, et al. Facilitating the use of drought early warning information through interactions with agricultural stakeholders. Bull Am Meteorol Soc. 2015;96:1073–8.
Schwalm CR, Williams CA, Schaefer K, Arneth A, Bonal D, Buchmann N, et al. Assimilation exceeds respiration sensitivity to drought: a FLUXNET synthesis. Glob Chang Biol. 2010;16:657–70.
Wagle P, Xiao X, Torn MS, Cook DR, Matamala R, Fischer ML, et al. Sensitivity of vegetation indices and gross primary production of tallgrass prairie to severe drought. Remote Sens Environ. 2014;152:1–14.
Wu Y, Liu S, Qiu L, Sun Y. SWAT-DayCent coupler: an integration tool for simultaneous hydro-biogeochemical modeling using SWAT and DayCent. Environ Model Softw. 2016;86:81–90.
Zhao F, Wu Y, Yao Y, Sun K, Zhang X, Winowiecki L, et al. Predicting the climate change impacts on water-carbon coupling cycles for a loess hilly-gully watershed. J Hydrol. 2020;581:124388.
Stocker BD, Zscheischler J, Keenan TF, Prentice IC, Seneviratne SI, Peñuelas J. Drought impacts on terrestrial primary production underestimated by satellite monitoring. Nat Geosci. 2019;12:264–70.