中亚地区植被对气候变化的敏感性普遍下降

《Frontiers in Environmental Science》：Widespread declining in vegetation climate sensitivity across Central Asia

　　本研究利用植被敏感性指数（VSI）分析1982-2022年中亚地区植被对气候变化的响应，发现VSI整体呈下降趋势，干旱区尤为显著，主要受升温驱动，而CO?增温效应和水分条件调节作用显著。

　　中央亚细亚作为全球最大的非地带性干旱区域，其生态系统对气候模式变化极为敏感。然而，这一地区植被敏感性的时空动态及其驱动因素仍存在诸多未知。为了深入理解植被对气候变异的响应，研究团队利用了最长可用的植被指数时间序列和植被敏感性指数（VSI）这一指标，对1982年至2022年间中央亚细亚的植被变化进行了评估。研究结果揭示了该地区植被敏感性呈现出显著的区域差异，其中湿润地区的森林和灌木丛以及半干旱地区的雨养农田表现出较高的敏感性（VSI>50），而干旱区则普遍显示出较低的敏感性（VSI<30）。此外，VSI与干旱程度之间存在普遍的关联，但这一关系在雨养农业和稀疏植被中并未显现。时间上，中央亚细亚的VSI呈现出明显的下降趋势，自1995年后，下降速率显著加快，从-0.274降至-0.476。空间上，过去四十年中，约82%的植被覆盖区显示出VSI的下降趋势，其中49%的变化具有统计学意义。研究还指出，温度和大气二氧化碳浓度是VSI变化的主要驱动因素，其中温度上升加剧了植被对气候扰动的敏感性，而二氧化碳浓度则在一定程度上抑制了这种敏感性。同时，水分供应，包括降水量和土壤湿度，也在VSI动态中发挥了显著的调节作用。这些发现填补了对中央亚细亚植被-气候相互作用机制理解中的关键空白，并为未来气候情景下的生态系统响应预测提供了重要依据。

植被对气候的敏感性被认为是生态系统对气候扰动反应的重要指标。有效的敏感性指标必须同时考虑长期气候状态的影响和短期气候变异的作用，因为生态系统往往对极端事件的响应比对长期环境变化更为显著。VSI这一指标通过整合月度气候-植被关系，并采用1个月滞后的归一化植被指数（NDVI）来反映生态记忆效应，为研究植被对气候变化的敏感性提供了新的视角。其计算框架结合了温度、水文和辐射等多种驱动因素，从而更全面地评估生态系统与气候之间的相互作用。VSI的稳健性已经在全球生态系统脆弱性评估、区域干旱影响分析以及二氧化碳施肥效应量化等研究中得到了验证。近年来，滑动窗口等方法的改进使得VSI在不同生境中的时间动态解析能力显著提升。然而，对于中央亚细亚地区VSI模式的研究仍存在显著的知识空白。虽然已有研究利用VSI评估了该地区植被对干旱胁迫的脆弱性，但其对区域敏感性变化的动态追踪仍不充分。此外，温度适应、二氧化碳施肥效应和水分限制之间的交互作用仍是亟待深入理解的关键问题。因此，明确中央亚细亚植被敏感性的演变及其潜在驱动因素对于预测该地区生态系统在持续变暖背景下的临界点至关重要。

研究区域覆盖了欧亚大陆内部，地理范围广泛，横跨35°–55°N和45°–90°E，总面积约为450万平方公里。该地区由五个国家——哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦、吉尔吉斯斯坦和塔吉克斯坦——以及中国新疆地区组成。地理上，中央亚细亚受到显著的大陆性气候和复杂的地形条件影响，呈现出干旱、强烈的蒸发作用和显著的温度波动。该地区的植被覆盖类型多样，主要包括草地（占28.8%）、灌木丛（14.5%）、稀疏植被（14.6%）、农田（18.3%）和森林（1.4%）。这些地理、气候和植被特征构成了中央亚细亚独特的自然环境，使其成为地理和气候研究的重要对象。

为了量化植被对气候变化的响应，研究团队整合了多种数据集，包括全球库存模型与地图研究-第三代（GIMMS-3G+）的归一化植被指数（NDVI）数据、欧洲再分析数据集（ERA-5）的月度平均气温（TEM）、总降水量（PRE）、太阳辐射（SRD）和2米露点温度（DWT）数据、以及ERA5-Land再分析数据集的月度地表土壤湿度（SM）数据。此外，还使用了全球尺度的二氧化碳浓度数据集（GlobalSimulatedCO2_1992–2020）来分析其对植被敏感性的影响。所有数据集均被重新采样至1/12°的空间分辨率，以确保与NDVI数据的一致性。研究中还特别关注了不同植被类型对VSI变化的响应，包括森林、灌木丛、草地、稀疏植被、雨养农田和灌溉农田。

在方法上，研究采用了15年滑动窗口计算VSI，并对1982–2022年的植被敏感性变化进行了趋势分析。为了验证趋势的稳健性，研究还采用了11年和19年的滑动窗口进行对比分析。结果表明，无论采用哪种窗口大小，VSI的下降趋势都保持一致，这进一步支持了研究结论的可靠性。同时，通过排除太阳辐射的影响，研究团队还分析了仅由温度和降水驱动的VSI变化，结果仍然显示显著的下降趋势。这种下降趋势表明，尽管气候极端事件有所增强，但植被对气候的敏感性并未相应增加，反而呈现出一种复杂的生态适应机制。这可能与二氧化碳施肥效应、植物的长期适应策略以及人为干预（如农田扩展和水资源管理）有关。此外，研究还发现，在高海拔山地森林中，气候敏感性有所增加，这可能与快速的水热条件变化有关。

研究进一步分析了VSI变化的主要驱动因素，通过偏相关分析揭示了不同区域的主导因素存在显著的空间异质性。结果显示，大气二氧化碳浓度和水分供应（如降水量和土壤湿度）是VSI变化的主要驱动因素，而持续的温度升高仍然对植被的响应产生制约作用。二氧化碳浓度的增加通过增强光合作用效率和优化水分利用，显著降低了植被对气候的敏感性。相反，温度升高增加了蒸散发和水分胁迫，从而削弱了植被的气候适应能力。此外，温度对土壤湿度的敏感性也在加剧，使得水分和能量胁迫对生态系统的稳定性产生更大的影响。尽管如此，一些温度敏感区域的VSI下降表明，二氧化碳施肥效应和植物的适应机制可能部分缓解了温度升高带来的压力。水分供应在37.8%的植被覆盖区中起到了主导作用，特别是在流域和生态过渡带中，其变化对干旱胁迫和植被-气候耦合具有重要影响。而蒸气压差（VPD）的影响则较为有限，这可能是由于其间接效应、二氧化碳诱导的气孔关闭以及温度升高带来的胁迫之间的相互抵消作用。

研究结果对于理解中央亚细亚的植被-气候相互作用具有重要意义。首先，它揭示了植被对气候变化的敏感性存在显著的区域差异，这为区域生态系统的保护和管理提供了科学依据。其次，研究指出，尽管全球变暖加剧了气候极端事件，但植被对气候的敏感性并未同步上升，这可能与生态系统的适应性有关。此外，研究还强调了人类活动在影响植被敏感性方面的作用，包括农田扩展和水资源管理。这些发现为制定针对该地区生态系统的适应性管理策略提供了重要参考，特别是在水资源有限和气候变化加剧的背景下。然而，研究也指出了其局限性。首先，研究时间跨度为1982–2022年，可能无法全面反映植被-气候敏感性在不同历史时期的变化。其次，虽然偏相关分析有助于识别个体驱动因素，但气候变量之间的高度相关性仍可能影响对单一因素的明确归因。最后，研究主要关注了气候和二氧化碳的影响，而忽略了其他潜在的调节因素，如土壤特性、植物功能特征和详细的土地利用历史，这些因素可能在塑造植被对气候变异的响应中起到重要作用。因此，未来的研究应考虑将动态植被模型和更高分辨率的人类活动数据纳入分析框架，以更全面地理解植被-气候相互作用的复杂机制。