Nature Reviews Earth & Environment | 碳中和数据中心袁文平与陈修治发布：全球陆地碳汇正被“大气干旱”削弱
随着全球变暖加剧，陆地表面大气干旱程度不断上升。大气干旱以饱和水汽压差（VPD）为代表，体现了大气对水分的需求，是反映干旱程度的重要指标。自20世纪90年代末以来，全球VPD显著上升，成为气候变化的重要信号。这一变化对植物水分平衡、气孔导度、光合作用和火灾频率等过程产生深远影响。然而，目前尚缺乏对VPD变化趋势、生态效应及其在陆地碳循环中作用机制的系统综合，尤其是在与土壤水分、温度、辐射等因子交织的情况下，量化其独立作用仍具挑战。因此，深入认识大气干旱变化及其对碳循环的影响机制，对于预测未来碳汇变化和制定适应策略至关重要。
本文综合了观测数据与模型模拟结果，对全球大气干旱（VPD）的历史演变、未来预测及其对陆地碳循环的影响进行了系统评估。作者利用气象观测、卫星遥感（如GLASS、FLUXNET2015）、陆面模式（CMIP6多模式集合）等多源数据，分析了1901—2015年VPD的时空趋势，并基于不同排放情景（SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP5-8.5）预测了未来VPD变化。同时，文章综合了GPP、LAI、LUE、NEP、物候、树木生长、NSCs和火灾等多方面证据，探讨VPD对碳循环过程的作用及机制。
全球大气干旱显著加剧，呈现显著的空间与季节差异
本研究首先分析了1901–2015年期间全球陆地生态系统VPD的历史变化特征。结果显示，全球78.6%的陆地区域在生长季期间VPD持续上升，尤其自20世纪90年代末以来上升速率加快近10倍（由0.0016 hPa·yr⁻¹增至0.0155 hPa·yr⁻¹），这种加剧趋势与全球变暖导致的饱和水汽压指数式上升密切相关（图1b）。
在空间上，干旱区VPD增速最高，为湿润区的2.3倍（图1c），这主要源于干旱区升温幅度更大、水汽供应受限；生态系统类型上，草地和农田的VPD上升幅度大于森林（图1d），显示不同植被对干旱胁迫的暴露程度存在差异。
季节上，春季VPD上升速率显著高于秋季，这意味着植物在春季叶片生长初期更容易遭受大气干旱胁迫。这种显著的时空异质性表明，不同区域和生境对大气干旱的暴露程度与脆弱性存在显著差异，需要区域化评估碳循环响应。
大气干旱对陆地碳循环的负面效应显著且普遍
通过对卫星、通量观测和多种模型的综合分析，发现大气干旱上升对陆地碳循环的多个关键过程造成了显著抑制作用。全球范围内，当VPD上升1 hPa时，平均LAI下降0.11 ± 0.07 m²·m⁻²·hPa⁻¹，GPP下降13.82 ± 3.12 PgC·yr⁻¹·hPa⁻¹，LUE下降0.04 ± 0.02 gC·MJ⁻¹·hPa⁻¹，NEP下降5.59 ± 1.15 PgC·hPa⁻¹（图2e）。
不同植被类型对VPD的敏感性存在明显差异（图2b–d），阔叶林（常绿与落叶）对VPD最为敏感，GPP下降幅度最大，草地和农田对VPD也表现出显著负响应；针叶林（常绿与落叶）响应较弱，可能因其深根与异水势策略可缓冲短期干旱胁迫。这种植被类型差异表明，未来大气干旱的持续上升可能导致全球碳汇的区域性重分布：湿润区和高生产力生态系统的碳吸收潜力下降，干旱区的响应则相对缓慢。
植被生产力对VPD存在明确的阈值响应
文章进一步揭示了GPP和LUE对VPD的非线性阈值响应特征（图3）。在低VPD条件下，升高的VPD会轻微减少气孔导度，但不会显著抑制光合作用，部分情况下甚至因伴随的升温增强光化学作用而略有促进。然而，当VPD超过某一临界值后，气孔关闭限制效应主导，导致GPP和LUE显著下降。这一阈值因植被类型而异：草地的阈值最低（约5.8 hPa），混交林和灌丛适中，而落叶阔叶林阈值最高（约9.2 hPa）。这与其气孔密度高、可维持较高蒸腾的特性有关。这说明，湿润地区高生产力生态系统在未来更容易因高VPD而遭遇碳吸收能力的快速下降。
多重生态生理机制共同驱动VPD对碳循环的影响
本研究综合生理与生态证据，提出了VPD影响碳循环的主要机制（图4）：
气孔关闭：VPD升高导致气孔关闭，直接抑制CO₂吸收与光合作用；
液压失效：VPD升高导致植物水势降低，易引发木质部栓塞，限制水分与养分运输；
脱落酸积累：VPD升高可快速诱导ABA合成，引发叶片衰老和物候变化；
火灾与土壤干燥的级联效应：高VPD增加可燃物干燥度与火灾发生概率，并通过增强蒸散加速土壤干燥，进一步放大负效应。
这些过程相互作用，共同塑造了VPD对碳循环的多层次、多途径影响，也解释了为何在湿润区VPD上升对生产力的影响尤为显著。
- 未来VPD将持续上升，对碳循环构成更大挑战
基于CMIP6模式的未来预测表明，在高排放情景（SSP5-8.5）下，全球平均VPD到2100年将上升超过3 hPa，其中干旱区增幅最大（约0.13 hPa·yr⁻¹）（图5c）。在中低排放情景下（SSP1-2.6），VPD上升幅度有所减缓，但仍在湿润区维持正增长。这种持续上升的VPD可能抵消CO₂施肥效应，使陆地GPP和LAI在高排放情景下呈下降趋势，对未来碳汇形成潜在威胁。特别是在干湿交错区和森林生态系统中，VPD上升还可能引发树木死亡率增加和火灾频率上升，从而改变生态系统结构和功能。
本研究系统总结了全球大气干旱（VPD）的时空变化特征、生态效应与未来风险，揭示了VPD通过影响气孔导度、液压过程、物候、生理代谢和火灾等多种途径，深刻改变了陆地碳循环过程。随着未来VPD持续上升，其对全球碳汇的负面影响将愈发显著。作者强调亟需开展全球尺度的VPD操控实验，并将相关生理机制纳入陆地碳循环模型，以提升未来碳循环预测的可靠性。
该成果近日以“Impacts of rising atmospheric dryness on terrestrial ecosystem carbon cycle”为题的综述文章发表于《Nature Reviews Earth & Environment》，碳中和数据中心袁文平教授为第一作者及通讯作者，陈修治教授为共同通讯作者。
【论文信息】Yuan, W., Tian, J., Wang, M. et al. Impacts of rising atmospheric dryness on terrestrial ecosystem carbon cycle. Nature Reviews Earth & Environment 6, 712–727 (2025). https://doi.org/10.1038/s43017-025-00726-2