水分的补偿效应将全球陆地碳汇的年际变化与温度联系起来

最近测量的大气CO2增长率的巨大年际变异主要来自陆地生态系统的碳吸收波动，而不是来自海洋或人为排放的变化。

人们普遍认为，热带地区对陆地碳变异的贡献最大。观察到的热带陆地平均温度和二氧化碳增长率之间的正相关关系，意味着在较暖的年份，陆地碳吸收量较小，大气中CO2增长增强，其敏感度约5Gt C yr-1 K-1。

在多个气候碳循环模型中，年际时间尺度上的这种敏感度与每升温1℃的陆地碳的长期变化之间存在着紧密的关系。

尽管与热带陆地平均温度有这种强烈的关系，但一些研究表明，水分可利用性的变化在半干旱和亚热带系统的碳平衡的年际变异（interannual variability, IAV）方面具有重要的、甚至是主导的作用。此外，最近热带碳循环对年际温度变异的敏感性增加了一倍，这与不断变化的水分制度的相互作用有关。

因此，我们仍然缺乏对年际时间尺度和跨空间尺度的陆地碳循环的气候控制过程的全面了解。对此，基于涡度协方差数据的经验模型和基于过程的模型，作者研究温度和水分可利用性的变化对局地和全球尺度的总初级生产力（GPP）、陆地生态系统呼吸（TER）和净生态系统交换（NEE）的影响，通过同时评估碳循环对局地和全球尺度的温度和水分供应波动的响应，以解决 "温度与水 "的争论。

研究发现，水分可利用性是局地尺度GPP和TER年际变化的主要驱动因素。在水分也驱动局地尺度上的NEE年际变化（程度较小），但在全球尺度上，NEE的时间变化主要是由温度波动驱动的。

在不同的空间尺度上，NEE IAV受温度或水分控制的模式截然不同。在全球尺度内，温度驱动着空间整合的NEE IAV（图1a-b），这与以前基于温度异常和CO2增长率之间的相关性的发现一致。在全球NEE的变化，只有很小一部分归因于辐射和水分可利用性的变化（图1a-b）。

当单独分析所有网格单元时（即在局地尺度上），温度的全球影响与水分可利用性的局地影响形成鲜明对比（图1c-d）。水分可利用性具有强烈的正负反相关的空间模式（图2）, 这与厄尔尼诺/南方涛动对水分影响的印记相对应。

图1 | 1980-2013年期间，基于机器学习（FLUXCOM）和基于过程（TRENDY）的模型得出的全球和地方尺度上的NEE IAV气候控制。

图2 | FLUXCOM和TRENDY模型的空间共变和规模对NEE IAV的温度与水的控制的影响。

这种明显的矛盾可以用两种补偿性的水效应来解释。由水驱动的GPP和TER的时间变化对局地进行补偿，抑制了水驱动的NEE变化。空间上的水分可利用性异常也起到了补偿作用，在土地碳汇的逐年波动中留下了主要的温度信号（图3）。

除此之外，还存在一个局部补偿机制，即GPPWAI和TERWAI交织在一起，从而在局部相互制衡（图4）。这可能是由于土壤水分与生产力和呼吸作用同时存在的正相关关系。其综合效应是WAI对NEE的净影响较小。TERWAI与GPPWAI的协方差的大小在模型集合成员之间有很大差异。这可能反映了呼吸作用过程对水分变化的巨大不确定性，而通量分配的不确定性似乎可以忽略不计。

图3 | FLUXCOM和TRENDY模型的水和温度驱动的总碳通量（GPP和TER）和NEE的IAV的纬度模式。

图4 | FLUXCOM模型中WAI和TEMP驱动的GPP和TER IAV的协方差和相关性的空间模式。

与NEE水效应的抵消相反，在热带地区GPP和TER IAV的局地温度放大效应很弱。在热带地区，当地温度对GPP和TER IAV的影响是反相关的（图4d）。这是因为GPP随着温度的升高而降低，可能是因为已经超过了光合作用的最适温度，而呼吸作用则随着温度的升高而增加。因此，热带地区的温度上升通过减少GPP和增加TER来增加NEE。

然而，由于GPP和TER的温度成分变化较小（图3a-d），与局地的水补偿效应（图4d）相比，热带地区的这种局地温度放大效应在数量上可以忽略不计（图4c）。总的来说，与这些驱动因素对总通量的影响相比，这导致NEE的温度驱动与水驱动的差异较小（比较图3）。

总之，研究表明，水分可利用性是局地尺度上光合作用和呼吸作用的IAV的总体主导驱动因素，尽管在全球综合的NEE IAV中实际上没有这种水信号。这种模式是由以下因素驱动的。(1)水供应对GPP和TER的局部补偿作用；(2)水控制的NEE异常的空间反相关；因此在空间上有补偿。这两种水的补偿效应使温度成为全球的主导因素，这就解决了为什么围绕着NEE IAV是由热力还是由水力迫使的结论存在矛盾。

这些发现表明，气候不仅对碳循环有局部的影响，而且更重要的是，气候变量的空间共变性驱动着全球碳循环的综合反应。因此，对较大区域的综合信号进行的任何分析都会掩盖对生态系统尺度上的驱动机制的推断。

同样，作为全球碳循环建模者的一个传统目标，剩余陆地碳汇的表观温度主导的IAV是全球碳循环建模的一个传统目标，它几乎不包含当地碳循环过程的信息。研究结果表明，与全球变化有关的气候变量之间的潜在变化可能会推动碳循环敏感性的明显变化，甚至可能是气候-碳循环反馈的强度。