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Suning Chen 1,2, Mingchun Wu 1,2, Peilin Wang 1,2, Yaojie Liu 4, Linsheng Wu1,2, Yongguang Zhang1,2,3, Zhaoying Zhang1,2*
摘要: 准确表征光合最适温度(Topt)是精确预测陆地生态系统碳吸收的关键,传统的估算方法通常以总初级生产力(GPP)峰值对应的气温作为生态系统尺度的最适温度,但该方法会受到辐射、水分和物候同步变化的影响。本文提出一种具备生理学基础的最适温度计算方法,将Topt定义为光能利用率(LUE)达到最大值时的对应气温,从而分离光合作用本身的内在温度响应特征。基于该方法,我们利用131个通量观测站点数据推导得到了光合最适温度(Topt-LUE)。将植被光合模型(VPM)中原有按生物群系设定的固定参数Topt替换Topt-LUE后,GPP估算精度得到显著提升,模型决定系数R2达0.71,均方根误差(RMSE)为1.93 gC· m-2· d-1。而固定参数方案的R2仅为0.62,RMSE为2.84 gC· m-2· d-1。与基于增强型植被指数(EVI)的方法(RMSE=2.02 gC· m-2· d-1)和基于GPP峰值的方法(RMSE=2.06 gC· m-2·d-1)相比,本方法的RMSE分别降低了4.5%和6.3%。随后,我们利用气象数据和植被参数构建随机森林模型,生成了2001—2020年全球尺度动态光合最适温度数据集。结果显示,在全球约94%的植被覆盖区域,传统固定参数方法系统性高估了光合最适温度,平均偏差约为10℃。全球光合最适温度呈现出清晰的纬度梯度和生物群系分异特征,并与区域水热条件密切相关,为生态系统光合作用普遍存在热驯化现象提供了实证依据。过去二十年间,全球光合最适温度平均每年升高0.021±0.102℃,这一变化反映了生态系统对长期气候变化的热驯化响应,表明其适应过程具有可量化特征。将动态最适温度数据集引入VPM模型后,模型得到的碳吸收空间分布格局得到修正。热带地区原先显著的高估现象得到缓解(高估幅度约5 gC· m-2· d-1),同时改善了寒冷地区以及中国、印度、欧洲等区域的低估偏差。总体而言,本研究建立了一套具有机理基础的生态系统热驯化量化框架,为提升陆地碳循环模型中温度响应过程的模拟能力提供了新的方法支撑。