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基于29个FLUXNET站点数据，采用阈值法和随机森林模型分析极端降水事件（EPEs）对生态系统GPP的影响，发现95.2%的EPEs持续超过5天，不同生态系统恢复时间差异显著，主要受事件持续时间和蒸散压差驱动，为植被模型提供改进框架。
孙天月|张远|冯晓明|傅博杰|郭东刚|王伟鹏
山西大学环境与资源科学学院，太原 030006，中国
摘要
预计极端降水事件（EPEs）在未来将变得更加频繁和严重。作为关键的气象因素，极端降水（EPre）强烈影响着生态系统的碳封存，这突显了理解其对全球陆地生态系统影响的必要性。然而，关于生态系统碳封存如何在全球范围内及长期内适应EPre的定量评估仍然不足。为了解决这一问题，我们使用基于阈值的方法和极端气候指数来定义EPEs。利用来自29个FLUXNET站的观测数据，我们采用偏相关分析和随机森林模型系统地量化了总初级生产力（GPP）对EPEs的响应、适应和恢复情况。研究结果表明：（1）持续时间超过五天的极端降水事件共有499次，占所有识别出的EPEs的95%。这些极端降水事件在常绿针叶林、混交林和落叶阔叶林生态系统中的持续时间从5天到28天不等，而木质稀树草原生态系统的持续时间明显更长。（2）极端降水显著减少了生态系统的碳封存。在大多数生态系统中（常绿阔叶林和木质稀树草原除外），极端降水与GPP之间的平均偏相关系数小于-0.66（p < 0.05），并且极端降水导致了超过41%的GPP下降。（3）大多数生态系统（落叶阔叶林、常绿阔叶林、常绿针叶林、混交林和木质稀树草原）通常在12天内恢复了其碳封存能力。极端降水的持续时间和恢复期间的蒸气压亏缺被认为是影响GPP恢复的主要因素。我们的发现加深了对不同生态系统对极端降水响应的理解，并为在动态植被模型中模拟此类事件提供了框架。
引言
根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的第六次评估报告，自工业革命以来，全球平均表面温度上升了近1.1°C（IPCC，2023年）。这种变暖加剧了全球水循环，导致云量增加、潜热通量增大以及极端天气事件更加频繁（Knapp等人，2008年）。越来越多的证据表明，无论是在全球还是区域尺度上，降水模式都变得更加极端，特别是在干旱和湿润地区，极端降水的发生频率更高（Zhang等人，2013年；Donat等人，2016年；Sun等人，2021年）。极端降水事件（EPEs）不仅增加了自然灾害（如山洪暴发、城市内涝和泥石流）的可能性，还导致了巨大的经济损失（Asadieh和Krakauer，2015年；Roxy等人，2017年；Du等人，2022年）。此外，EPEs还导致陆地生态系统的结构和功能发生深刻变化（Zhang等人，2013年）。
总初级生产力（GPP）是陆地生态系统功能的关键指标，代表了植被通过光合作用合成的总有机物。极端降水有可能极大地改变生态系统的生理过程、结构及组成，从而影响碳封存（Pan等人，2020年）。研究人员通常使用实验操作、基于过程的建模和数据驱动的分析方法来研究极端降水对生态系统碳封存的影响（Thomey等人，2011年；Guan等人，2014年；Jung等人，2019年；Liu等人，2020年）。然而，由于生态过程的复杂性和综合性，仍存在挑战，包括高昂的实验成本和模拟关键生态过程的不确定性。例如，Ye等人（2016年）首次全面检验了Knapp的假设，即湿润生态系统比干旱生态系统受到更严重的损害。但他们指出，纯粹的经验方法仅代表了揭示众多相互作用和反馈所需实验的一小部分。利用全球各种生态系统的涡度协方差系统收集的长期通量数据，为分析生态系统如何响应和从极端降水事件中恢复提供了最直接的观测证据。最近的研究利用FLUXNET GPP数据、多源遥感数据以及包括观测驱动的陆地生物圈模型和XGBoost在内的模型，强调了降水对GPP影响的增加，并展示了降水频率对植被碳汇的深远影响（Liu等人，2019年；Huang等人，2021年；Xue和Wu，2023年）。结合北方生态系统生产力模拟器（BEPS）和TRENDY模型的集合分析表明，适度的降水模式显著增强了全球陆地碳封存能力（Wang等人，2021年）。相反，专注于极端降水的研究则展示了其负面影响。Yin等人（2022年）阐明了全球降水极端事件形成的热力学驱动机制和生态水文效应，证明降水极端事件通常伴随着强烈的水热交换，严重的降雨事件会降低生态系统生产力。同样，Gushchina等人（2023年）利用涡度协方差测量表明，热带生态系统中的极端降水会提高土壤湿度，刺激微生物代谢并加速分解-矿化过程，最终增加CO2排放。尽管取得了这些进展，我们对极端降水如何影响不同气候和生态系统类型的碳封存的理解仍存在显著差距，尤其是在这些事件的正面和负面影响方面。解决这些差距对于改进对未来气候极端事件下生态系统响应的预测至关重要。
极端降水事件后的恢复时间是衡量生态系统对极端降水响应的关键指标，它可以全面评估生态系统在受到干扰后恢复到未受干扰状态和功能的能力（Ingrisch和Bahn，2018年；Shao等人，2024年）。不同生态系统之间的恢复时间差异可能源于生态系统属性的差异，以及极端气候事件的强度、持续时间和发生时间（Hoover等人，2014年）。当前的研究主要采用实验方法，重点关注特定地区或生态系统类型——特别是草原生态系统的恢复。例如，自然草原在极端降水后的恢复时间较长（Liu等人，2024a）。同样，中亚的草原和农田生态系统在极端降水事件后的恢复也较慢（Zou等人，2023年）。然而，其他生态系统在极端降水后的恢复时间仍研究不足。因此，利用长期记录的研究对于了解不同陆地生态系统对这些事件的响应和适应至关重要。理解和量化生态系统对这些事件的响应和适应对于推进科学知识以及在气候极端事件加剧的情况下解决公共和政策问题至关重要。
为了研究陆地生态系统中植被生产力对极端降水的响应和适应，我们开发了一个综合研究框架。首先，我们利用长期通量塔观测数据在每个站点定义和描述了极端降水事件（EPEs）。随后，通过偏相关分析和随机森林（RF）模型量化了极端降水（EPre）、温度（Tem）、短波辐射（SW）和蒸气压亏缺（VPD）对不同气候区和植被类型生态系统碳封存的影响。我们还评估了EPre在驱动生态系统碳封存中的相对重要性。此外，我们研究了极端降水事件后GPP的恢复过程，并确定了影响生态系统碳封存恢复的主要因素。这项研究加深了对生态系统适应和抵御气候极端事件的理解，为预测未来气候变化对生态系统服务的影响提供了关键见解。
数据
FLUXNET是一个利用涡度协方差技术来量化生物圈和大气之间碳、水和能量交换的全球网络（Xi等人，2022年）。本研究使用了FLUXNET2015数据集，该数据集提供了来自全球分布站点的长期连续通量塔观测数据。从这个数据集中选择了29个具有超过十年连续记录的站点（图1；表1）。这些站点涵盖了多种植被类型——包括
极端降水事件的特征
为了总结极端降水事件的特征，我们对不同植被和气候类型下的极端降水事件的频率和持续时间进行了统计分析。本研究在29个具有10年或更长时间记录的全球分布站点中识别出了524次极端降水事件。其中，25次（4.8%）持续时间不超过5天，而499次（95.2%）持续时间超过5天。分析显示极端降水事件的特征呈双峰分布：（1）频繁发生的、强度较低的事件，持续时间为5天
不同生态系统对极端降水的不同响应
森林生态系统经历的极端降水事件频率较高，持续时间从7天到34天不等。极端降水的季节性因生态系统类型而异。例如，在DBF生态系统中，几乎所有极端降水事件都发生在冬季，而在MF生态系统中，大多数事件发生在夏季。我们的研究与其他相关综述一致，证实极端降水通常对森林生态系统生产力有负面影响，并削弱了它们的碳封存能力（图9），尤其是在ENF、DBF和MF中
结论
本研究调查了极端降水事件的特征，并评估了它们对全球陆地碳封存的影响。具体来说，我们研究了生态系统对极端降水的响应和适应、随后的恢复过程以及影响这一恢复过程的因素。我们开发了一个综合框架来评估全球陆地生态系统对极端降水的响应、适应和恢复情况。研究结果表明：（1）存在两种不同的降水模式
未引用的参考文献
Jiabo等人，2022年；Junzhi等人，2020年；Miaomiao等人，2021年；Olesen和Bindi，2002年；Zheng等人，2017年；Sebastian等人，2016年；Trabucco和Zomer，2015年；Unger和Jongen，2015年；Xiazhen和Xing，2022年；Ying等人，2023年；Zhang等人，2011年；Zomer和Trabucco。
CRediT作者贡献声明
孙天月：撰写——初稿。张远：撰写——审阅与编辑。冯晓明：撰写——审阅与编辑。傅博杰：撰写——审阅与编辑。郭东刚：撰写——审阅与编辑。王伟鹏：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了山西省基础研究计划（202303021222029 和 202203021221033）以及国家自然科学基金（41722104）的支持。
