理解和预测植物对全球变化的适应性响应及其对陆地生态系统碳循环的影响，一直是全球变化生态学研究的核心内容之一。地球系统模式是定量研究该问题的重要工具，传统地球系统模式陆面分量在模拟冠层碳通量时，通常假设同一种植被类型或植物功能类型的最大羧化能力（V_cmax,25）和叶片基础呼吸速率（R₂₅）等功能性状固定不变。然而，大量观测证据表明，植物会通过生理调节对长期环境变化产生适应性响应。例如，温暖环境下，植物会下调V_cmax,25和R₂₅，以减少维持生命活动的碳消耗。传统模式忽略了这些动态调节过程，对气候变化情境下的陆地生态系统碳收支进行预测时，存在较大的不确定性。

清华大学地球系统科学系王焓副教授课题组基于光合与呼吸的生态演化最优性理论，构建了简洁普适的冠层光合-呼吸通量模拟方案，并在传统的陆面模式Noah-MP中引入该方案。结果表明，改进后的Noah-MP参数减少且无需植物功能型分配，增强了模型的普适性和计算效率，同时还显著提升了短期和长期冠层碳通量的模拟效果。相关研究成果在Journal of Advances in Modeling Earth Systems（《地球系统建模进展杂志》）发表，为评估和预测陆地碳汇动态提供了更可靠的工具。

新方案放弃了传统模式中植物功能型的概念，通过引入普适性的生态演化最优性理论，作为模式中植物光合和呼吸功能性状变化的约束条件，实现对植物功能型静态参数的动态预测。该方案以15天为滑动时间窗口，作为光合与呼吸的生理适应时长，动态计算该时段内温度、辐射、土壤水分等环境因子的均值，并根据生态演化最优性理论，预测V_cmax,25和R₂₅适应该环境条件的最优值。相较于Noah-MP中依赖12个植物功能类型静态参数的传统方案，新方案仅需3个普适性参数，不仅实现了对光合和呼吸性状季节动态的精细刻画，更大幅简化了模型复杂度。

研究通过全球168个通量塔站点和53个性状观测点的数据验证表明：（1）性状模拟方面，新方案对V_cmax,25和R₂₅季节变化的解释度分别高达62%和73%，传统方案则完全忽略了该变化（图1）；

图1 两个方案对呼吸性状和光合性状的模拟表现

（2）碳通量模拟方面，新方案将半小时尺度总初级生产力模拟的均方根误差从3.6µmolCO₂m⁻⟡ s⁻¹降至2.4µmol CO₂m⁻⟡s⁻¹，将月尺度总初级生产力的低估幅度从10%缩小至2%，将冠层呼吸的模拟偏差从200%降至8%（图2、3）；

图2 两个方案对总初级生产力的模拟效果

图3 两个方案对冠层呼吸的模拟效果

（3）气候响应方面，新方案显示，由于植物的生理生态调节和适应性响应过程的发生，升温对总初级生产力的促进作用较传统模型会降低60%，但同时这种对升温的生理适应也会导致冠层呼吸的增幅减少，且幅度更大约80%左右。另外，新方案的模拟结果表明，大气二氧化碳浓度升高会通过降低R₂₅进一步抑制冠层呼吸的碳释放（图4）。结果表明，植物的生理适应有利于提升陆地生态系统在全球变暖背景下的气候韧性，增强固碳能力。而传统模式对该过程的忽略，可能会导致对未来气候情境下陆地碳汇能力的低估，夸大地球系统的气候-碳正反馈效应。

图4 总初级生产力和冠层呼吸速率对温度和大气CO₂浓度变化的响应

研究不仅推动了陆面模式的生理机制刻画，也为全球碳收支评估和气候政策制定提供了更可靠的科学工具。清华大学地球系统科学系2021级博士生任扬航为论文第一作者，王焓副教授为通讯作者，阳坤教授以及来自雷丁大学、帝国理工大学、西南大学、明尼苏达大学、密西根大学、西悉尼大学等单位的研究人员为共同作者。该研究受到了国家自然科学基金专项项目（72140005）等科研项目的支持。

文章链接：http://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2024MS004599

供稿：王焓研究团队

编辑：王佳音

审核：张强