文献精读：气候变化、CO2浓度提高和土地利用变化对全球陆地蒸散发的影响分析

2025年7月17日
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阅读文献是Liu(2021)发表的《Response of global land evapotranspiration to climate change, elevated CO2, and land use change》。

01 引言：研究背景和目的

1.1 陆地蒸散发(ET)的重要性

论文首先阐述了陆地蒸散发的重要性，陆地通过ET将陆地降水中的58-65%返回到大气(水蒸气形式)，同时带走了大约陆地中51~58%的能量。ET的变化会影响径流、温度以及其他水文变量等，进而改变可用水源的时空分布格局甚至区域和全球变暖。
因此，研究ET的全球变化以及背后造成的机制(即归因分析：谁影响了ET？他们的影响程度各自是多少(量化该影响)?)

1.2 现有的认知与研究不足

前人的研究已经发现了ET的变化主要是由气候变化(Climate Change, CLI)，土地利用变化(Land Use Change, LUC)以及升高的CO2浓度(记为CO2)。

但此前，这些驱动因子各自对ET的影响程度并没有被量化，这主要是因为模型(GCMs)设计的限制，对这三个驱动因子的影响信号进行定量的、独立的检测和归因分析，是当前研究中存在的问题。

文中又详细说明了为什么这些驱动因子难以被量化：

  1. 对于LUC，增加或者减少的耕地面积、森林面积都会影响植被截流蒸发（植被冠层会拦截大量的降雨，这些降雨相当一部分会直接从树叶和树枝表面蒸发掉）、地表反照率、土壤属性(土壤水分等)以及植被蒸腾作用(相比于耕地，森林的蒸腾作用明显要强的多，但是温带地区的退耕还林和热带地区的砍伐森林带来的土地利用变化会使得其中的影响复杂化)，这些因素相互影响，难以确定分离。
  2. CO2浓度的升高，一方面会使得植被叶片的气孔导度减少（因为CO2足够，仅需要稍稍张开气孔就可以获取足够多的CO2），但是气孔导度是同时控制CO2进入和水蒸气出去的通道，因此气孔导度减少的同时会导致植被的蒸腾作用减弱进而减小ET；但是由于CO2的施肥效应(CO2是植物进行光合作用的原料，CO2的增加类似于给农作物施肥，一定程度上会促进植被的生长)，可能会使得植被叶片面积变大，叶片面积的增大又会增多气孔使得ET上升。
  3. 以往的研究只使用一小部分模型(就是没什么工作量)，使得得到的结论可能会因为模型的不同等而可能会有不同的结果或者结果的可信度不高（就是它这个结论我得多看几篇文献去确认看看大家使用其他模型是不是也是类似的结果），最终对于CO2浓度上升对于ET的影响在达成共识这里存在困难。

1.3 本文的研究目标

  1. 量化CLI、CO2和LUC在ET变化中的影响
  2. CLI、CO2、LUC对ET的影响在不同时空尺度上的分布
  3. 进一步量化CLI中降水(P)和潜在蒸散发(PET)的影响

02 主要研究结果与分析

2.1 ET的趋势

总体而言，从全球范围来看，卫星反演的ET趋势是在过去38年（1980–2017）里总体上是增加的，全球面积加权平均的年ET增长率是0.82mm/year。

  1. 从空间范围上来看，全球41.6%陆地面积显示出ET有显著的增长趋势（p < 0.05），仅有不到5%的陆地区域显示出显著的下降趋势；
  2. 从空间分布上来看，ET显著增加最明显的区域位于欧洲、非洲南部、中国南部和印度 ；显著减少的区域则主要在美国西部和巴西南部的部分地区被观测到 ；
  3. 从季节差异上来看，ET在夏季具有显著增长趋势的面积最大（占全球陆地32.2%），其次是春季（31.2%）、秋季（31.0%）和冬季（22.5%）；虽然冬季具有显著增长趋势的面积是最小的，但是人家的显著减小趋势面积可是最大的噢（9.8%）。

2.2 生态系统模型(TRENDY)在ET模拟中的表现

  1. 模型模拟(S3)的ET结果与卫星观测数据匹配良好，13个模型中有10个NSE>0.8，为了减少不确定性剔除了剩余的3个来进行后续分析；
  2. 集合平均了前10个模型的NSE达到了0.92；
  3. 模型模拟的ET在空间分布格局上与卫星观测结果有巨大差异，但在时间变化上也就是年和季节尺度上，二者波动相似；

2.3 ET变换的检测与归因分析(核心)

检测的方法是论文提及的the optimal fingerprint method

2.3.1 从全球尺度上来看

  1. 从检测结果来看(见Fig3.0 a)，只有CLI的影响信号可以从自然变率的噪音中检测出来，而CO2和LUC则被内部变率(可以视为是正常的噪音或者波动，这两个驱动因子有作用，但是单独来看由于各自的影响程度太小而与波动或者噪音没有什么区别而被遮盖掉了)
  2. 从归因结果来看(见Fig3.0 f)，CLI所引起的全球ET增加趋势为0.55 mm/year, 是导致全球ET增加的主要驱动因子；

2.3.2 从区域尺度上看

  1. 在热带和高纬度地区，造成ET变化的主导因子还是CLI；但是在南半球温带和北半球温带，主导因素转变为LUC；

2.3.3 从季节尺度上看

  1. CLI在各个季节的影响信号都是可以检测到的(高于噪音)；
  2. 除了秋季，CLI在所有季节中对ET的影响都占主导作用；
  3. 秋季，LUC的贡献/影响超过了CLI成为主导驱动因子；

2.4 ET变化成因的时空分布格局

就是阐述不同的驱动因子所单独造成的那部分ET趋势的时空分布。

2.4.1 CO2浓度上升的影响

从空间分布上来看，CO2浓度上升导致了全球大部分区域的ET减少；（这说明CO2对植被的生理效应（例如气孔减小抑制蒸腾作用）的负面影响是大于CO2对植被施肥效应的正面影响）

此外，还说明了为什么热带雨林地区受CO2影响反而其ET增加了，主要是其施肥效应导致叶面积指数LAI的增加。

2.4.2 CLI的影响

  1. CLI导致的那部分ET在全球大部分区域都是增加的；
  2. CLI占主导的区域里，P是更主要的驱动因子，主导了全球48.4%的陆地面积，而PET则占17.1%；
  3. P和PET的分布有明显的地理分布规律，P主导干旱区域的ET趋势，PET主导湿润地区的ET趋势；

2.4.3 LUC的影响

  1. LUC在全球尺度上的总体影响相对较小，但是在局部地区的影响非常强烈；
  2. LUC所导致的ET减少的区域主要集中在热带雨林的毁林区域(其中一部分被农田所覆盖)；
  3. LUC所导致的ET减少的区域主要集中在植树造林和农田灌溉显著增加区域；

03 结论

  1. 气候变化(CLI)是影响ET变化的最主要驱动因子；
  2. CLI的主导作用主要取决于降水(P)。P控制(主导)了全球48.4%陆地区域（且这些区域绝大多数位于干旱地区）的ET变化，而潜在蒸散发(PET)主导了全球17.1%陆地区域（大部分属于湿润地区）的ET变化；
  3. CO2浓度的上升时第二大驱动因子，它导致了绝大多数（尤其是植被茂密的区域）地区的ET减少；
  4. LUC依据其变化的不同其造成的影响截然相反。在毁林地区会减少ET；而在植树造林地区会增加ET。但是由于正负相抵，LUC整体上对ET的影响是非常有限（小）的；

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