水汽通量比：揭示生态系统变化气候效应的新途径
水汽通量比：揭示生态系统变化气候效应的新途径
为克服传统方法在研究生态系统变化气候效应中的高成本和局限性，南京信息工程大学生态与应用气象学院周国逸教授团队提出了一种创新性的评估方法，将日间与全天水汽通量比（RATIO）作为评估生态系统变化气候效应的新指标。
研究背景与意义
目前研究生态系统变化的气候效应仍存在样地实验成本高和机理模型难以准确捕捉植被与气候的交互作用的挑战。本研究提出了一种更便捷的途径，将日间与全天水汽通量比作为“信使”，携带生物物理与生物地球化学过程的信息，反映生态系统内部的复杂性并提供一致的气候效应预测，为气候研究与政策制定开辟科学高效的新途径。
图1 图文摘要
研究发现
生态系统变化的气候效应通过一致的生物物理和生物地球化学过程（如蒸散、碳同化、呼吸等）形成内在耦合关系，类似于同一化学反应的不同产物。日间与全天水汽通量比（RATIO）由生态系统蒸散量计算得出，与气候效应所依赖的生物物理和生物地球化学过程高度相关，并已被证明与能量通量和碳吸收紧密耦合。
研究表明，基于西半球建立的每日RATIO与变量间的关系，可以准确预测东半球相应变量的变化（图2）。这意味着，某一生态系统的涡度协方差观测结果可以通过RATIO映射到其他生态系统。这一规律同样适用于预测以森林和农田为基础的其他生态系统的变量变化。
图2 东半球15个变量的预测值与观测值的对比
此外，通量、能量和物质变量的时间趋势随每日RATIO表现出规律性变化（图3）。例如，气温在不同RATIO范围内表现出不同程度的升温或降温趋势。利用RATIO可以预测生态系统变化对不同气候区（包括青藏高原）地表温度的影响，这与先前的诸多研究高度一致，且与蒸散量相比，RATIO更能指示生态系统变化对地表温度的影响。
图3 不同每日RATIO下15个变量时间趋势的相关系数
研究方法创新
目前研究生态系统变化对气候影响的方法主要分为黑箱和白箱途径。黑箱途径侧重输入与输出的统计关系，不关注生态系统内部过程，常用于增温、CO2增加或降水变化的实验研究；白箱途径则尝试解析生态系统内部的生物物理和生物地球化学过程，以建立因果关系，常用于生态系统模型。然而，这两种途径在捕捉生态系统复杂性和全面性方面均存在局限。
本研究提出了一种全新的“快速通道”途径。研究团队关注黑箱中的过程，但不试图完全打开它，而是借助一个易观测的“信使”指标——RATIO。RATIO反映生态系统变化对气候的影响，而不是生态系统变化本身。因此，快速通道途径从已知的RATIO开始，而不是像黑箱和白箱途径那样从生态系统变化开始。通过这一途径，能高效捕捉生态系统复杂性，并在任意时空尺度下评估和预测生态系统变化的气候效应。
总结与展望
RATIO作为一项极具潜力的指标，通过这一简单而强大的工具，可以统一评估复杂生态系统变化对气候的广泛影响，为全球气候变化研究开辟了全新的便捷路径。未来，随着遥感和观测技术的持续进步，全球范围内高精度监测RATIO将逐步实现。进一步探索RATIO与其他生态过程间的联系，不仅能够深化对生态系统与气候相互作用的理解，还将为优化生态环境管理和制定更精准的气候政策提供坚实的科学依据。
该研究成果发表在Cell Press合作期刊The Innovation上，论文标题为“Climate effects of ecosystem change converge according to the ratio of the daytime to daily vapor flux”。研究团队由南京信息工程大学生态与应用气象学院周国逸教授领衔，以第一或通讯作者在Science，NSR，nature子刊，PNAS上发表论文8篇；发表的主要SCI论文250多篇，主要中文论著156篇。论文总他引40000多次。排名第一获得国家自然科学二等奖1项及省级自然科学一等奖3项、入选中国基础研究十大新闻。