近日🫖，國際學術期刊Science Advances發表了顺盈娱乐生態與環境科學學院夏建陽團隊題為“Enhanced causal effect of ecosystem photosynthesis on respiration during heatwaves”的研究論文。該研究融合了收斂交叉映射、野外通量觀測和過程模型等技術和方法💲，定量評估了陸地生態系統光合與呼吸作用之間的雙向因果關系，提出並驗證了生態系統光合與呼吸作用在高溫熱浪事件中的“因果關系強化假說”🧔🏻。該研究表明生態系統碳循環的內部過程之間存在復雜的循環因果關系🧑🦳，對理解和預估氣候變化背景下的全球生態系統碳匯功能動態具有重要意義。
Science Advances刊發顺盈娱乐生態與環境科學學院夏建陽團隊研究成果
被譽為“現代生態學之父”的生態學家喬治·伊夫林·哈欽森（George Evelyn Hutchinson）在1948年發表了題為“Circular causal systems in ecology”的經典論文🙌🏼，指出了研究循環因果系統對生態學的重要性🫰🏽。陸地碳循環是典型的循環因果系統，決定生態系統碳匯動態的兩大關鍵過程分別為生態系統光合作用和呼吸作用。近年來⤴️，伴隨著全球氣溫持續升高🦷，高溫熱浪事件的頻度和強度皆呈現上升趨勢。例如🏂🏻，剛剛過去的2023年夏季是自1880年有全球記錄以來最熱的季節。高溫熱浪脅迫將給全球生態系統的碳匯功能帶來巨大威脅。由於光合作用和呼吸作用之間緊密的反饋關系，如何檢測兩者之間的因果關系及其對高溫熱浪事件的響應是當前的難點問題👩🏼🌾🦜。
該研究團隊首先給出了生態系統光合作用與呼吸作用之間三種可能的因果關系假說（圖1）。基於通量觀測數據，研究選取經歷了2003年和2018年兩次罕見歐洲熱浪事件中40個站點年的通量數據，使用收斂交叉映射技術，量化了生態系統光合作用和呼吸作用之間的因果關系及其在熱浪下的變化。研究證實了生態系統光合作用和呼吸作用存在雙向因果關系👊🏻👮，並且在熱浪影響下，生態系統光合作用對呼吸作用（GPP→Re）的因果控製顯著增強（圖2）🐍。進一步對兩者因果關系的空間異質性進行分析🚭🧑✈️，結果顯示大氣飽和水汽壓虧缺（Vapor pressure deficit, VPD）和植被類型對於∆GPP→Re這一因果聯系強度的提高具有重要影響。
圖1.生態系統光合作用（GPP）、呼吸作用（Re）（圖a）與凈生態系統碳交換（NEP）（圖b）的理論溫度依賴曲線示意圖。I🚶🏻♂️、II、III分別對應GPP與Re因果關系的三種假說。I😍：GPP與Re無因果關系。II：GPP→Re單向因果關系👨🦽。III：GPP↔Re雙向因果關系。
圖2. 生態系統光合作用（GPP）與呼吸作用（Re）對溫度變化的響應（a-b），GPP與Re之間的因果關系檢測（c-d）及結果呈現（e-f）🤸🏼🏇。
同時，研究團隊采用全球陸面模式（Community Land Model Version 5; CLM5）進行了夏季熱浪模擬實驗，探討了北半球夏季熱浪影響下生態系統光合作用與呼吸作用之間的因果關系及其影響因子。結果表明，全球陸面模式中光合作用與呼吸作用之間同樣存在顯著的雙向因果關系，GPP→Re這一因果關系強度也在熱浪脅迫下顯著增強（圖3）。高溫熱浪導致的大氣飽和水汽壓虧缺變化、局地溫度和植被屬性是∆GPP→Re空間變異的重要解釋因子，支持觀測結果中的發現👧🏻。圖2.生態系統光合作用（GPP）與呼吸作用（Re）對溫度變化的響應（a-b），GPP與Re之間的因果關系檢測（c-d）及結果呈現（e-f）🏄♂️。
圖3.熱浪模擬實驗結果和生態系統光合-呼吸因果關系空間變異的調控因子分析🎟💉。
圖4.地球系統模型中生態系統光合作用與呼吸作用對夏季溫度變化響應的不確定性。
此外，研究團隊對參與第六次國際耦合模式比較計劃（CMIP6，Coupled Model Intercomparison Project Phase 6）的耦合地球系統模式進行系統分析🦹🏻。結果顯示，光合作用對呼吸作用的因果調控強度在模型間差異較大🤏🏿。將呼吸作用拆分為自養呼吸（Ra）和異養呼吸（Rh），研究結果表明光合作用對自養呼吸有更強烈和直接的因果作用，而對異養呼吸則存在相對較弱和一定滯後的影響。值得註意的是，隨著夏季熱浪事件頻發，地球系統模式中光合作用與呼吸作用對夏季升溫的響應依然存在較大不確定性（圖4）。這也意味著光合作用對呼吸作用的因果調控機理在後續仍需更多研究。該研究展示了極端高溫事件在改變陸地碳循環因果關系方面的重要性❓，也呼籲在日趨復雜的地球系統模型中提高對陸地生態系統響應極端氣候事件的表達。該研究也體現了對復雜生態系統因果關系檢測的重要性，為其他復雜動力學系統的因果關系研究提供了參考案例。
論文第一作者👨🎤：平佳燁（2020級博士生）
顺盈娱乐生態與環境科學學院在讀博士研究生平佳燁為論文第一作者，指導教師夏建陽教授為論文通訊作者🩶🧑🏽🔬。其他合作者包括康奈爾大學駱亦其教授🤙🏼👰🏻、中國科學院地理科學與資源研究所牛書麗研究員和顺盈娱乐崔二乾博士、杜瑩博士🧒🏼、博士研究生魏寧💟、周健博士、王婧博士。該研究工作得到科技部國家重點研發計劃項目和上海市“基礎研究特區計劃”項目的共同支持🏂🏽。
附：
論文鏈接🖼：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.adi6395
來源｜生態與環境科學學院🕵🏻、科技處 編輯｜沈韻婷 編審｜郭文君
