生态系统水碳通量的精确建模对于更好地理解植被对干旱响应的生理机制至关重要。当前的生态系统水碳通量模型通常忽略植物水动力学过程，仅使用经验性的土壤水分胁迫函数来表征干旱对水碳通量的影响，这种方案可能会造成生态系统水碳通量模拟出现如下三种不确定性。首先，缺乏统一的土壤水分胁迫经验函数形式，容易引起不同模式间模拟结果的差异。其次，无法捕捉土壤水分供应和大气水分需求之间复杂的非线性相互作用，这可能无法捕捉干旱对水碳通量模拟的真实影响。最后，未能求解植物内部水分状态的变化，忽略了植物水力特征（例如水容）在调节植被-大气水碳通量中的作用。

为此，莫兴国研究组在1998年问世、已在全球各气候区、不同生态系统和流域得到广泛应用的自主开发的VIP（Vegetation Interface Processes）分布式生态水文动力学模型中，构建了植物水动力学新模块（以下简称VIP-PHS）。该新模块的主要特点和优势为：（1）同时考虑了叶水容和茎水容对植物水通量的调节作用；（2）以植物内部水分状态（叶水势）代替土壤水分来表征植物水分胁迫；（3）与其他通过迭代水势进行数值求解的植物水力学模块不同，该模块提供了一个计算效率更高的解析解，极大地方便了植物水力学方案在区域尺度建模中的应用。

采用全球30个FLUXNET站点数据对VIP-PHS和经验性土壤水力方案(以下简称VIP-SHS)模拟的蒸散（ET）和第一生产力（GPP）及其对干旱的响应进行评估。发现：与VIP-SHS相比，VIP-PHS的ET和GPP模拟均方根误差(RMSE)分别降低了0.02-0.27 mm day-1和0.04-0.52 g C m-2 day-1。模拟效率的提高在常绿针叶林中尤其显著，可使ET和GPP的RMSE分别降低45%和55%。VIP-PHS显著降低了ET和GPP对土壤水分胁迫的敏感性，提高了在低土壤水分条件下ET和GPP的预测精度。敏感性分析表明，植物茎水容越大，日最小茎水势越大（负值越小），木质部水分胁迫缓解效果越好，为ET和GPP提供的可利用水越多。这些发现进一步展示了在未来气候变化和极端干旱条件加强的情景下将植物水力学纳入下一代地球系统模型的必要性。

该成果发表于Water Resources Research，第一作者为中国科学院地理科学与资源研究所谢舒笛直博士，通讯作者为导师莫兴国研究员，合作者为刘苏峡研究员和胡实副研究员。本研究受国家重点研发计划 和国家自然科学基金项目资助。

论文信息：

Xie, S., Mo, X., Liu, S., & Hu, S. (2023). Plant hydraulics improves predictions of ET and GPP responses to drought. Water Resources Research, 59, e2022WR033402.

论文链接：https://doi.org/10.1029/2022WR033402