亚马逊雨林是全球最大及物种最多的热带雨林，也是全球最大的碳储量地区之一，在气候系统中发挥着重要作用。在21世纪，气候变化将使亚马逊盆地大幅变暖，碳水通量的变化将对全球碳水循环产生重要影响。尽管亚马逊地区部署的通量站点能够连续观测碳水通量，但这些稀疏的通量站点无法代表整个亚马逊地区复杂地理格局，导致其碳水通量日变化和季节变化格局尚不清楚，限制了我们对碳水通量的生理调节及其对气候反馈的理解。因此，理解和预测亚马逊雨林碳水通量如何响应未来气候变干变暖至关重要。
国际空间站上搭载了一系列能够提供一天中不同时刻对地观测数据的传感器，如OCO-3和ECOSTRESS分别提供了日光诱导叶绿素荧光（SIF）和蒸散（ET）数据。此前，张永光教授课题组基于OCO-2/3和TROPOMI卫星数据系统研究了冠层结构和太阳-目标-观测几何对SIF的影响，并发现冠层总激发荧光能更好地表征光合作用的日变化和季节变化模式（2022a, 2022b, RSE）。
课题组基于上述研究率先利用OCO-3 SIF数据获得了冠层总激发荧光，并结合ECOSTRESS ET研制了表征亚马逊碳水通量的时空连续日变化数据集。 结果表明，亚马逊雨林碳水通量在中午达到一天中的最大值，且其日变化模式主要由太阳辐射和温度驱动（图1）。比较亚马逊雨林碳水通量上下午差异发现，相比湿季，干季碳水通量存在明显下午降低现象，为研究陆气交互对未来气候变干变暖的响应机制提供了独特的视角。
图 1 亚马逊雨林SIF，ET，和WUESIF的日变化空间格局
该研究进一步构建了碳水通量响应气候因子的随机森林模型，通过解耦不同环境因子对碳水通量影响，揭示了干季下午亚马逊雨林碳水通量对大气水汽压亏缺（VPD）和温度变化的非对称响应机制（图2），即：碳通量上午随VPD和温度增加而增加，而下午呈相反趋势。
图2 基于随机森林模型的SIF，ET和WUESIF对VPD敏感性分析
最后，基于CMIP6数据预测了未来变干变暖的气候背景下，亚马逊雨林碳水通量季节变化和日变化趋势，光合在湿季将增加，与生态系统模型预测一致；而干季上午光合增加将被下午光合降低抵消，导致干季光合变化趋势不明显，表明生态系统模型可能低估了未来气候变暖和变干对干季光合的抑制作用。
图3未来亚马逊雨林光合和ET的变化趋势（2015至2100年）
该项研究将植被遥感与全球变化生态学研究相结合，首次对大尺度植被碳水日变化耦合关系进行了定量化评估，对深入理解全球变化背景下陆地生态系统碳水耦合响应机制、准确估算全球陆地生态系统碳收支具有重要意义。
该研究成果以Large diurnal compensatory effects mitigate the response of Amazonian forests to atmospheric warming and drying为题，发表在最新一期学术刊物《Science Advances》上。论文第一作者为章钊颖助理教授，张永光教授为通讯作者，居为民教授和陈镜明院士为主要共同作者。欧盟研究联合中心Alessandro Cescatti博士、哥伦比亚大学大学Pierre Gentine教授、澳大利亚联邦科工组织Yingping Wang教授、美国新罕布什尔大学Jingfeng Xiao教授、香港大学吴锦助理教授、瓦伦西亚理工大学Luis Guanter教授和巴塞罗那自治大学Josep Penuelas教授为主要合作者。此项研究得到了国家杰出青年基金等项目的资助。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq4974