植物水分胁迫的临界土壤水分阈值定义为植物蒸腾开始受土壤水分限制时的临界土壤水分值。土壤水分低于此阈值时，潜热通量减少，显热通量增加，这一过程会使大气变暖。室内和站点试验报道了不同的水分阈值，但由于缺乏全球观测，水分阈值的全球分布尚不清楚。同时，对于调控不同生态系统水分阈值变化机制的理解知之甚少。而地球系统模型采用土壤水分-蒸发比值的参数方法来描述水循环和能量循环之间的联系并预测未来气候。然而，由于在全球范围内观测蒸发比值的困难，这些过程在不同的模型中采用了不同的参数或函数形式，从而导致了气候、干旱和碳汇预测中的分歧和不确定性。因此，准确地量化水分阈值对于改进未来的气候和水资源、粮食生产和生态系统脆弱性的预测至关重要。 

针对以上关键科学问题，研究组通过多源遥感、通量观测、机器学习和地球系统模型，绘制了生态系统水分阈值地图。研究发现全球平均土壤水分阈值为0.19 m³/m³，但具有较大的空间变异，从干旱生态系统的0.12 m³/m³到湿润生态系统的0.26 m³/m³。当前地球系统模型模拟的水分阈值在干旱地区被高估，而在湿润地区被低估，导致错误的全球通用格局。基于观测数据的全球水分阈值地图反映了植物对土壤可用水和大气需求的响应与适应。通过可解释的机器学习，该研究发现干旱指数、叶面积和土壤质地是全球水分阈值空间变异的最重要驱动因子。同时，该研究还发现过去四十年中，土壤水分低于阈值的受水分胁迫天数的比例显著增加，表明陆地生态系统每年越来越多的时间正受到水分胁迫。这项研究结果对于理解模型中生态系统功能受水分胁迫的起始和识别生态系统水分胁迫的临界点具有重要意义。

该研究成果近期发表于Nature Communications，第一作者和通讯作者为中国科学院地理资源所伏正研究员，还有来自法国气候与环境科学实验室、法国农业遥感所、巴黎萨克雷大学、美国哥伦比亚大学、美国宇航局、宾夕法尼亚州立大学、威斯康辛大学、亚利桑那大学、伦敦理工学院、北京大学、清华大学、香港大学、魏茨曼科学研究所、首尔国立大学的合作研究人员。此项研究得到了中国科学院地理资源所、国家自然科学基金委、法国航天局的共同支持。

此项研究也是作者2022年曾发表在《Science Advances》和《Nature Communications》上工作的进一步理论深化和尺度拓展（Fu et al. 2022 Science Advances; Fu et al. 2022 Nature Communications）。

论文信息：Fu, Z., Ciais, P., Wigneron, JP. et al. Global critical soil moisture thresholds of plant water stress. Nature Communications 15, 4826 (2024). 

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49244-7

图1 基于观测数据的生态系统水分胁迫阈值

图2 评估当前地球系统模型生态系统水分胁迫阈值