​植物过程可能是预测干旱发展的关键

作为地面和天空之间的物理联系，植物在塑造地球天气和气候方面发挥着重要作用。现在，斯坦福大学的研究人员揭示了仔细研究植物的内部运作可能有助于改进对一些毁灭性全球灾难的模型预测。

突发干旱迅速发展并在几周内耗尽可用水量，这与蒸发蒸腾的变化有关——植物将水分从根部转移到空气中的过程。经历蒸发蒸腾的水有时被认为是“流失”到大气中，因此准确计算这种流失对于了解对水资源和生态系统的影响至关重要。

通过分析地下降水和水分的卫星数据，研究人员计算了2003年至2020年全球干旱期间蒸发量的变化。该研究发表在10月27日的《自然气候变化》上，揭示了有关蒸发量在这些破坏性事件中作用的更多细节。

主要研究作者、地球系统博士后研究员赵孟说：“当水已经有限时，蒸发蒸腾将继续使水分流失更快——这将使干旱在更短的时间内变得更加严重。”斯坦福杜尔可持续发展学院的科学。“我们在预测突发干旱方面面临着非常大的挑战，而对水损失的低估可能是该预测的主要障碍。”

快速发生和加剧的干旱会影响脆弱的社区并破坏粮食生产，正如2012年中部大平原的突发干旱导致超过300亿美元的损失所看到的那样。为了改进模型，研究人员表示，他们需要在蒸发蒸腾过程中加入一个隐藏元素：植物如何改变其根部周围土壤的结构和路径。

“我们发现模型错误似乎可以通过植物改变土壤中粒子排列方式的方式来解释，”高级研究作者、地球系统科学助理教授亚历山德拉科宁斯说。“由于土壤的这些变化，水以不同的方式流过土壤，改变了植物吸收和蒸腾的水的位置和数量。”

平衡技术

与人们可以根据可用资源进行各种饮食、锻炼习惯和睡眠时间的方式类似，植物对干旱的反应差异很大。叶子中称为气孔的释放水的小孔可以关闭，但并非所有植物都以相同或相同的速度关闭气孔。在干旱期间，较干燥的大气通过蒸发蒸腾将水从土地中抽出的能力更强，从而导致其增加——但如果气孔充分关闭，相对于非干旱时期，蒸发蒸腾将减少。

“植物的运作方式如此多样化，很难在模型中完全理解、预测和量化，”Konings说。“不幸的是，如果蒸发量的增加比我们意识到的更频繁，它会加剧干旱的影响;土壤中的水分比我们意识到的还要少，因为更多的水分正在流失到大气中。”

目前的地球系统模型显示蒸发量增加，其中气孔更加开放，大约25%的时间发生在干旱期间。然而，根据研究人员的新估计，它发生的概率约为45%。研究作者写道：“这种低估在相对干燥的气候和生物量较低的地区尤其严重。”

研究人员将来自重力恢复和气候实验(GRACE)卫星的储水观测结果与来自全球降水气候学项目的降水数据相结合，以计算全球蒸发量测量值。特定地点的特定干旱是否会导致高蒸发量-并有可能发展为突发干旱-取决于一系列因素。作者发现干燥的土壤是一个关键控制。他们进一步发现，目前的模型没有考虑根系对水如何通过土壤的影响。这导致土壤干燥的模型模拟出现错误，从而导致蒸散。

“我们知道模型存在问题，但我真的很惊讶它们的偏离程度，”科宁斯说。“我个人希望社区中正在构建不同模型的其他人能够使用我们论文中的经验教训。”

可转移的方法

研究结果表明，需要改进模型表示土壤水分对蒸散的影响、土壤结构对水分转移的影响以及植物性状，以了解当前和未来的水资源。虽然研究人员没有计算这些新的蒸发量测量结果如何影响未来的气候情景——预计这会带来更频繁和更严重的干旱——但他们表示，这些发现应该很容易转移到其他模型中。而且由于它基于卫星数据，因此这项工作不需要实地资源。

“你可以清楚地看到，模型低估了干旱和半干旱地区干旱期间蒸散量的增加，”赵说。“这意味着我们对这种现象的理解在已经遭受环境不公正问题的地区尤其缺乏——我认为我们的工作可以帮助提高这些已经受到水资源压力的地区的认识。”

该研究的合著者来自加州大学欧文分校和俄亥俄州立大学。