陆地总初级生产总值（gross primary production, GPP）是全球植被生长和粮食生产的基础，它影响着生态系统碳平衡，在调节大气CO2中发挥着重要作用。尽管未来几十年较高的CO2浓度可以增加GPP，但土壤水分利用率降低、热胁迫和干旱可能会降低这种CO2的施肥效益。为了更好地理解未来干旱将如何影响全球范围内的GPP，研究人员分析了13个地球系统模型的输出，结果表明，在21世纪，极端干旱对GPP的影响比轻度和中度干旱的影响更大。在中高排放情景下，到本世纪最后四分之一年（2075-2099年），由于极端干旱发生频率的急剧增加，极端干旱造成GPP的减少幅度预计将比历史时期（1850-1999年）的高达3倍。相比之下，轻度和中度干旱导致的GPP减少量预计不会大幅增加。研究分析表明，随着大气变暖，全球碳循环面临极端干旱的高风险；然而，未来有利的气候环境条件也可以促进GPP，从而可以潜在地缓解极度干旱的负面影响。
对此，为了更好地理解未来干旱将如何影响全球范围内的GPP，研究人员分析了CMIP5（Coupled Model Intercomparison Project phase 5）中13个地球系统模式（Earth system models, ESMs）在RCP 8.5和4.5情景下的气候和GPP预测结果。考虑到植物对水分胁迫的响应取决于历史气候条件，研究人员根据植物可利用土壤水（plant-accessible soil water, PASW）来定义干旱，并将其划分为3个等级：极端、中度和轻度。
分析表明，在未来的气候条件下，干旱事件将变得更加频繁（Fig.1）。与1850-1999年的历史时期相比，在RCP8.5下，每年极端干旱的频率预计将增加约3.8倍；在中等温室气体排放情景（RCP 4.5）下，每年极端干旱的频率预计将增加约3.1倍（Fig.1a,b）。在RCP 8.5情景下，每年中度干旱的平均频率预计增加约1.2倍（Fig.1d）；在RCP 4.5情景（Fig.1c）下，平均增加约1.5倍。这些干旱分布广泛，尤其亚马逊、南部非洲、地中海盆地、澳大利亚和美国西南部的风险特别高（Fig.2）。轻度干旱的风险预计在未来不会有实质性变化（Fig.1e,f）。干旱事件通常与低湿度、低降水、高温、高辐射和火灾干扰导致的碳释放增加有关。
Fig.1 | 每年干旱频率相对于1850-1999年历史时期的时间变化。小于1表示干旱频率降低，大于1表示干旱频率比历史时期增加。灰色水平虚线表示2075-2099的集合平均值。
Fig.2 | 2075-2099年干旱频率相对于1850-1999年历史时期的空间分布。图中的值为13个ESMs的集成平均值。小于1表示干旱频率降低，大于1表示干旱频率比历史时期增加。
与干旱有关的GPP减少的幅度预计在未来也会大幅增加（Fig.3）。就绝对碳通量而言，1850-1999年与干旱相关的全球GPP平均减少~2.8 PgC yr-1，在RCP 8.5和4.5情景下，到2075-2099年，这个值预计大幅上升至~4.5和~4.7 PgC yr-1。GPP下降的加剧主要是由于干旱事件发生频率的增加。由于极端干旱发生频率的增加更多（Fig.1），它造成的GPP下降幅度要比中度和轻度干旱的后果大得多（Fig.3）。具体而言，与1850-1999年的历史平均值相比，在RCP8.5和RCP4.5的排放情景下，2075-2099年极端干旱造成的GPP减少幅度预计将增加约2.9倍和约2.7倍（Fig.3a,b）。相比之下，除了RCP 4.5下的中度干旱外，轻度和中度干旱的平均GPP减少量没有显著增加（Fig.3c-e）。因此，在RCP 8.5和RCP 4.5情景下，极端干旱造成的GPP减少百分比预计将从1850-1999年的约28%增加到2075-2099年的约56%和49%。干旱造成的GPP减少可以通过一些环境变量解释，包括PASW、温度、湿度和辐射以及植被状态，每个变量平均解释力约10-30%。
Fig.3 | 相对于1850-1999年的历史时期，与干旱相关的GPP距平的时间变化。小于-1的值表示GPP减少的幅度变大，而大于-1的值表示GPP减少的幅度变小。灰色水平虚线为2075-2099年间所有模型的集成平均值。
在所有选定的ESM预测中，也均同时将未来CO2施肥效应导致的GPP上升囊括在内。分析显示，干旱事件造成的绝对GPP减少的集合平均数预计在未来不会显著增加，这可能是由于干旱和非干旱月份的CO2施肥的影响。由于高纬度地区的CO2施肥效应和较高的温度，在RCP8.5和RCP4.5的排放情景下，预计2075-2099年全球平均GPP分别比历史时期（1850-1999）高出约50%和约31%。同样，轻度和中度干旱期的GPP也会显著增加，然而在极端干旱下却不会显著增加，这也侧面反映出了极端干旱对GPP的抑制作用。对于轻度和中度干旱，预计GPP减少的百分比较小（除RCP 4.5下的中度干旱外）。然而，对于极端干旱，在排放情景RCP 8.5和RCP 4.5下，GPP的减少百分比预计将增加一倍。这表明，与极端干旱相关的GPP减少幅度比未来的平均GPP增加得更快。
干旱对GPP的预测影响存在较大的纬向变化。干旱对热带和温带地区的GPP影响更大，高纬度地区GPP受干旱的影响要小得多（Fig. 4）。这可能是由于高纬度地区的GPP相对较低，以及它们在干旱月份有着较高的温度和辐射有关。然而，考虑到目前所有的环境监测系统都没有明确考虑到昆虫的动态，而昆虫易受干旱和变暖的影响，并对区域到全球的碳循环产生重大影响，因此，本研究对高纬度地区分析可能过于乐观。
Fig.4 | 相对于1850-1999年历史时期，2075-2099年间与干旱相关的GPP距平的空间分布。图中的值为13个ESMs的集成平均值。小于-1（红色阴影）的值表明GPP减少的幅度大于全球平均GPP减少的幅度，而大于-1（浅蓝色）的值表明，GPP减少的幅度较小。
ESMs不仅预测了由于CO2施肥效应导致的未来平均GPP的增加，而且还预测了GPP变异性的增加，表明未来GPP正负距平幅度都将增大。与干旱相关的GPP减少是ESMs中GPP负距平的主要驱动因素之一。然而，在全球范围内，有利的水分、温度和辐射以及CO2施肥效应导致的水分利用效率的提高等条件都会对GPP产生促进作用，因此极端干旱对GPP的负面影响可以得到相当缓解。