Sol

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 888 (2023) Citer cet article

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L'Inde reçoit plus de 70% de ses précipitations annuelles lors de la mousson d'été de juin à septembre. Les précipitations sont rares et dispersées pour le reste de l'année. En combinant des données satellitaires et des simulations de modèles, nous montrons que le continuum sol-végétation fonctionne comme un condensateur naturel d'eau, stockant l'impulsion de la mousson et libérant l'humidité dans l'atmosphère par évapotranspiration sur environ 135 jours lorsque l'apport d'humidité des précipitations est inférieur à la les pertes par évapotranspiration. La productivité primaire brute totale de la végétation en Inde pendant la période du condensateur représente près de 35 % de la valeur annuelle totale du GPP. Cela dépend principalement de l'humidité du sol au début de la période, une mesure de la capacité d'humidité du sol, avec une corrélation de 0,6. Étant donné que l'Inde est le deuxième plus grand contributeur au récent verdissement mondial, sa capacité hydrique sol-végétation joue un rôle important dans le bilan carbone mondial.

La rétroaction de la terre vers l'atmosphère est entraînée par l'évapotranspiration (ET) qui relie les cycles de l'eau, de l'énergie et du carbone. Environ 64 % de l'ET mondial est apporté par la transpiration de la végétation1. Ainsi, la transpiration de la végétation joue un rôle essentiel dans la composante atmosphérique du cycle hydrologique. Les processus biophysiques de la végétation qui modifient la transpiration contrôlent également les échanges de dioxyde de carbone entre la terre et l'atmosphère2,3. Par conséquent, la ramification des changements biophysiques de la végétation peut avoir un impact considérable sur le climat mondial et régional4. Des études montrent une forte influence des variables climatiques telles que les précipitations, la température, le stockage total de l'eau terrestre et le rayonnement sur la croissance et la productivité de la végétation5,6. Dans le même temps, les forêts anciennes et diversifiées, quel que soit le type de végétation, jouent un rôle important dans l'atténuation des impacts de la variabilité climatique sur les cycles du carbone et hydrologique7.

La végétation a une très forte rétroaction sur les processus atmosphériques8,9,10,11 et hydrologiques12 et jouera un rôle important dans la trajectoire future du système terrestre13. Les changements dans les modèles de végétation influencent l'apport en eau, en particulier les faibles débits, car ils peuvent modifier les taux d'infiltration et, par conséquent, l'humidité du sol et le stockage des eaux souterraines14. Les eaux souterraines peuvent améliorer la persistance pluriannuelle des précipitations en maintenant l'évapotranspiration pendant une période prolongée15. Les plantes peuvent améliorer la disponibilité de l'eau à l'avenir en raison d'une diminution de la transpiration résultant d'une fermeture relativement précoce des stomates à des concentrations de CO2 plus élevées et d'une augmentation de l'humidité du sol16,17,18. Cependant, des études récentes montrent également que des saisons de croissance plus longues avec des surfaces foliaires croissantes en raison de la fertilisation au CO2 et une demande d'évaporation plus élevée de l'atmosphère due au réchauffement peuvent augmenter l'évapotranspiration11,12,19,20,21. Alors que l'humidité du sol dans la zone racinaire peut agir comme un facteur limitant l'évapotranspiration22, la végétation à racines profondes peut absorber l'eau des couches de sol plus profondes pour compenser les carences en eau dans les couches supérieures du sol, soutenant ainsi l'évapotranspiration23. Dans la région nord-américaine de la mousson, le contrôle de l'humidité du sol sur l'évapotranspiration évolue avec les changements de la végétation et de sa phénologie24. Le rôle du continuum sol-végétation dans la conduite de l'évapotranspiration est très important dans le contexte de l'insuffisance des modèles de système terrestre (ESM) pour capturer le couplage entre l'humidité du sol et l'évapotranspiration25,26,27,28. Les ESM actuels tentent de capturer les différents processus qui contrôlent les interactions terre-atmosphère29 à l'aide de mécanismes de couplage sophistiqués assistés par l'observation ; cependant, ils ne parviennent toujours pas à un consensus30,31,32. La grande diffusion à travers les ESM dans la modélisation de ces interactions est due aux interactions complexes et aux rétroactions entre les différents composants du système terrestre33,34. Ceci met en évidence la nécessité de surveiller avec précision ces couplages entre les différents éléments ; en particulier un processus critique tel que ET.

Les précipitations de la mousson d'été indienne (ISMR) s'étendent sur quatre mois de juin à septembre et contribuent à près de 80 % des précipitations annuelles totales sur le pays tout en affichant une variabilité spatiale et temporelle très élevée35,36. Comme on peut s'y attendre, les précipitations ont un impact sur la croissance et la répartition de la végétation dans la région37. Avec une superficie géographique totale de plus de 3,2 millions de km2, l'Inde dispose d'un couvert végétal étendu : près de 21 % de superficie forestière et 59 % de terres agricoles38. Les autres types de végétation sont les arbustes, les prairies et les zones humides38. La plaine indo-gangétique et l'Inde centrale, dominées par les terres cultivées, sont considérées comme des points chauds mondiaux de rétroaction terre-atmosphère39. Une baisse probable de l'évapotranspiration et du recyclage des précipitations associé en raison d'une éventuelle déforestation au-dessus de l'Inde pourrait affaiblir l'ISMR40. La végétation a également une rétroaction significative sur le début et la quantité de précipitations pendant la saison de la mousson d'été sur les parties nord-est de l'Inde41,42.

Le cycle de l'eau terrestre est fortement lié au cycle du carbone et joue un rôle majeur dans le contrôle de l'absorption du carbone par les plantes. Les forêts tropicales peuvent atténuer les effets du réchauffement climatique, à la fois par l'absorption de carbone et le refroidissement par évaporation43. À l'échelle mondiale, la végétation terrestre absorbe 30 % du CO244 atmosphérique, et par conséquent, son impact sur la dynamique de l'humidité du sol et la rétroaction à son tour sur la productivité primaire brute sont des processus critiques. Étant le deuxième contributeur le plus important au récent verdissement mondial, l'Inde joue un rôle important dans l'absorption de carbone terrestre45. Compte tenu des fortes rétroactions de la biosphère dans la région de la mousson46 et de l'énorme variabilité spatiale et temporelle associée à l'ISMR36,47, une analyse du rôle de la végétation sur le cycle de l'eau et de son impact sur l'absorption de CO2 est un impératif. L'Inde possède deux des huit points chauds de biodiversité les plus chauds du monde48, qui sont des forêts naturelles. En outre, une fraction importante des terres cultivées indiennes est également pluviale49. Avec un fort régime pluviométrique saisonnier, la durabilité de l'agriculture pluviale et du système forestier pendant l'après-mousson et les autres saisons sèches réside dans les caractéristiques spécifiques du continuum humidité du sol-végétation indien. De telles caractéristiques ne sont pas encore explorées dans la littérature au meilleur de nos connaissances. On peut également s'attendre à ce que ces propriétés aient une forte implication sur le cycle global du carbone. Ici, nous visons à comprendre la même chose en analysant les variables hydrologiques observées et simulées et les données observées sur la productivité primaire brute (PPB) en Inde.

Nous avons utilisé les données de précipitations maillées quotidiennes développées à partir des données de stations observées50 par le Département météorologique indien (IMD) à partir de 1901. De plus, nous avons obtenu les données d'humidité du sol de l'Agence spatiale européenne (ESA). Le produit combine les données de la Soil Moisture and Salinity Mission (SMOS) pour la période post-2010 avec les données du Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS (AMSRE) de 2003 à 2010 à l'aide de réseaux de neurones51, fournissant ainsi un ensemble de données continu à partir de 2003. Ce produit a été développé pour inclure les données d'humidité du sol SMOS basées sur la bande L dans l'ensemble de données ESA CCI SM. Les produits SMOS ont ensuite été inclus dans l'humidité du sol ESA CCI à partir de la v03.2 publiée en 2017. Nous avons utilisé les données pour l'évapotranspiration et ses deux composantes, à savoir l'évaporation et la transpiration du sol, évaluées par le modèle Global Land Evaporation Amsterdam ( GLEAM), version 3. GLEAM utilise des mesures globales, des produits de données satellitaires et des produits de réanalyse pour développer les différentes composantes ET à une résolution spatiale de 0,25° × 0,25°52,53 de 1980 à 2015. Nous avons également utilisé le modèle de capacité d'infiltration variable (détails dans Methods) pour des simulations expérimentales dans la région d'étude afin d'identifier les facteurs plausibles à l'origine de la variabilité de l'évapotranspiration en Inde. Le rayonnement quotidien à ondes courtes vers le bas et les valeurs de rayonnement photosynthétiquement actif fournies par les nuages ​​et le système d'énergie rayonnante de la Terre (CERES) sont utilisés dans l'étude pour la période 2001 à 2015. Ce produit intègre les flux des satellites géostationnaires pour tenir compte des variations régionales du flux diurne. entre les mesures du satellite Terra & Aqua CERES54,55. Le produit de la productivité primaire brute (GPP) sur 8 jours (MOD17A2H) à une résolution spatiale de 500 m du spectroradiomètre imageur à résolution moyenne (MODIS) à bord du satellite Terra56 est ensuite utilisé pour comprendre l'association entre les flux hydrologiques et le cycle du carbone dans la région pour la période 2001 à 2015.

La figure 1a présente la climatologie des précipitations observées en moyenne sur l'Inde. Il atteint son apogée au cours de la première quinzaine d'août et commence à se retirer en septembre. La figure 1b montre la climatologie de l'humidité du sol en surface, qui suit le même schéma que les précipitations. Ce comportement est attendu car l'humidité du sol par satellite ne prend en compte que les quelques centimètres supérieurs du sol, principalement en raison des précipitations. La figure 1c présente la climatologie de l'ET et ses composantes moyennées sur l'Inde et montre que l'ET continue d'augmenter pendant la phase de retrait de la mousson. Cependant, l'évaporation du sol commence à baisser immédiatement après le pic de la mousson et suit la climatologie des précipitations et l'humidité du sol en surface. La transpiration de la végétation entraîne l'augmentation de l'ET lors du retrait de la mousson (Fig. 1c). Il convient de noter que l'ET élevé lors du retrait de la mousson est un contributeur majeur à la charge d'humidité atmosphérique47,57 sur le sous-continent indien. Par conséquent, le rôle de la végétation dans le maintien du cycle de l'eau pendant le retrait de la mousson est étonnamment important. Ici, nous visons également à comprendre le rôle de la végétation dans le maintien des interactions terre-atmosphère pendant les périodes sèches non pluvieuses. La capacité de la végétation à stocker de l'eau pendant les périodes de fortes précipitations et à la libérer dans l'atmosphère pendant les périodes plus sèches est appelée capacité d'humidité58. Nous définissons trois périodes après le pic des précipitations de mousson sur la base de la climatologie des précipitations et de l'ET. Ici, nous avons considéré la climatologie pour éviter la variabilité à basse fréquence associée aux différentes composantes du cycle de l'eau au cours d'une année. La première période (ombrée en jaune) entre les pics de précipitations et l'ET total est appelée période de réponse retardée. Au cours de cette période, l'augmentation de l'ET total et de la transpiration se produit en raison de la forte disponibilité d'humidité, de l'apport d'humidité provenant des précipitations et du rayonnement. Le retard fait ici référence au pic d'ET décalé dans le temps par rapport à celui des précipitations. L'ET quotidienne moyenne connaît une augmentation de près de 13 % au cours de cette période malgré une baisse de 55 % des précipitations par rapport à sa valeur maximale. Cependant, cette période présente un surplus d'humidité car les précipitations de cette période sont supérieures à ET. Des études ont montré que les changements saisonniers dans les activités végétales et les processus de rétroaction dans la région indienne sont principalement contrôlés par le rayonnement et les précipitations59,60. Par conséquent, l'augmentation de l'ET au cours de cette période peut être attribuée au rayonnement élevé et met en évidence le rôle du rayonnement dans la conduite des processus de l'usine pendant une condition de surplus d'humidité. Les précipitations au cours de cette période représentent près de 28 % des précipitations annuelles totales, tandis que l'ET représente environ 20 % de l'ET annuelle totale. Le rayonnement entrant moyen quotidien est de 97% de sa moyenne quotidienne annuelle, répondant aux exigences de la centrale. La période de réponse différée dure environ 50 jours lorsqu'elle est moyennée spatialement sur la masse continentale indienne. La deuxième période (hachurée dans les figures) est l'intervalle de temps pendant lequel l'ET chute à partir de son pic et les précipitations dépassent encore l'ET. Nous la définissons comme la période pré-condensateur. La période pré-condensateur, qui s'étend sur environ 50 jours (sur la base de la climatologie des moyennes spatiales), connaît une baisse à la fois du taux de précipitations (57%) et du rayonnement (18%), entraînant une diminution de l'ET (33%) , dès le début de la période pré-condensateur. Cependant, la baisse de l'ET est plus lente que celle des précipitations. L'ET totale pendant la période pré-condensateur représente environ 17 % de l'ET annuelle totale contre un apport de précipitations de 12 % des précipitations annuelles totales. La troisième période, c'est-à-dire la période du condensateur (en grisé sur les figures), est la phase pendant laquelle l'ET est supérieure à la précipitation. Alors que les précipitations et les taux d'ET diminuent d'environ 29 % lorsqu'ils sont moyennés spatialement sur la masse continentale indienne, l'ET pendant la période du condensateur représente près de 25 % de l'ET annuel total, qui est principalement entraîné par la transpiration (27 % de la transpiration annuelle totale). Les précipitations pendant la période du condensateur ne représentent que 12 % des précipitations annuelles totales. Intuitivement, l'ET et les processus végétaux associés ne peuvent pas être maintenus dans des conditions de limitation de l'eau en raison des faibles précipitations au cours de cette période. Bien que des facteurs tels que la température de surface, le rayonnement et la vitesse du vent jouent un rôle majeur dans la détermination de l'ET, l'étude actuelle ne les considère pas explicitement. Cependant, la définition de la période du condensateur considère implicitement les facteurs de causalité ; par exemple, le rayonnement commence à augmenter après le retrait de la mousson, qui est le début typique de la période du condensateur. Le vent change également de direction avec la transition de la saison. Ainsi, pour un climat saisonnier, les facteurs de causalité sont intégrés dans la définition de la période du condensateur. Nous émettons l'hypothèse que les processus ET au cours de cette période sont soutenus par le continuum sol-végétation. Le sol et la végétation reçoivent de l'humidité pendant la mousson, la période de réponse différée et la période pré-condensateur. L'humidité stockée est libérée dans l'atmosphère pendant la période relativement sèche du condensateur et soutient les activités de l'usine. Par conséquent, le sol et la végétation peuvent agir comme des condensateurs dans le cycle de l'eau de la mousson indienne. Nous constatons que les jours de condensateur (ombrés en gris sur la figure 1) s'étendent généralement sur environ 135 jours lorsqu'ils sont moyennés spatialement sur l'Inde (figure 1c).

Climatologie des variables observées : (a) Précipitations, (b) Humidité du sol en surface, (c) Évapotranspiration et ses composantes pour la période 2001 à 2015. Les régions jaunes, hachurées et grisées correspondent à la période de réponse retardée, période pré-condensateur et la période du condensateur, respectivement. Les parcelles sont préparées dans Origin 2018.

L'ISMR a une variabilité spatiale très élevée avec environ 300 mm de précipitations sur le désert du nord-ouest et 3000 mm dans le nord-est de l'Inde et les Ghâts occidentaux. Il existe une diversité écologique élevée en conséquence, entraînée par le climat. Il est donc impératif d'étudier les variations spatiales des jours condensateurs. La figure 2 présente la même chose pour différentes subdivisions météorologiques homogènes sur l'Inde. Le rôle de la forte variabilité spatiale des précipitations et de l'ET dans les différentes zones est très clair à partir du jour du début de la période de condensateur dans les différentes zones lorsque l'ET dépasse les précipitations. Nous constatons que les jours de condensateur varient généralement entre 145 et 245 jours. Nous avons exclu deux régions de notre analyse, à savoir le Jammu-et-Cachemire et les régions vallonnées du nord-est. Ces deux régions ne disposent pas d'un réseau pluviométrique bien réparti. Par conséquent, le produit quadrillé peut avoir des problèmes de qualité. L'Inde du Nord, l'Inde centrale et la zone occidentale ont plus de 200 jours de condensateur. L'Inde du Nord et l'Inde centrale sont les points chauds mondiaux pour les rétroactions terre-atmosphère39. Par conséquent, l'effet de condensateur d'humidité du sol-végétation peut avoir des implications importantes sur le cycle de l'eau dans ces régions. Il est à noter que la zone centrale manque de période pré-condensateur en raison du retrait soudain de l'ISMR après septembre, réduisant les précipitations dans la région et d'un taux d'évapotranspiration post-mousson élevé. La zone sud de l'Inde reçoit la majorité de ses précipitations pendant la saison de la mousson du nord-est et son impact sur les interactions terre-atmosphère est visible depuis le début retardé de la période de condensateur. Cependant, étant donné que la saison de la mousson du nord-est confond la phase de retrait ISMR, une période de réponse retardée ou période pré-condensateur n'a pas pu être définie pour la zone sud. La zone nord-est riche en humidité et la zone des Ghâts occidentaux, qui reçoivent plusieurs épisodes de pluie au cours de l'année, ont une période de condensateur plus courte. Cependant, étant tous deux riches en biodiversité61 et les Ghâts occidentaux étant l'un des huit points chauds de biodiversité les plus chauds au monde48, le rôle du continuum sol-végétation dans le maintien des interactions terre-atmosphère pendant les mois secs est crucial. Il a également été rapporté dans la région des Ghâts occidentaux que la végétation joue un rôle crucial aux échelles de temps intra-saisonnières58. Nous constatons que de tels effets de condensateur continuent même pendant les périodes sèches et maintiennent les interactions terre-atmosphère.

Variabilité spatiale des jours de condensateur dans différentes subdivisions météorologiques homogènes en Inde (climatologie pour la période 2001 à 2015). Les régions ombrées en jaune, hachurées et grises correspondent respectivement à la période de réponse retardée, à la période de pré-condensateur et à la période de condensateur. Les parcelles sont préparées dans Origin 2018.

Les données satellitaires sur l'humidité du sol ne fournissent aucune information sur l'humidité du sol dans la zone racinaire. Par conséquent, nous ne pouvons pas utiliser ces données pour comprendre le rôle de l'humidité du sol dans la capacité sol-végétation. Ici, nous avons effectué une simulation hydrologique avec le modèle Variable Infiltration Capacity (VIC) pour estimer l'humidité du sol dans la zone racinaire (détails dans les méthodes). Le modèle considère 3 couches de sol. La couche supérieure s'étend de la surface jusqu'à 0,3 m de profondeur. L'épaisseur des couches médiane et inférieure est approximativement de l'ordre de 1 m à 2,5 m et 0,2 m, respectivement. Pour la majorité des cultures, la zone racinaire se situe dans la 2ème couche de sol. La 3ème couche représente une couche de sol plus profonde. Le VIC peut simuler l'ET et l'humidité du sol de surface de manière satisfaisante, en moyenne sur l'Inde, comme le montre la Fig. 1 supplémentaire. couche supérieure de cm de profondeur, et les estimations par satellite sont inférieures à 5 cm. La climatologie simulée des composantes de l'ET et de l'humidité du sol pour différentes couches est présentée à la Fig. 3. Les schémas simulés suivent également de près les observations, la transpiration contribuant au pic retardé de l'ET. L'évaporation du sol chute un peu tôt dans les simulations. Nous utilisons la même approche que sur la figure 1 pour identifier les jours de condensateur. Dans la simulation, nous trouvons que le nombre de jours de condensateur est d'environ 110, en accord avec les observations. Nous constatons également que l'humidité du sol simulée de la couche 2 commence à diminuer plus rapidement pendant la période de condensateur. Comme la couche 2 représente la zone racinaire, nous concluons que l'humidité du sol participe activement au maintien de l'ET et d'autres processus de végétation, se décomposant ainsi plus rapidement. L'humidité du sol de la zone racinaire qui est alimentée par les précipitations pendant la mousson, la période de réponse différée et la période de pré-condensateur sont ensuite utilisées par la végétation pour maintenir les interactions terre-atmosphère. Nous avons en outre observé une corrélation de 0,63 entre la perte totale par évapotranspiration pendant la période de condensateur et l'humidité disponible du sol (somme des couches 1 et 2) au début de la période de condensateur. L'humidité du sol dans la couche profonde varie beaucoup moins avec des variations saisonnières limitées. Les parcelles régionales similaires à la Fig. 3 sont présentées dans les Figs supplémentaires. 2–7.

Climatologie de (a) Précipitations observées (b) Teneur en eau simulée par le VIC dans différentes couches de sol, (c) Evapotranspiration totale simulée par le VIC et ses composantes pour la période 2001 à 2015. Les régions ombrées en jaune, hachurées et grises correspondent à la période de réponse différée , période de pré-condensateur et période de condensateur, respectivement. Les parcelles sont préparées dans Origin 2018.

VIC simule des variations spatiales presque similaires dans toutes les régions avec une période de condensateur variant de 133 à 246 jours. VIC sous-estime le nombre de jours de condensateur pour les Ghâts occidentaux, ce qui pourrait être attribué au terrain vallonné de la région qui n'est pas correctement représenté dans le modèle. Cependant, les contrastes régionaux sont bien représentés et le rôle de l'humidité du sol dans la zone racinaire est nettement visible dans toutes les régions. Des épuisements plus importants de l'humidité du sol dans la zone racinaire ont été observés dans les zones nord et centrale, soulignant la dépendance de la végétation dans ces zones à l'absorption d'eau par les racines. Ces deux zones étant des points chauds mondiaux des rétroactions terre-atmosphère amplifie encore sa pertinence. Les zones des Ghâts occidentaux et du nord-est, qui reçoivent des précipitations pendant la saison de pré-mousson, connaissent des périodes de condensateur plus courtes, et donc moins d'épuisement de l'humidité du sol de la zone racinaire. La zone occidentale avec de vastes zones sous désert ou une végétation rare montre également un taux plus faible d'épuisement de l'humidité du sol de la zone racinaire.

Après le pic de la mousson, le retrait et le retrait ultérieur de la mousson se traduisent par des conditions de ciel clair avec un rayonnement de surface accru. Pendant la période de réponse différée, un rayonnement élevé avec un stockage d'eau accru dans le continuum sol-plante entraîne une augmentation de la GPP de 15 % par rapport à sa valeur au début de la période avec une absorption plus rapide du CO262 atmosphérique (Fig. 4b). Nous avons trouvé un résultat similaire en utilisant la variable Rayonnement Photosynthétiquement Actif (PAR, Fig. 4a). Pendant les périodes de pré-condensateur et de condensateur, le GPP diminue en raison d'une réduction des précipitations. Ceci est attendu car les précipitations sont le facteur climatique le plus dominant de la GPP63. Cependant, la végétation continue d'absorber du carbone même pendant la période de condensateur de déficit de précipitations, ce qui entraîne une croissance de la GPP au cours de cette période, représentant environ 35 % de la GPP annuelle totale. Notamment, les précipitations au cours de cette période ne représentent que 12% de son total annuel. Après une analyse plus approfondie (Fig. 4c), nous avons observé que le GPP pendant la période du condensateur présente une forte corrélation d'environ 0, 6 avec l'humidité du sol au début de cette période. Nous avons considéré la somme de l'humidité du sol des couches supérieure et intermédiaire au début de la période du condensateur pour cette estimation de corrélation. Nous en déduisons que le GPP est soutenu pendant cette période par l'humidité du sol stockée générée par les précipitations pendant la mousson, la réponse retardée et les périodes de pré-condensateur. En mettant en évidence le rôle du continuum humidité du sol-végétation sur les interactions terre-atmosphère, notre étude souligne sa capacité à agir comme un tampon pour stocker l'eau sur terre même après la baisse des précipitations de mousson, puis l'utiliser pendant les périodes sèches. Des études mondiales suggèrent également le rôle de l'humidité du sol dans le contrôle de la variabilité de l'absorption de carbone3 ; cependant, de telles analyses n'ont pas été effectuées dans le contexte actuel. Les précipitations pendant les jours de condensateur ont également une forte corrélation de 0,7 avec GPP. Cependant, les précipitations totales ne suffisent pas à répondre aux besoins en eau de la plante (Fig. 1), car ET (la perte d'eau du sol) est supérieure aux précipitations (apport d'eau au sol). Ce bilan hydrique met davantage en évidence le rôle de l'humidité du sol dans le maintien de la GPP.

(a) Climatologie du rayonnement photosynthétiquement actif (PAR) et du rayonnement à ondes courtes de surface vers le bas (SWR de surface) pour 2001 à 2015. (b) Climatologie du GPP pour 2001 à 2015. Les régions ombrées en jaune, hachurées et grises correspondent à la période de réponse retardée , période de pré-condensateur et période de condensateur, respectivement. (c) Association entre l'humidité du sol au début de la période du condensateur et la GPP totale générée au cours de la période. Une corrélation linéaire de 0,57 (statistiquement significative à p = 0,05) est observée entre les deux variables. Les parcelles sont préparées dans Origin 2018.

L'analyse régionale des GPP dans différentes subdivisions météorologiques homogènes avec leur couverture végétale variée est cohérente et similaire à celles observées pour la masse continentale indienne (Fig. 8 supplémentaire). Cependant, la climatologie du GPP varie d'une subdivision à l'autre en fonction de ses caractéristiques météorologiques et de la végétation. Les zones des Ghâts du Nord-Est et de l'Ouest sont riches en végétation avec de vastes couvertures forestières. Le GPP sur ces régions se maintient assez bien pendant la période du condensateur, avec une légère baisse suivie d'une reprise. Cependant, les régions du nord, du centre et de l'ouest connaissent un GPP très faible à la fin de la période de condensateur, bien que des périodes de GPP stable/en augmentation soient visibles dans les zones du nord et de l'ouest, ce qui pourrait être attribué à l'influence des perturbations de l'ouest64 et de l'agriculture respectivement, dans les deux régions. Il est également intéressant de noter que le pic GPP dans la zone sud coïncide presque avec le début de la période de condensateur, ce qui indique une forte dépendance du GPP aux précipitations dans la région. L'autre raison derrière les variations spatiales des modèles GPP à travers les subdivisions est les variations du rayonnement à ondes courtes vers le bas de la surface, comme illustré dans la Fig. 9 supplémentaire. avec l'humidité du sol au début de la période de condensateur le conduisant à travers la masse continentale indienne. L'analyse de corrélation au niveau zonal de la période du condensateur GPP et de l'humidité initiale du sol renforce encore cet argument (Fig. 10 supplémentaire). Le rôle de l'humidité initiale du sol sur la période du condensateur GPP est important dans toutes les subdivisions avec des corrélations statistiquement significatives.

La masse continentale indienne est connue pour être l'un des points chauds mondiaux de l'atmosphère terrestre39,57, encore augmentée par une irrigation élevée. Bien que les études de rétroaction terre-atmosphère mettent en évidence le rôle de l'ET dans le maintien du retrait de la mousson, il y a un manque d'analyse sur la compréhension des processus soutenant l'ET et la productivité des plantes après la mousson et la principale saison de culture. Nous avons exploré la même chose dans le présent travail, qui est unique et non rapporté dans la littérature au meilleur de notre connaissance. Nous avons constaté que l'eau stockée par le continuum sol-plante détermine le cycle de l'eau terrestre après la mousson en Inde. Cette eau stockée soutient les besoins de la plante pour le reste de l'année pendant les périodes de précipitations réduites. La capacité du continuum sol-plante maintient l'ET, la productivité et la rétroaction terre-atmosphère en exploitant cette capacité de stockage de l'eau.

Nos résultats expliquent non seulement la productivité de la végétation post-mousson en Inde, mais peuvent également fournir la base pour comprendre la productivité des plantes de saison sèche dans d'autres régions de mousson telles que l'Australie, l'Amérique du Sud et l'Afrique. Les implications de ces processus pour les rétroactions globales terre-atmosphère, le cycle du carbone et les réponses de la végétation dans un monde qui se réchauffe ne peuvent guère être surestimées. Les régions de mousson tropicales absorbent une part importante du CO2 atmosphérique. La littérature antérieure2,3 a indiqué le rôle de l'humidité du sol et du stockage total de l'eau dans le contrôle de la variabilité de l'absorption de carbone par les plantes. Nos travaux renforcent encore l'hypothèse sur le rôle du stockage de l'eau sur la productivité des plantes. Le présent travail sera étendu aux régions mondiales de la mousson pour déterminer la capacité d'humidité du continuum sol-plante et le stockage associé pour l'eau et le rôle qu'ils jouent dans l'absorption de carbone terrestre.

L'une des principales mises en garde de l'étude actuelle découle du manque d'observations hydrologiques continues de l'humidité du sol et de l'évapotranspiration dans la région. L'humidité du sol basée sur les satellites ne représente que les quelques centimètres supérieurs du sol, ce qui pourrait ne pas être en mesure d'assurer l'échange d'eau entre les couches et dans l'atmosphère à travers la végétation. De plus, l'algorithme GLEAM ne considère que l'humidité du sol de la couche supérieure pour le calcul des flux ET, négligeant ainsi le rôle de l'irrigation et de l'interaction de la végétation avec l'atmosphère. De tels processus ne peuvent être négligés pour la région d'étude avec de vastes zones sous irrigation. De plus, les validations du produit d'humidité du sol AMSRE-SMOS et des produits GLEAM sont insuffisantes en raison du manque de stations d'observation en Inde. L'autre limite majeure de l'étude provient du produit MODIS GPP qui ne tient pas compte de la fertilisation carbonée. Par conséquent, de vastes stations d'observation réparties dans l'espace et des tours de flux sont nécessaires pour capturer avec précision les variables hydrologiques et de végétation pendant une longue période. Le modèle VIC utilisé dans la présente étude ne prend pas non plus en compte l'impact de l'irrigation ou de la variabilité de la végétation, qui sont cruciaux pour la région d'étude avec une hétérogénéité de végétation étendue et un système agricole dépendant de l'irrigation65. Par conséquent, les travaux futurs doivent viser à comprendre l'impact de l'irrigation et de la végétation variable sur la période de condensateur d'une région ainsi que la variabilité régionale. L'effet condensateur humidité du sol-végétation est une découverte solide qui met en évidence les données nécessaires pour quantifier davantage son impact sur le climat physique et le cycle du carbone.

En mettant en évidence le rôle du continuum humidité du sol-végétation sur les interactions terre-atmosphère, notre étude souligne sa capacité à agir comme un tampon pour stocker l'eau sur terre même après la baisse des précipitations de mousson, puis l'utiliser pendant les périodes sèches. Par conséquent, le rôle de la végétation dans le maintien de l'apport d'humidité à l'atmosphère est essentiel. La propriété de condensateur de la végétation dépend du climat de la région et des types et distributions de végétation, comme en témoigne sa variabilité entre 145 et 245 jours dans les différentes zones climatiques de l'Inde. Nous avons montré que l'effet capacitif de la végétation entraîne probablement des rétroactions atmosphériques terrestres plus fortes dans certaines de ces régions. Les études de modélisation confirment en outre la propriété capacitive de la végétation indienne, qui est renforcée par la teneur en humidité dans la zone racinaire.

Étant donné que l'Inde est le 2ème contributeur le plus important au récent verdissement mondial, nous constatons que le rôle des jours de condensateur dans la compréhension du potentiel de séquestration du carbone de la terre est énorme, en particulier en tant que contributeur supplémentaire aux contributions déterminées au niveau national ainsi que pour améliorer la santé des sols. et les rendements des cultures. Nos résultats appellent également l'analyse des propriétés de capacité d'humidité de la végétation sur les autres régions de mousson, telles que la forêt amazonienne en Amérique du Sud. Enfin, la forte association entre l'eau et le cycle du carbone sur l'Inde appelle à des interactions plus fortes entre les communautés scientifiques hydrologiques et biogéochimiques en vue de développer des modèles régionaux de surface terrestre pour l'Asie du Sud.

Les données maillées sur les précipitations de l'IMD, les données combinées d'humidité du sol AMSRE-SMOS et les flux ET de GLEAM ont d'abord été extraites et moyennées spatialement pour déterminer la climatologie de la masse continentale indienne. Pour comprendre la variabilité spatiale de la réponse ET, nous avons considéré la moyenne spatiale sur les régions météorologiquement homogènes en Inde66. Le modèle de capacité d'infiltration variable (VIC) a été utilisé pour modéliser l'interaction des couches de sol plus profondes sur ET. VIC est un modèle hydrologique semi-distribué à méso-échelle. Il intègre des équations de bilan hydrique et énergétique sur des grilles discrètes67. Le VIC peut calculer les flux terrestres et atmosphériques en fonction du bilan hydrique et énergétique à des pas de temps quotidiens/infrajournaliers. Dans l'étude actuelle, VIC est exécuté à une échelle de temps quotidienne avec une taille de grille de 0,5° × 0,5°. Les entrées météorologiques pour les précipitations, les températures maximales et minimales sont obtenues à partir de l'IMD. La vitesse du vent est obtenue à partir de la réanalyse ERA Interim. Les différentes entrées météorologiques sont ensuite converties à la résolution de la grille du modèle. Les fichiers d'entrée météorologiques par grille, y compris les séries chronologiques quotidiennes des trois variables d'entrée, sont fournis comme entrée pour la simulation VIC. Chaque cellule de la grille du VIC est divisée en tuiles plus petites, couvertes par différents types de couverture terrestre pour tenir compte de l'hétérogénéité de la sous-grille. La variation des types de végétation dans chaque grille et leur distribution racinaire sont représentées dans le fichier de paramètres de végétation développé à partir de la carte Land Use Land Cover (LULC) fournie par MODIS (MCD12Q1)68 selon la classification du Programme international géosphère-biosphère (IGBP). Les paramètres de végétation pour les différents types de végétation utilisés dans VIC sont fournis dans le fichier de bibliothèque de végétation. Ici, nous avons obtenu la climatologie des propriétés de la végétation en utilisant les valeurs de l'indice de surface foliaire (LAI) obtenues à partir du satellite MODIS Terra (MOD15A2H)69. Nous avons utilisé l'albédo du produit MODIS MCD43A370 et la fraction de la couverture végétale dérivée du produit MODIS de l'indice de végétation par différence normalisée (NDVI) MOD13Q171 sur la base d'une relation linéaire72. Les propriétés du sol sont considérées comme étant les mêmes dans chaque cellule de la grille. Le fichier de paramètres de sol, spécifiant les propriétés du sol, est développé à partir du fichier de paramètres de sol global fourni avec le modèle VIC basé sur la carte des sols de la Food and Agricultural Organization. VIC est adapté pour étudier la variation de la capacité d'humidité du sol au niveau de la sous-grille, la récession non linéaire du débit de base et la topographie. Dans la présente étude, nous considérons 3 couches de sol. Alors que des paramètres de capacité d'infiltration variables contrôlent l'infiltration dans le sol supérieur, la perte d'humidité des couches supérieures vers l'atmosphère est principalement favorisée par l'évaporation du sol. L'évapotranspiration potentielle est calculée à l'aide de l'équation de Penman-Monteith en la considérant comme une fonction du déficit de pression de vapeur et du rayonnement net. L'interception des précipitations par la canopée est calculée en fonction du LAI. Le calcul du ruissellement est basé sur la couche inférieure. L'un des principaux inconvénients du modèle VIC est qu'il ne prend pas en compte l'écoulement inter-réseau sans canal et que l'eau ne peut entrer dans une cellule de grille qu'à partir de l'atmosphère. Tous les chiffres du manuscrit ont été tracés à l'aide d'Origin 2018 après avoir appliqué une moyenne de fenêtre mobile de sept jours. Le coefficient de corrélation de Pearson entre le GPP total et l'humidité du sol au début de la période du condensateur est déterminé dans MATLab 2020.

Les données maillées sur les précipitations et les températures fournies par l'IMD sont disponibles sur le site Web de l'IMD (https://www.imdpune.gov.in/Clim_Pred_LRF_New/Grided_Data_Download.html). Les produits d'évapotranspiration du modèle GLEAM sont disponibles sur le site Web du modèle (https://www.gleam.eu/). Le produit de recherche terrestre de niveau 4 SMOS combinant l'humidité du sol SMOS et AMSRE peut être téléchargé à partir du site Web du Centre Aval de Traitement des Données SMOS (CATDS), qui est le segment terrestre français pour les données SMOS de niveau 3 et 4 (https://www.catds. fr/Products/Available-products-from-CEC-SM/L4-Land-research-products). Les différents produits terrestres des satellites MODIS peuvent être obtenus auprès du Land Processes Distributed Active Archive Center (LP DAAC) (https://lpdaac.usgs.gov/). Les simulations VIC seront mises à disposition. Les données de rayonnement CERES peuvent être téléchargées à partir du site Web de CERES (https://ceres.larc.nasa.gov/data/).

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Le travail est soutenu financièrement par le programme de bourses Swarnajayanti du Département des sciences et de la technologie, par le biais du projet no. DST/SJF/E&ASA-01/2018-19 ; SB/SJF/2019-20/11, et programmes stratégiques, grandes initiatives et facilitateur d'action coordonnée (SPLICE) et programme sur le changement climatique par le biais du projet n°. DST/CCP/CoE/140/2018. SG remercie le professeur Sonia I Seneviratne de l'ETH, Zurich pour une discussion technique. RM tient à remercier le poste de professeur invité à l'IIT Bombay et le poste de professeur émérite à l'UMD. Les auteurs remercient sincèrement l'éditeur et les relecteurs pour leurs commentaires constructifs.

Département de génie civil, Indian Institute of Technology Bombay, Powai, Mumbai, 400076, Inde

Dawn E. Sebastian et Subimal Ghosh

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Aube E. Sebastian

Centre interdisciplinaire des sciences du système terrestre (ESSIC)/DOAS, Université du Maryland, College Park, MD, États-Unis

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Programme interdisciplinaire d'études climatiques, Indian Institute of Technology Bombay, Powai, Mumbai, 400076, Inde

Raghu Murtugudde & Subimal Ghosh

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SG et RM ont conçu l'idée et conçu le problème. DES a effectué l'analyse avec la contribution de SGSG et DES a analysé les résultats. SG et DES ont rédigé l'article. RM a examiné le manuscrit.

Correspondance à Subimal Ghosh.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Sebastian, DE, Murtugudde, R. & Ghosh, S. Le condensateur d'humidité sol-végétation maintient la productivité de la végétation en saison sèche en Inde. Sci Rep 13, 888 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27277-6

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Reçu : 04 octobre 2022

Accepté : 29 décembre 2022

Publié: 17 janvier 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-27277-6

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Climatologie théorique et appliquée (2023)

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