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Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 888 (2023) Citar este artículo

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India recibe más del 70% de su precipitación anual en el monzón de verano de junio a septiembre. Las precipitaciones son escasas y dispersas durante el resto del año. Combinando datos satelitales y simulaciones de modelos, mostramos que el continuo suelo-vegetación funciona como un condensador natural de agua, almacenando el pulso del monzón y liberando la humedad a la atmósfera a través de la evapotranspiración durante aproximadamente 135 días cuando el suministro de humedad de la precipitación es menor que el pérdidas por evapotranspiración. La Productividad Primaria Bruta total de la vegetación en la India durante el período de condensador representa casi el 35% del valor total anual de GPP. Depende principalmente de la humedad del suelo al comienzo del período, una medida de la capacidad de humedad del suelo, con una correlación de 0,6. Dado que India es el segundo mayor contribuyente a la reciente ecologización global, la capacidad de agua de su suelo y vegetación juega un papel importante en el balance global de carbono.

La retroalimentación de la tierra a la atmósfera es impulsada por la evapotranspiración (ET) que conecta los ciclos del agua, la energía y el carbono. Aproximadamente el 64% de la ET global proviene de la transpiración de la vegetación1. Por lo tanto, la transpiración de la vegetación juega un papel vital en el componente atmosférico del ciclo hidrológico. Los procesos biofísicos en la vegetación que alteran la transpiración también controlan los intercambios de dióxido de carbono tierra-atmósfera2,3. Por lo tanto, la ramificación de los cambios biofísicos en la vegetación puede impactar sustancialmente el clima global y regional4. Los estudios muestran una fuerte influencia de variables climáticas como la precipitación, la temperatura, el almacenamiento total de agua en la tierra y la radiación en el crecimiento y la productividad de la vegetación5,6. Al mismo tiempo, los bosques antiguos y diversos, independientemente del tipo de vegetación, juegan un papel importante en la amortiguación de los impactos de la variabilidad climática en los ciclos hidrológico y del carbono7.

La vegetación tiene una retroalimentación muy fuerte con los procesos atmosféricos8,9,10,11 e hidrológicos12 y desempeñará un papel importante en la trayectoria futura del sistema terrestre13. Los cambios en los patrones de vegetación influyen en la producción de agua, especialmente los caudales bajos, ya que pueden alterar las tasas de infiltración y, en consecuencia, la humedad del suelo y el almacenamiento de agua subterránea14. El agua subterránea puede mejorar la persistencia plurianual de las lluvias al mantener la evapotranspiración durante un período de tiempo prolongado15. Las plantas pueden mejorar la disponibilidad de agua en el futuro debido a la disminución de la transpiración resultante del cierre estomático relativamente temprano a concentraciones más altas de CO2 y un aumento en la humedad del suelo16,17,18. Sin embargo, estudios recientes también muestran que las temporadas de crecimiento más largas con áreas foliares crecientes debido a la fertilización con CO2 y una mayor demanda de evaporación de la atmósfera debido al calentamiento pueden aumentar la evapotranspiración11,12,19,20,21. Si bien la humedad del suelo en la zona de las raíces puede actuar como un factor limitante para la evapotranspiración22, la vegetación de raíces profundas puede absorber agua de las capas más profundas del suelo para compensar las deficiencias de agua en las capas superiores del suelo, manteniendo así la evapotranspiración23. En la región monzónica de América del Norte, el control de la humedad del suelo sobre la evapotranspiración evoluciona con los cambios en la vegetación y su fenología24. El papel del continuo suelo-vegetación en la conducción de la evapotranspiración es muy significativo en el contexto de la insuficiencia de los Modelos del Sistema Terrestre (ESM) para capturar el acoplamiento entre la humedad del suelo y la evapotranspiración25,26,27,28. Los ESM actuales intentan capturar los diversos procesos que controlan las interacciones tierra-atmósfera29 con la ayuda de sofisticados mecanismos de acoplamiento asistidos por la observación; sin embargo, aún no logran llegar a un consenso30,31,32. La gran dispersión entre los ESM en el modelado de estas interacciones surge debido a las complejas interacciones y retroalimentaciones entre los diferentes componentes del sistema terrestre33,34. Esto resalta la necesidad de monitorear con precisión estos acoplamientos entre los diferentes elementos; especialmente un proceso crítico como ET.

Las lluvias monzónicas de verano de la India (ISMR, por sus siglas en inglés) se extienden durante cuatro meses, de junio a septiembre, y contribuyen a casi el 80 % de la precipitación anual total en el país, al tiempo que muestran una variabilidad espacial y temporal muy alta35,36. Como es de esperar, las precipitaciones afectan el crecimiento y la distribución de la vegetación en la región37. Con una superficie geográfica total de más de 3,2 millones de km2, India cuenta con una extensa cubierta vegetal: casi un 21 % de superficie boscosa y un 59 % de suelo agrícola38. Los otros tipos de vegetación son arbustos, pastizales y humedales38. La llanura Indo-Gangética y la India central, dominadas por tierras de cultivo, se consideran puntos críticos globales de retroalimentación tierra-atmósfera39. Una posible disminución de la evapotranspiración y el reciclaje de precipitaciones asociado debido a la posible deforestación en la India pueden debilitar el ISMR40. La vegetación también tiene una retroalimentación significativa sobre el inicio y la cantidad de lluvia durante la temporada de monzones de verano en las partes nororientales de la India41,42.

El ciclo del agua terrestre está fuertemente conectado con el ciclo del carbono y juega un papel importante en el control de la absorción de carbono por parte de las plantas. Los bosques tropicales pueden mitigar los efectos del calentamiento global, tanto a través de la absorción de carbono como del enfriamiento por evaporación43. Globalmente, la vegetación terrestre absorbe el 30% del CO244 atmosférico y, por lo tanto, su impacto en la dinámica de la humedad del suelo y la retroalimentación a su vez en la productividad primaria bruta son procesos críticos. Al ser el segundo mayor contribuyente a la reciente ecologización mundial, India desempeña un papel importante en la absorción de carbono terrestre45. Dadas las fuertes retroalimentaciones de la biosfera en la región del monzón46 y la enorme variabilidad espacial y temporal asociada con ISMR36,47, es imperativo realizar un análisis del papel de la vegetación en el ciclo del agua y su impacto en la absorción de CO2. India tiene dos de los ocho hotspots de biodiversidad más calientes del mundo48, que son bosques naturales. Además, una fracción significativa de las tierras de cultivo indias también es de secano49. Con un fuerte patrón de precipitaciones estacionales, la sostenibilidad de la agricultura de secano y el sistema forestal durante el período posterior al monzón y otras estaciones secas radica en las características específicas del continuo humedad del suelo de la India-vegetación. Tales características aún no se exploran en la literatura hasta donde sabemos. También se puede esperar que tales propiedades tengan una fuerte implicación para el ciclo global del carbono. Aquí, nuestro objetivo es comprender lo mismo analizando las variables hidrológicas observadas y simuladas y los datos observados de Productividad Primaria Bruta (GPP) en India.

Hemos empleado los datos de precipitación cuadriculados diarios desarrollados a partir de datos de estaciones observadas50 por el Departamento Meteorológico de la India (IMD) desde 1901 en adelante. Además, hemos obtenido los datos de humedad del suelo de la Agencia Espacial Europea (ESA). El producto combina datos de Soil Moisture and Salinity Mission (SMOS) para el período posterior a 2010 con datos de Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS (AMSRE) de 2003 a 2010 utilizando redes neuronales51, proporcionando así un conjunto de datos continuo desde 2003 en adelante. Este producto fue desarrollado para incluir datos de humedad del suelo SMOS basados ​​en banda L en el conjunto de datos ESA CCI SM. Los productos SMOS se incluyeron más tarde en la humedad del suelo ESA CCI de v03.2 que se lanzó en 2017. Hemos utilizado los datos para la evapotranspiración y sus dos componentes, a saber, la evaporación del suelo y la transpiración, evaluados por el Modelo de Ámsterdam de evaporación global de la tierra ( GLEAM), versión 3. GLEAM utiliza mediciones globales, productos de datos satelitales y productos de reanálisis para desarrollar los diferentes componentes de ET con una resolución espacial de 0,25° × 0,25°52,53 desde 1980 hasta 2015. También hemos utilizado el modelo de capacidad de infiltración variable (detalles en Métodos) para simulaciones experimentales en la región de estudio para identificar los factores plausibles que impulsan la variabilidad de la evapotranspiración en la India. Los valores diarios de radiación de onda corta hacia abajo en la superficie y de radiación fotosintéticamente activa proporcionados por el Sistema de Energía Radiante de la Tierra y las Nubes (CERES) se emplean en el estudio para el período de 2001 a 2015. Este producto incorpora flujos de satélites geoestacionarios para tener en cuenta las variaciones de flujo diurno regional entre las mediciones de los satélites Terra y Aqua CERES54,55. El producto de productividad primaria bruta (GPP) de 8 días (MOD17A2H) a una resolución espacial de 500 m del espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada (MODIS) a bordo del satélite Terra56 se emplea luego para comprender la asociación entre los flujos hidrológicos y el ciclo del carbono en la región para el período 2001 a 2015.

La Figura 1a presenta la climatología de la precipitación observada promediada en la India. Alcanza su punto máximo durante la primera quincena de agosto y comienza a retirarse en septiembre. La Figura 1b muestra la climatología de la humedad superficial del suelo, que sigue el mismo patrón que la precipitación. Se espera este comportamiento porque la humedad del suelo satelital considera solo los pocos centímetros superiores del suelo, impulsada principalmente por la precipitación. La Figura 1c presenta la climatología de la ET y sus componentes promediados en la India y muestra que la ET continúa aumentando durante la fase de retiro del monzón. Sin embargo, la evaporación del suelo comienza a disminuir inmediatamente después del pico del monzón y sigue la climatología de la precipitación y la humedad superficial del suelo. La transpiración de la vegetación impulsa el aumento de ET durante el retroceso del monzón (Fig. 1c). Cabe señalar que la alta ET durante la retirada del monzón es un importante contribuyente a la carga de humedad atmosférica47,57 sobre el subcontinente indio. Por lo tanto, el papel de la vegetación en el mantenimiento del ciclo del agua durante la retirada del monzón es sorprendentemente grande. Aquí, también pretendemos comprender el papel de la vegetación en el mantenimiento de las interacciones tierra-atmósfera durante los períodos más secos y no lluviosos. La capacidad de la vegetación para almacenar agua durante períodos de alta precipitación y liberar esa agua a la atmósfera durante períodos más secos se denomina capacidad de humedad58. Definimos tres períodos después del pico de precipitación monzónica en función de la climatología de la precipitación y la ET. Aquí, consideramos la climatología para evitar la variabilidad de baja frecuencia asociada con los diferentes componentes del ciclo del agua dentro de un año. El primer período (sombreado en amarillo) entre los picos de precipitación y la ET total se denomina período de respuesta retardada. Durante este período, el aumento de la ET total y la transpiración se produce debido a la alta disponibilidad de humedad, el suministro de humedad de la precipitación y la radiación. El retraso aquí se refiere al pico retrasado en el tiempo de ET con respecto al de la precipitación. La ET diaria promedio experimenta un incremento de casi el 13 % durante este período a pesar de una disminución del 55 % en la precipitación desde su valor máximo. Sin embargo, este período tiene un excedente de humedad debido a que la precipitación en este período es superior a la ET. Los estudios han demostrado que los cambios estacionales en las actividades de la vegetación y los procesos de retroalimentación en la región de la India están controlados principalmente por la radiación y la precipitación59,60. Por lo tanto, el aumento de ET en este período se puede atribuir a la alta radiación y destaca el papel de la radiación en la conducción de los procesos de la planta durante una condición de exceso de humedad. La precipitación durante este período representa casi el 28% de la precipitación total anual, mientras que la ET es aproximadamente el 20% de la ET total anual. La radiación entrante promedio diaria es el 97% de su promedio diario anual, satisfaciendo las demandas de la planta. El período de respuesta demorada dura aproximadamente 50 días cuando se promedia espacialmente sobre la masa continental de la India. El segundo período (sombreado en cifras) es el intervalo de tiempo durante el cual la ET cae desde su punto máximo y la precipitación aún supera a la ET. Lo definimos como el período pre-condensador. El período previo al condensador, que se extiende durante aproximadamente 50 días (según la climatología de los medios espaciales), presencia una caída tanto en la tasa de precipitación (57 %) como en la radiación (18 %), lo que lleva a una disminución de la ET (33 %). , desde el inicio del período de precondensador. Sin embargo, la disminución de la ET es más lenta que la de la precipitación. La ET total durante el período previo al condensador representa aproximadamente el 17 % de la ET anual total frente a una entrada de precipitación del 12 % de la precipitación anual total. El tercer período, es decir, el período del condensador (sombreado en gris en las figuras), es la fase durante la cual la ET es mayor que la precipitación. Si bien tanto la precipitación como las tasas de ET disminuyen aproximadamente un 29 % cuando se promedian espacialmente en la masa continental de la India, la ET durante el período de condensador representa casi el 25 % de la ET anual total, que se debe principalmente a la transpiración (27 % de la transpiración anual total). La precipitación durante el período del condensador representa solo el 12% de la precipitación anual total. Intuitivamente, no se puede esperar que la ET y los procesos asociados de la planta se mantengan en una condición de limitación de agua debido a la baja precipitación en este período. Si bien factores como la temperatura de la superficie, la radiación y la velocidad del viento juegan un papel importante en la determinación de la ET, el estudio actual no los considera explícitamente. Sin embargo, la definición de período del capacitor considera implícitamente los factores causales; por ejemplo, la radiación comienza a aumentar después de la retirada del monzón, que es el comienzo típico del período del condensador. El viento también cambia de dirección con la transición de la estación. Por lo tanto, para un clima estacional, los factores causales están integrados en la definición del período del condensador. Nuestra hipótesis es que los procesos de ET durante este período son sostenidos por el continuo suelo-vegetación. El suelo y la vegetación reciben humedad durante el monzón, el período de respuesta retardada y el período de precondensador. La humedad almacenada se libera a la atmósfera durante el período de condensador relativamente seco y apoya las actividades de la planta. Por lo tanto, el suelo y la vegetación pueden actuar como condensadores en el ciclo del agua del monzón indio. Encontramos que los días de condensador (sombreados en gris en la Fig. 1) generalmente se extienden por ~ 135 días cuando se promedian espacialmente en India (Fig. 1c).

Climatología de las variables observadas: (a) Precipitación, (b) Humedad del suelo superficial, (c) Evapotranspiración y sus componentes para el período 2001 a 2015. Las regiones sombreadas en amarillo, sombreado y gris corresponden al período de respuesta retardada, período pre-capacitor y período del capacitor, respectivamente. Las tramas se preparan en Origen 2018.

ISMR tiene una variabilidad espacial muy alta con aproximadamente 300 mm de lluvia sobre el desierto del noroeste y 3000 mm en el noreste de India y los Ghats occidentales. Existe una diversidad ecológica correspondientemente alta impulsada por el clima. Por lo tanto, es imperativo estudiar las variaciones espaciales en los días del capacitor. La Figura 2 presenta lo mismo para diferentes subdivisiones meteorológicas homogéneas sobre la India. El papel de la alta variabilidad espacial de la precipitación y la ET en las diferentes zonas es muy claro desde el día del inicio del período del capacitor en las diferentes zonas cuando la ET excede la precipitación. Encontramos que los días del capacitor típicamente varían entre 145 y 245 días. Hemos excluido dos regiones de nuestro análisis, a saber, Jammu y Cachemira y las regiones montañosas del noreste. Estas dos regiones no cuentan con una red de pluviómetros bien distribuida. Por lo tanto, el producto cuadriculado puede tener problemas de calidad. El norte de la India, el centro de la India y la zona occidental tienen días de condensadores de más de 200. El norte de la India y el centro de la India son los puntos críticos globales para las retroalimentaciones tierra-atmósfera39. Por lo tanto, el efecto condensador de humedad del suelo-vegetación puede tener implicaciones significativas en el ciclo del agua en estas regiones. Cabe señalar que la zona Central carece de un período de precondensador debido a la retirada repentina de ISMR después de septiembre, lo que reduce la precipitación en la región y una alta tasa de evapotranspiración postmonzónica. La zona sur de la India recibe la mayoría de sus precipitaciones durante la temporada del monzón del noreste y su impacto en las interacciones tierra-atmósfera es visible desde el inicio tardío del período del condensador. Sin embargo, dado que la temporada del monzón del noreste confunde la fase de retiro del ISMR, no se pudo definir un período de respuesta retardada o período previo al condensador para la zona sur. La zona nororiental rica en humedad y la zona de los Ghats occidentales, que reciben múltiples períodos de lluvia a lo largo del año, tienen un período de condensador más corto. Sin embargo, dado que ambos son ricos en biodiversidad61 y los Ghats occidentales son uno de los ocho puntos críticos de biodiversidad más calientes del mundo48, el papel del continuo suelo-vegetación en el mantenimiento de las interacciones tierra-atmósfera durante los meses secos es crucial. También se ha informado en la región de los Ghats Occidentales que la vegetación juega un papel crucial en las escalas temporales intraestacionales58. Encontramos que tales efectos de condensadores continúan incluso durante los períodos secos y mantienen las interacciones terrestres y atmosféricas.

Variabilidad espacial de los días de condensador en diferentes subdivisiones meteorológicas homogéneas de la India (climatología para el período 2001 a 2015). Las regiones sombreadas en amarillo, rayadas y grises corresponden al período de respuesta retardada, período previo al capacitor y período del capacitor, respectivamente. Las tramas se preparan en Origen 2018.

Los datos de humedad del suelo obtenidos por satélite no proporcionan ninguna información sobre la humedad del suelo en la zona de las raíces. Por lo tanto, no podemos usar tales datos para comprender el papel de la humedad del suelo en la capacitancia suelo-vegetación. Aquí, hemos realizado una simulación hidrológica con el modelo de Capacidad de Infiltración Variable (VIC) para estimar la humedad del suelo en la zona de raíces (detalles en métodos). El modelo considera 3 capas de suelo. La capa superior se extiende desde la superficie hasta 0,3 m de profundidad. El grosor de las capas media e inferior está aproximadamente en el rango de 1 m a 2,5 m y 0,2 m, respectivamente. Para la mayoría de los cultivos, la zona de raíces se encuentra en la segunda capa de suelo. La tercera capa representa una capa de suelo más profunda. VIC puede simular satisfactoriamente la ET y la humedad del suelo superficial, promediada sobre la India como se ve en la Fig. 1 complementaria. El pico de humedad del suelo de la capa superior se retrasa ligeramente en la simulación en comparación con los datos satelitales que se esperan porque la humedad del suelo simulada es para los 30 capa superior de cm de profundidad, y las estimaciones satelitales son de menos de 5 cm. La climatología simulada de los componentes de ET y la humedad del suelo para las diferentes capas se presentan en la Fig. 3. Los patrones simulados también siguen de cerca las observaciones, con la transpiración contribuyendo al pico retrasado de ET. La evaporación del suelo cae algo al principio de las simulaciones. Usamos el mismo enfoque que en la Fig. 1 para identificar los días del capacitor. En la simulación, encontramos que el número de días de condensador es ~ 110, lo que concuerda con las observaciones. También encontramos que la humedad del suelo simulada de la capa 2 comienza a disminuir más rápido durante el período del condensador. Como la capa 2 representa la zona de raíces, concluimos que la humedad del suelo participa activamente en el mantenimiento de la ET y otros procesos de la vegetación, por lo que se descompone más rápido. La humedad del suelo de la zona de raíces que está siendo alimentada por la precipitación durante el monzón, el período de respuesta retardada y el período de precondensador son luego utilizados por la vegetación para mantener las interacciones tierra-atmósfera. Además, observamos una correlación de 0,63 entre la pérdida total por evapotranspiración durante el período del capacitor y la humedad del suelo disponible (suma de las capas 1 y 2) al comienzo del período del capacitor. La humedad del suelo en la capa más profunda varía mucho menos con variaciones estacionales limitadas. Los gráficos regionales similares a la Fig. 3 se presentan en las Figs. complementarias. 2–7.

Climatología de (a) Precipitación observada (b) Contenido de humedad simulado de VIC en diferentes capas del suelo, (c) Evapotranspiración total simulada de VIC y sus componentes para el período 2001 a 2015. Las regiones sombreadas en amarillo, sombreadas y grises corresponden al período de respuesta retardada , período previo al capacitor y período del capacitor, respectivamente. Las tramas se preparan en Origen 2018.

VIC simula variaciones espaciales casi similares en todas las regiones con un período de capacitor que varía de 133 a 246 días. VIC subestima el número de días de condensador para los Ghats occidentales, lo que podría atribuirse al terreno ondulado de la región que no está adecuadamente representado en el modelo. Sin embargo, los contrastes regionales están claramente representados y el papel de la humedad del suelo en la zona de raíces es claramente visible en todas las regiones. Se observaron mayores agotamientos de la humedad del suelo en la zona de las raíces en las zonas norte y central, lo que destaca la dependencia de la vegetación en estas áreas de la absorción de agua por las raíces. Estas dos zonas, que son puntos críticos globales de retroalimentaciones tierra-atmósfera, amplifican aún más su relevancia. Las zonas de los Ghats occidentales y del noreste, que reciben precipitaciones durante la temporada anterior al monzón, experimentan períodos de condensadores más cortos y, por lo tanto, menos agotamiento de la humedad del suelo en la zona de las raíces. La zona occidental con grandes áreas bajo desierto o vegetación escasa también muestra una menor tasa de agotamiento de la humedad del suelo de la zona radicular.

Después del pico del monzón, el retroceso y posterior retiro del monzón dan como resultado condiciones de cielo despejado con una mayor radiación en la superficie. Durante el período de respuesta retardada, la alta radiación con un mayor almacenamiento de agua en el continuo suelo-planta da como resultado un GPP mayor en un 15% de su valor al comienzo del período con una absorción más rápida de CO262 atmosférico (Fig. 4b). Encontramos un resultado similar usando la variable Radiación Fotosintéticamente Activa (PAR, Fig. 4a). Durante los períodos de precondensador y condensador, el GPP disminuye debido a una reducción en la precipitación. Esto se espera porque la precipitación es el factor climático más dominante de GPP63. Sin embargo, la vegetación continúa absorbiendo carbono incluso durante el período de condensador de déficit de precipitación, lo que resulta en un crecimiento del GPP durante este período, que representa aproximadamente el 35 % del GPP anual total. Cabe destacar que la precipitación durante este período representa solo el 12% de su total anual. Luego de un análisis adicional (Fig. 4c), observamos que el GPP durante el período del capacitor exhibe una fuerte correlación de aproximadamente 0.6 con la humedad del suelo al comienzo de este período. Consideramos la suma de la humedad del suelo de la capa superior y media al comienzo del período del capacitor para esta estimación de correlación. Inferimos que el GPP se mantiene durante este período por la humedad del suelo almacenada generada por las lluvias durante el monzón, la respuesta retardada y los períodos de precondensador. Al resaltar el papel del continuo humedad del suelo-vegetación en las interacciones tierra-atmósfera, nuestro estudio enfatiza su capacidad para actuar como un amortiguador para almacenar agua en la tierra incluso después de la disminución de la precipitación del monzón y luego usarla durante los períodos secos. Los estudios globales también sugieren el papel de la humedad del suelo en el control de la variabilidad de la absorción de carbono3; sin embargo, dichos análisis no se realizaron en el presente contexto. La precipitación durante los días de condensador también tiene una fuerte correlación de 0,7 con GPP. Sin embargo, la precipitación total no es suficiente para suplir el requerimiento de agua de la planta (Fig. 1), ya que la ET (la pérdida de agua del suelo) es mayor que la precipitación (suministro de agua al suelo). Este balance hídrico destaca aún más el papel de la humedad del suelo en el mantenimiento del GPP.

(a) Climatología de radiación fotosintéticamente activa (PAR) y radiación de onda corta de superficie descendente (SWR de superficie) de 2001 a 2015. (b) Climatología de GPP de 2001 a 2015. Las regiones sombreadas en amarillo, sombreadas y grises corresponden al período de respuesta retardada , período previo al capacitor y período del capacitor, respectivamente. ( c ) Asociación entre la humedad del suelo al comienzo del período del capacitor y el GPP total generado durante el período. Se observa una correlación lineal de 0,57 (estadísticamente significativa a p = 0,05) entre las dos variables. Las tramas se preparan en Origen 2018.

El análisis regional de GPP en diferentes subdivisiones meteorológicas homogéneas con su cubierta vegetal variada es consistente y similar a los observados para la masa terrestre de la India (Fig. 8 complementaria). Sin embargo, la climatología GPP varía entre las subdivisiones dependiendo de sus características meteorológicas y de vegetación. Las zonas del noreste y oeste de los Ghats son ricas en vegetación con extensas cubiertas forestales. El GPP sobre estas regiones se mantiene bastante bien en el período de condensadores, con una ligera caída seguida de una recuperación. Sin embargo, las regiones del norte, centro y oeste experimentan un GPP muy bajo al final del período de condensadores, aunque se observan períodos de GPP estable/aumentando en las zonas del norte y oeste, lo que podría atribuirse a la influencia de las perturbaciones del oeste64 y la agricultura, respectivamente. en las dos regiones. También es interesante notar que el pico de GPP en la zona sur casi coincide con el inicio del período de condensadores, lo que indica una fuerte dependencia de GPP de la precipitación en la región. La otra razón detrás de las variaciones espaciales de los patrones de GPP en las subdivisiones son las variaciones en la radiación de onda corta descendente de la superficie, como se muestra en la Fig. 9 complementaria. Este hallazgo demuestra aún más la contribución sinérgica de la radiación y la humedad durante el período de capacitancia para impulsar la productividad de la planta. con la humedad del suelo al comienzo del período de condensadores impulsándolo a través de la masa terrestre india. El análisis de correlación de nivel zonal del período del capacitor GPP y la humedad inicial del suelo refuerza aún más este argumento (Figura complementaria 10). El papel de la humedad inicial del suelo en el período del capacitor GPP es prominente en todas las subdivisiones con correlaciones estadísticamente significativas.

Se sabe que la masa continental de la India es uno de los puntos calientes de la tierra y la atmósfera a nivel mundial39,57, aumentado aún más por la irrigación abundante. Aunque los estudios de retroalimentación tierra-atmósfera destacan el papel de la ET en el sostenimiento del monzón en retirada, falta un análisis para comprender los procesos que sustentan la ET y la productividad de las plantas después del monzón y la temporada de cultivo principal. Exploramos lo mismo en el presente trabajo, que es único y no informado en la literatura hasta donde sabemos. Descubrimos que el agua almacenada por el continuo suelo-planta impulsa el ciclo del agua terrestre posterior al monzón en la India. Esta agua almacenada sustenta los requisitos de la planta durante el resto del año durante los períodos de precipitación reducida. La capacitancia del continuo suelo-planta mantiene la ET, la productividad y la retroalimentación tierra-atmósfera al explotar esta capacidad de almacenamiento de agua.

Nuestros resultados no solo explican la productividad de la vegetación posterior al monzón en la India, sino que también pueden proporcionar la base para comprender la productividad de la planta en la estación seca en otras regiones del monzón, como Australia, América del Sur y África. Las implicaciones de estos procesos para las retroalimentaciones globales de la tierra y la atmósfera, el ciclo del carbono y las respuestas de la vegetación en un mundo en calentamiento difícilmente pueden exagerarse. Las regiones monzónicas tropicales absorben una proporción significativa del CO2 atmosférico. La literatura anterior2,3 ha indicado el papel de la humedad del suelo y el almacenamiento total de agua en el control de la variabilidad de la absorción de carbono por parte de las plantas. Nuestro trabajo refuerza aún más la hipótesis sobre el papel del almacenamiento de agua en la productividad de las plantas. El presente trabajo se extenderá aún más a las regiones monzónicas globales para obtener la capacitancia de humedad continua del suelo y la planta y el almacenamiento asociado de agua y el papel que desempeñan en la absorción de carbono terrestre.

Una de las principales advertencias del estudio actual surge de la falta de observaciones hidrológicas continuas de la humedad del suelo y la evapotranspiración en la región. La humedad del suelo basada en satélites representa solo los pocos centímetros superiores del suelo, que podrían no ser capaces de proporcionar el intercambio de agua entre las capas y hacia la atmósfera a través de la vegetación. Además, el algoritmo GLEAM considera solo la humedad del suelo de la capa superior para el cálculo de los flujos de ET, por lo que descuida el papel del riego y la interacción de la vegetación con la atmósfera. Dichos procesos no pueden ser descuidados para la región de estudio con vastas áreas bajo riego. Además, las validaciones del producto de humedad del suelo AMSRE-SMOS y los productos GLEAM son insuficientes debido a la falta de estaciones de observación en India. La otra gran limitación del estudio surge del producto MODIS GPP, que no tiene en cuenta la fertilización con carbono. Por lo tanto, se requieren extensas estaciones de observación distribuidas espacialmente y torres de flujo para capturar con precisión las variables hidrológicas y de vegetación durante un período prolongado. El modelo VIC empleado en el estudio actual tampoco tiene en cuenta el impacto del riego o la variabilidad de la vegetación, que son cruciales para la región de estudio con una gran heterogeneidad de vegetación y un sistema agrícola dependiente del riego65. Por lo tanto, los trabajos futuros deben dirigirse a comprender el impacto del riego y la vegetación variable en el período de condensador de una región junto con la variabilidad regional. El efecto condensador de humedad del suelo y vegetación es un hallazgo sólido que destaca las necesidades de datos para cuantificar aún más su impacto en el clima físico y el ciclo del carbono.

Al resaltar el papel del continuo humedad del suelo-vegetación en las interacciones tierra-atmósfera, nuestro estudio enfatiza su capacidad para actuar como un amortiguador para almacenar agua en la tierra incluso después de la disminución de la precipitación del monzón y luego usarla durante los períodos secos. Por lo tanto, el papel de la vegetación en el mantenimiento del suministro de humedad a la atmósfera es fundamental. La propiedad de condensador de la vegetación se basa en el clima de la región y los tipos y distribuciones de vegetación, como lo demuestra su variabilidad entre 145 y 245 días en las diferentes zonas climáticas de la India. Hemos demostrado que el efecto de capacitancia de la vegetación probablemente impulsa retroalimentaciones más fuertes de la atmósfera terrestre en algunas de estas regiones. Los estudios de modelado respaldan aún más la propiedad de capacitancia de la vegetación india, que se ve reforzada por el contenido de humedad en la zona de raíces.

Dado que India es el segundo mayor contribuyente a la reciente ecologización global, encontramos que el papel de los días de condensador en la comprensión del potencial de secuestro de carbono de la tierra es enorme, especialmente como un contribuyente adicional a las contribuciones determinadas a nivel nacional, así como para mejorar la salud del suelo. y rendimientos de cultivos. Nuestros resultados también requieren el análisis de las propiedades de capacitancia de humedad de la vegetación en otras regiones monzónicas, como la selva amazónica en América del Sur. Finalmente, la fuerte asociación entre el agua y el ciclo del carbono en la India exige interacciones más fuertes entre las comunidades científicas hidrológicas y biogeoquímicas para desarrollar modelos regionales de superficie terrestre para el sur de Asia.

Primero se extrajeron los datos de precipitación cuadriculados de IMD, los datos combinados de humedad del suelo de AMSRE-SMOS y los flujos de ET de GLEAM y se promediaron espacialmente para determinar la climatología de la masa continental de la India. Para comprender la variabilidad espacial en la respuesta de ET, hemos considerado el promedio espacial sobre las regiones meteorológicamente homogéneas en India66. El modelo de capacidad de infiltración variable (VIC) se ha empleado para modelar la interacción de las capas de suelo más profundas en ET. VIC es un modelo hidrológico de mesoescala semidistribuido. Integra ecuaciones de balance de agua y energía en cuadrículas discretas67. VIC puede calcular los flujos terrestres y atmosféricos en función del balance de agua y energía en pasos de tiempo diarios/subdiarios. En el estudio actual, VIC se ejecuta en una escala de tiempo diaria con un tamaño de cuadrícula de 0,5° × 0,5°. Los datos meteorológicos de precipitación, temperatura máxima y mínima se obtienen del IMD. La velocidad del viento se obtiene del reanálisis provisional de ERA. Las diferentes entradas meteorológicas se convierten luego a la resolución de la cuadrícula del modelo. Los archivos de entrada meteorológicos en cuadrícula, incluidas las series de tiempo diarias de las tres variables de entrada, se proporcionan como entrada para la simulación VIC. Cada celda de la cuadrícula en VIC se divide en mosaicos más pequeños, cubiertos por diferentes tipos de cobertura terrestre para tener en cuenta la heterogeneidad de la subcuadrícula. La variación de los tipos de vegetación en cada cuadrícula y su distribución de raíces se representa en el archivo de parámetros de vegetación desarrollado a partir del Mapa de uso de la tierra y cobertura terrestre (LULC) proporcionado por MODIS (MCD12Q1)68 siguiendo la clasificación del Programa Internacional de Geosfera-Biosfera (IGBP). Los parámetros de vegetación para los diferentes tipos de vegetación utilizados en VIC se proporcionan en el archivo de la biblioteca de vegetación. Aquí, obtuvimos la climatología de la propiedad de la vegetación utilizando los valores del índice de área foliar (LAI) obtenidos del satélite MODIS Terra (MOD15A2H)69. Hemos utilizado el albedo del producto MODIS MCD43A370 y la fracción de cobertura vegetal derivada del producto MOD13Q171 del índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI) de MODIS basado en una relación lineal72. Se considera que las propiedades del suelo son las mismas en todas las celdas de la cuadrícula. El archivo de parámetros del suelo, que especifica las propiedades del suelo, se desarrolla a partir del archivo de parámetros del suelo global provisto con el modelo VIC basado en el mapa de suelos de la Organización para la Agricultura y la Alimentación. VIC es adecuado para estudiar la variación en la capacidad de humedad del suelo a nivel de sub-red, la recesión no lineal del flujo base y la topografía. En el estudio actual, consideramos 3 capas de suelo. Si bien los parámetros de capacidad de infiltración variables controlan la infiltración en la parte superior del suelo, la pérdida de humedad de las capas superiores a la atmósfera se ve favorecida principalmente por la evaporación del suelo. La evapotranspiración potencial se calcula utilizando la ecuación de Penman-Monteith considerándola en función del déficit de presión de vapor y la radiación neta. La intercepción de la lluvia por el dosel se calcula en función del LAI. El cálculo de la escorrentía se basa en la capa inferior. Uno de los principales inconvenientes del modelo VIC es que no considera el flujo sin canales entre redes y el agua puede ingresar a una celda de red solo desde la atmósfera. Todas las cifras del manuscrito se trazaron utilizando Origin 2018 después de aplicar un promedio de ventana móvil de siete días. El coeficiente de correlación de Pearson entre el GPP total y la humedad del suelo al comienzo del período del condensador se determina en MATLab 2020.

Los datos de precipitación y temperatura cuadriculados proporcionados por IMD están disponibles en el sitio web de IMD (https://www.imdpune.gov.in/Clim_Pred_LRF_New/Grided_Data_Download.html). Los productos de evapotranspiración del modelo GLEAM están disponibles en el sitio web del modelo (https://www.gleam.eu/). El producto de investigación de la tierra de nivel 4 de SMOS que combina la humedad del suelo de SMOS y AMSRE se puede descargar del sitio web Centre Aval de Traitement des Données SMOS (CATDS), que es el segmento de tierra francés para los datos de nivel 3 y 4 de SMOS (https://www.catds. fr/Productos/Productos-disponibles-de-CEC-SM/L4-Land-research-products). Los diversos productos terrestres satelitales MODIS se pueden obtener del Centro de Archivo Activo Distribuido de Procesos Terrestres (LP DAAC) (https://lpdaac.usgs.gov/). Las simulaciones VIC estarán disponibles. Los datos de radiación de CERES se pueden descargar del sitio web de CERES (https://ceres.larc.nasa.gov/data/).

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El trabajo cuenta con el apoyo financiero del Departamento de Ciencia y Tecnología Swarnajayanti Fellowship Scheme, a través del proyecto no. DST/SJF/E&ASA-01/2018-19; SB/SJF/2019-20/11, y Programas Estratégicos, Grandes Iniciativas y Habilitador de Acción Coordinada (SPLICE) y Programa de Cambio Climático a través del proyecto no. DST/CCP/CoE/140/2018. SG agradece a la Prof. Sonia I Seneviratne de ETH, Zurich por una discusión técnica. RM reconoce con gratitud el puesto de profesor visitante en el IIT de Bombay y el puesto de profesor emérito en la UMD. Los autores agradecen sinceramente al Editor y a los revisores por sus comentarios constructivos.

Departamento de Ingeniería Civil, Instituto Indio de Tecnología Bombay, Powai, Mumbai, 400076, India

Dawn E. Sebastián y Subimal Ghosh

Centro para el Desarrollo y la Gestión de los Recursos Hídricos, Kozhikode, 673 571, Kerala, India

Alba E. Sebastián

Centro Interdisciplinario de Ciencias del Sistema Terrestre (ESSIC)/DOAS, Universidad de Maryland, College Park, MD, EE. UU.

Raghu Murtugudde

Programa Interdisciplinario en Estudios Climáticos, Instituto Indio de Tecnología Bombay, Powai, Mumbai, 400076, India

Raghu Murtugudde y Subimal Ghosh

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SG y RM concibieron la idea y diseñaron el problema. DES realizó el análisis con aportes de SGSG y DES analizó los resultados. SG y DES escribieron el artículo. RM revisó el manuscrito.

Correspondencia a Subimal Ghosh.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Sebastian, DE, Murtugudde, R. & Ghosh, S. El condensador de humedad de la vegetación del suelo mantiene la productividad de la vegetación de la estación seca en la India. Informe científico 13, 888 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27277-6

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Recibido: 04 Octubre 2022

Aceptado: 29 de diciembre de 2022

Publicado: 17 enero 2023

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

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Climatología teórica y aplicada (2023)

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