全球地下生态系统多功能性对气候变化的非线性响应及其未来预测

《Nature Communications》：Climate change is predicted to reduce global belowground ecosystem multifunctionality

本研究针对气候变化对地下生态系统多功能性(BEMF)影响的全球模式尚不明确的问题，通过整合15个地下生态系统功能指标，揭示了年均温度(MAT)在16.4°C阈值处对BEMF的突变性调控机制。研究发现北极地区BEMF最高(0.55)，干旱区最低(0.14)，结构方程模型表明温度通过土壤pH和容重调控高BEMF区域，而降水通过物种丰富度主导低BEMF区域。预测显示至2100年SSP585情景下全球BEMF将损失20.8%，为气候变化背景下生态系统功能保护提供了关键科学依据。

　　

随着全球气候变化加剧，生态系统功能的可持续性面临严峻挑战。地下生态系统作为支撑陆地生态系统运行的关键组成部分，其多功能性（Belowground Ecosystem Multifunctionality, BEMF）维系着碳储存、养分循环和生物多样性等核心生态过程。然而，当前研究多局限于区域尺度或特定生物群系，对全球尺度下BEMF的分布格局及其对气候变化的响应机制认知严重不足。尤其缺乏对气候因子突变阈值及其与生物、非生物因子交互作用的系统解析，这极大限制了预测未来气候变化对生态系统功能影响的准确性。

针对这一科学空白，由中国科学院青藏高原研究所孙健研究员领衔的国际团队，在《Nature Communications》上发表了题为"Global thresholds of belowground ecosystem multifunctionality"的研究论文。该研究整合了全球尺度的地下净初级生产力、土壤养分库、微生物生物量等15项功能指标，首次揭示了BEMF沿气候梯度的非线性响应规律，并预测了未来气候变化情景下的演变趋势。

研究采用的关键技术方法包括：基于全球地下生态系统功能数据库的空间插值分析，运用平均值法、主成分分析法和单阈值法综合评估BEMF；通过分段线性回归识别气候阈值；利用结构方程模型解析环境因子交互作用；结合随机森林模型预测未来气候变化情景（SSP126、SSP370、SSP585）下的BEMF动态。所有分析均基于0.5°分辨率的全球栅格数据，确保了结果的可靠性。

全球BEMF的空间异质性特征

研究表明BEMF在不同气候带呈现显著空间分异（图1a）。极地生物群系BEMF最高（0.55），大陆性（0.48）和温带（0.30）次之，热带（0.25）和干旱区（0.14）较低（图1b）。这种格局主要受土壤养分库主导，尽管北极地区生产力较低，但其巨大的土壤碳库（占全球表土碳库30%以上）在低温、缺氧和酸性环境得以保存，支撑了高多功能性。相反，热带地区虽然分解速率高达10.2 Pg C yr^-1，但强烈的淋溶作用导致养分流失，限制了BEMF提升。

温度驱动的突变阈值效应

通过分段线性回归发现，MAT在16.4°C处存在显著突变阈值（图2b）。当MAT≤16.4°C时，BEMF与温度呈强负相关（BEMF=0.43-0.0130*MAT），属于高BEMF模式（HBEMF，均值0.43）；当MAT>16.4°C时关系不显著（LBEMF，均值0.21）。全球尺度上温度对BEMF的解释度（R²=0.59）显著高于降水（R²=0.01）（图2a），表明温度是主导调控因子。

多因子驱动机制解析

结构方程模型揭示了两类模式的差异化驱动机制（图3）。在HBEMF区域（MAT≤16.4°C），温度通过降低土壤pH（路径系数-0.27）和增加容重（-0.22）直接抑制BEMF，生物多样性作用不显著。而在LBEMF区域（MAT>16.4°C），降水通过提升植物物种丰富度（0.18）和改善土壤物理性质（容重路径系数-0.31）正向驱动BEMF。这种差异源于寒冷地区温度对生物分布的"环境过滤"效应，以及干旱区水分对生物地球化学循环的限制作

未来气候变化的影响预测

基于SSP情景的预测显示（图4），至2100年SSP585情景下全球BEMF将损失20.8%。北半球温带（-14.3%）、大陆性（-32.9%）和极地（-10.3%）生物群系衰退显著，而热带（+2.6%）和干旱区（+2.5%）略有提升。这种空间异质性响应主要源于：①北极多年冻土融化导致碳库释放（预计2300年前释放600-1000亿吨碳）；②北方森林野火频率增加加速碳损失；③热带地区降水减少可能缓解养分淋溶，但高温胁迫会抵消部分增益。

研究结论与展望

本研究系统揭示了全球BEMF沿温度梯度的非线性响应规律（图5），首次明确了16.4°C的气候突变阈值。发现北极生态系统虽然生产力较低，但依靠巨大的土壤养分库维持了最高水平的多功能性；而热带系统尽管生物地球化学循环旺盛，却因养分流失限制功能发挥。未来气候变化将通过温度-降水-生物多样性-土壤性质的级联效应，导致高纬度地区BEMF急剧下降，这对全球碳循环和生态系统服务供给构成严重威胁。

研究的创新性在于突破了传统区域研究的局限，通过多源数据融合和机器学习模拟，实现了对地下多功能性的全球尺度评估。但需注意当前BEMF指标偏重养分库而非能量/物质通量，未来需引入分解速率、淋溶过程等动态参数。此外，土地利用变化、氮沉降等人类活动因素的耦合分析将是重要发展方向。该成果为制定气候特异性生态保护策略提供了理论依据，尤其强调了对北极和大陆性生态系统的优先保护需求。