内蒙古草原生态系统对极端气候事件的脆弱性评估：基于GPP与复合指标体系的动态分析

《Ecological Indicators》：Assessing the steppe vulnerability to extreme climate events in the Inner Mongolia

本研究针对全球变暖加剧极端气候事件、威胁草原生态系统的迫切问题，系统评估了1982–2018年内蒙古草原植被生态系统（以GPP为指标）对极端气候的脆弱性。研究人员构建了融合暴露度、敏感性和恢复力的复合指标体系，运用Theil-Sen趋势分析、Mann-Kendall检验和地理探测器模型，揭示了极端气候（高温事件加剧、降水减少）与GPP动态的时空演变规律，并识别出暴露度和敏感性是驱动脆弱性变化的主导因素。该研究为制定区域气候变化适应政策提供了关键科学依据，对内蒙古草原生态保护具有重要意义。

　　

在全球变暖的大背景下，极端气候事件正变得越来越频繁和强烈，如同大自然不时发出的“脾气”，给地球上的生态系统带来了严峻挑战。草原，这片占据全球陆地面积四分之一、养育着众多生灵的广阔土地，其组成、结构和功能尤其容易受到气候变化的冲击。位于中国北方的内蒙古草原，不仅是典型的生态脆弱区，更是我国北方重要的生态安全屏障和碳汇区域。然而，该地区干旱的气候和不稳定的降水模式，导致极端天气事件增加，严重影响着植被生长，使得生态系统脆弱性问题日益凸显。一个核心的科学问题摆在我们面前：内蒙古草原生态系统究竟对极端气候事件有多“脆弱”？这种脆弱性是如何在时空上演变的？又是哪些因素在背后主导着这一过程？为了回答这些问题，一项发表在《Ecological Indicators》上的研究进行了深入探索。

为了系统评估草原生态系统的脆弱性，研究人员独辟蹊径，首次引入了一个创新的“复合植被-气候指标系统”概念框架。他们不再满足于简单地分析植被与气候的相关性，而是采用了一个更为全面的“暴露度-敏感性-恢复力”评估框架。研究的时间跨度从1982年到2018年，覆盖了37个年头。研究人员收集了内蒙古地区的GPP数据和14个极端气候指数（包括8个极端温度指数和6个极端降水指数）。GPP，即总初级生产力，是衡量生态系统所有绿色植物光合作用效率的关键指标，能够综合反映生态系统的健康状况和碳汇能力。为了精准刻画草原植被对气候变化的响应，研究团队运用了自回归模型，并巧妙地结合主成分回归技术，以解决多个气候变量之间复杂的共线性问题，从而量化了GPP对各类极端气候事件的响应程度。在此基础上，他们构建了草原生态系统脆弱性指数系统，分别计算了暴露度、敏感性、恢复力，并最终综合得到脆弱性指数。为了揭示其时空动态，研究采用了Theil-Sen趋势分析和Mann-Kendall显著性检验。更进一步，他们利用地理探测器中的因子探测器，量化了暴露度、敏感性和恢复力对脆弱性变化的贡献率。最后，通过分段线性回归方法，精准识别了草原脆弱性对各项极端气候指数的响应阈值，揭示了不同阈值前后关系的演变规律。

主要研究结果

3.1. 极端气候指数的时空演变特征分析

研究发现，1982年至2018年间，内蒙古草原地区的极端气候事件呈现出气温上升、降水减少的总体趋势。具体来说，极端降水指数中，连续干日、连续湿日、最大5日降水量、强降水日数和极端强降水量均呈下降趋势，而最大1日降水量略有增加。极端温度指数则显示出显著的增温趋势，夏季日数、暖夜日数和暖昼日数均显著增加，而表征低温事件的指数则普遍减少。空间上，极端降水事件在西部地区呈增加趋势，东部地区则减少；而极端高温事件在整个内蒙古地区都表现出普遍增强的态势，超过95%的区域夏季日数、暖夜日数和暖昼日数均呈现显著上升趋势。

3.2. GPP的时空演变特征分析

在时间上，整个研究期内草原GPP整体呈现不显著的增加趋势，增长率仅为0.003 gC·m^?2·a^?1。不同类型的草原表现各异：草甸草原和典型草原的GPP略有增加，而荒漠草原的GPP则呈下降趋势。在空间上，GPP的分布从东北向西南递减，高值区主要集中在东北部。值得注意的是，55.72%的植被区域GPP呈增加趋势（主要分布在西南部和东部），而44.28%的区域呈下降趋势（主要集中在典型草原和草甸草原的中部、北部和东北部）。

3.3. 草原脆弱性的时空演变特征分析

时间上，整个内蒙古草原37年间的平均脆弱性指数为0.44，整体呈现微弱的下降趋势。不同类型的草原脆弱性表现不同：荒漠草原的脆弱性最高，草甸草原最低；荒漠草原和草甸草原的脆弱性呈下降趋势，而典型草原的脆弱性则略有上升。分析暴露度、敏感性和恢复力的变化发现，当暴露度和敏感性升高时，脆弱性通常也随之增加，而恢复力则与脆弱性呈负相关。空间上，内蒙古草原超过50%的区域暴露度下降，超过一半的区域敏感度下降，但超过一半的区域恢复力也呈现下降趋势。脆弱性的空间分布与暴露度和敏感性的变化模式相似，下降趋势的区域多于上升趋势区域。就等级而言，大部分草原区域的暴露度、敏感性、恢复力和脆弱性都处于潜在和轻度水平，严重等级主要集中在中部地区。

3.4. 草原脆弱性影响因子贡献率分析

通过地理探测器的因子探测器分析发现，暴露度和敏感性是驱动内蒙古草原脆弱性变化的主导因素。在整个内蒙古草原和草甸草原，暴露度对脆弱性的解释力最强；而在典型草原和荒漠草原，敏感性则成为最主要的驱动因子。值得注意的是，在荒漠草原，暴露度、敏感性和恢复力对脆弱性的解释力均高于其他草原类型，表明极端气候事件给荒漠草原带来了更强烈的环境压力。

3.5. 草原脆弱性对极端气候事件的分段响应关系

研究揭示了脆弱性指数对极端气候指数存在明显的阈值响应。对于极端温度事件，高温事件（如暖昼日数TX90p、暖夜日数TN90p）在超过特定阈值后（约11.36天）会显著加剧生态系统的脆弱性，其影响远大于低温事件。对于极端降水事件，连续干日的增加会显著加剧脆弱性，特别是在干旱持续时间超过90天时；而短时强降水事件（如最大1日降水量RX1day）则能在一定程度上缓解脆弱性。不同草原类型对极端气候事件的响应也存在差异，例如荒漠草原对高温事件更为敏感，但对连续干旱表现出一定的适应性。

结论与讨论

本研究系统地评估了1982-2018年间内蒙古草原生态系统对极端气候事件的脆弱性。研究结论明确指出，内蒙古草原极端气候事件呈现“暖干化”趋势，而草原GPP整体变化不显著但空间异质性明显。更重要的是，暴露度和敏感性是驱动草原脆弱性变化的关键因素。研究还发现了脆弱性对极端气候事件的非线性阈值响应规律，特别是极端高温事件会显著加剧脆弱性，而适量的极端降水则有助于缓解脆弱性。

这项研究的意义重大。它不仅首次构建了一个动态评估草原植被脆弱性的综合框架，超越了传统静态模型的局限，而且精准识别了脆弱性变化的主导因子和响应阈值。这些发现为制定差异化的、精准的内蒙古草原生态保护与恢复策略提供了坚实的科学依据。例如，针对脆弱性较高的典型草原和对高温敏感的荒漠草原，需要优先考虑增强其恢复力的措施。同时，研究结果也印证了如“三北防护林工程”等生态建设工程在提升生态系统恢复力、降低脆弱性方面取得的积极成效。当然，研究也存在一些局限，例如未来可融合多源数据构建多尺度数据集，并进一步探究植被对极端气候事件的滞后效应以及人类活动的影响。这将是未来研究的重要方向。总体而言，这项研究深化了我们对草原生态系统应对气候变化的理解，为在全球变化背景下守护好北疆生态安全屏障提供了宝贵的科学支撑。