生态系统光合作用对土壤水分适应性的新证据：评析表观最适土壤湿度与田间持水量的概念混淆

《Nature Communications》：Reply to: Is apparent optimum soil moisture equivalent to field capacity?

本刊推荐：针对Zhao等人将表观最适土壤湿度（SMGPP）等同于田间持水量（θFC）的观点，Peng团队从概念界定、证据可靠性和分析不确定性三方面展开驳斥。通过重分析数据揭示SMGPP/θFC比值在0.81-1.41间波动，结合野外控水实验证实SMGPP存在水分适应现象，强调土壤水分有效性（SMgrowth）才是关键调控因子，为理解碳-水耦合机制提供新视角。

　　

在全球气候变化背景下，土壤水分动态如何影响陆地生态系统碳循环过程，是当前生态学研究的前沿课题。以往学者普遍认为，生态系统总初级生产力（GPP）随土壤水分增加会呈现先升后降的单峰曲线，但关于曲线峰值对应的"最适土壤湿度"本质存在激烈争论。2024年，Peng等人在《自然·通讯》发表研究，首次提出生态系统光合作用存在对土壤水分的适应性调节现象，即SM_GPP会随生长季土壤水分有效性（SM_growth）动态调整。然而Zhao团队近期发表评论，主张SM_GPP等同于土壤水力特性参数——田间持水量（θ_FC），认为其变异主要受土壤质地支配而非生态适应过程。这一争议直接关系到陆地碳循环模型的构建精度：若SM_GPP是固定不变的土壤属性，则生态系统对干旱的响应将被简单线性化；若其具备生态适应性，则碳-气候反馈预测需考虑生物调节的缓冲作用。

为澄清这一关键科学问题，Peng团队从概念框架、证据质量和分析严谨性三个维度对Zhao等人的观点进行系统性回应。研究强调SM_GPP本质是生态系统水平的功能性状，反映最大化GPP的水分需求；而θ_FC是纯物理参数，表征土壤排水后的持水能力。二者在机理维度分属生物地球化学过程和土壤水文学范畴，直接划等号会忽视植物生理调节的核心作用。

在方法学层面，本研究通过数据重分析、多变量统计控制和野外实验验证三重手段推进论证。首先从Zhao原文提取原始数据，计算-330百帕土壤水势下SM_GPP/θ_FC比值分布；其次在分析土壤质地效应时，引入气候、植被等多因子协变量控制；最关键的是开展原位控水实验，通过精确调控水分输入而固定其他环境因子，直接观测SM_growth对SM_GPP的因果效应。

概念混淆的辨析

通过对比GPP-土壤水分响应曲线的生态学内涵与田间持水量的土壤物理学定义，指出将SM_opt直接定义为θ_FC会模糊生物适应与物理约束的界限。研究引用土壤水文学经典定义强调，θ_FC是特定排水过程后的静态指标，而SM_GPP体现生态系统功能最优的动态平衡点。

等效性证据的再检验

对Zhao团队采用的线性回归方法提出质疑，指出该方法仅能反映变量间变化趋势，无法检验参数等同性。重分析显示SM_GPP/θ_FC比值分布广泛（0.81-1.41），且标准差较大，无法支持"等同性"结论：

GPP与θ_FC比值分布'>

分析不确定性的识别

揭示Zhao研究中土壤质地与SM_GPP的相关性可能受SM_growth等混杂因子干扰。通过偏相关分析证明，在控制气候-土壤-植被多因子后，砂粒含量与SM_GPP的相关性消失，而SM_growth仍保持显著关联。野外控水实验进一步证实，仅改变水分供给即可引起SM_GPP的适应性偏移，且植物性状（如气孔导度、根系分布）可能是重要介导因子。

生态学意义的阐释

提出SM_growth-SM_GPP斜率的概念框架，解析其生态学内涵：当斜率＜1时，SM_growth增加可能抑制GPP；当斜率≥1时，则增强碳吸收。这一关系定量刻画了生态系统水分适应能力对碳循环的调控作用：

growth下GPP-土壤水分响应曲线变化概念图'>

本研究通过多尺度证据链表明，SM_GPP的变异主要源于生态系统对水分有效性的适应而非静态的土壤属性。这一认识将推动碳循环模型从"土壤水力决定论"向"生物-物理耦合范式"转变，对精准预测干旱事件的生态效应具有重要意义。研究建议通过国际干旱实验（International Drought Experiment）等联网控制实验，在全球尺度验证SM_GPP适应性的普适性规律，为应对极端气候的生态系统管理提供理论支撑。