中国生态系统关键土壤湿度阈值(θcrit)的时空格局与驱动机制

《Ecological Indicators》：Spatiotemporal patterns and driving mechanisms of critical soil moisture thresholds in Chinese ecosystems

本研究针对全球气候变化背景下生态系统水文过程重塑的关键问题，系统分析了1980-2020年中国不同生态系统中临界土壤湿度阈值(θcrit)的时空演变规律。研究发现中国大部分生态系统θcrit呈下降趋势，但在西北干旱区和青藏高原呈现上升特征；揭示了不同气候区的主导驱动因子：干旱半干旱区以饱和水汽压差(VPD)为主，湿润区以降水量(PPT)为主，青藏高原以太阳辐射(Srad)为主导负向因子。该研究为评估生态系统适应性和水资源管理提供了理论框架，对理解陆地-大气耦合过程具有重要意义。

　　

在全球气候变化日益加剧的背景下，极端气候事件频发对生态系统健康构成严重威胁。土壤湿度作为衡量干旱状况的关键指标，其动态变化直接影响着植被生长和生态系统功能。其中，临界土壤湿度阈值(θ_crit)这一概念尤为重要，它标志着植物从无水分胁迫状态向水分限制状态的转折点，是理解陆地-大气相互作用的核心参数。然而，当前研究对θ_crit的时空动态变化规律及其驱动机制的认识仍存在显著不足，严重制约了我们预测植被对环境变化响应的能力。

为填补这一知识空白，研究人员在《Ecological Indicators》上发表了关于中国生态系统临界土壤湿度阈值的研究。该研究整合了多源数据集，包括ERA5-Land再分析数据、TerraClimate气象观测数据、土壤湿度测量数据和土地利用类型数据，运用EF-SM（蒸散比-土壤湿度）分段回归方法精确估算了θ_crit，并采用Theil-Sen Median和Mann-Kendall趋势分析、Lasso回归和广义加性模型(GAM)等统计方法，系统分析了1980-2020年间中国不同生态系统θ_crit的时空变化特征及其驱动机制。

研究团队主要采用了以下几个关键技术方法：基于EF-SM分段回归模型计算临界土壤湿度阈值，利用中国通量观测研究联盟(ChinaFLUX)的碳水通量观测数据进行验证；采用Theil-Sen Median和Mann-Kendall趋势分析方法分析θ_crit和气象指标的年际变化趋势；运用Lasso回归和广义加性模型(GAM)解析影响θ_crit年际变异的主要驱动因素；基于中国七个自然地理区域和十种土地利用类型进行分区对比分析。

3.1 θ_crit和气象指标的年际变化

研究结果显示，EF-SM模型在全国范围内表现出较高的准确性(R² = 0.66)。从1980年到2020年，中国大多数生态系统的θ_crit呈现下降趋势，但表现出明显的空间异质性。在气候分区层面，内蒙古(IM)、华北(NH)和东北(NE)地区θ_crit下降最为显著，而西北(NW)和青藏高原(QTP)则呈现上升趋势。在土地利用类型方面，密闭灌丛(CSH)和农作物(CRO)的θ_crit下降幅度最大，而开阔灌丛(OSH)和裸地(BAN)则呈现轻微上升趋势。气象指标分析表明，实际蒸散量(AET)、气候水分亏缺(DEF)、最高温度(Tmax)和饱和水汽压差(VPD)在全国范围内总体呈上升趋势，而风速(WS)呈下降趋势，降水量(PPT)和太阳辐射(Srad)则表现出明显的区域差异。

3.2 θ_crit时间变化的驱动因素

驱动机制分析揭示了不同气候区和土地利用类型下θ_crit变异的主导因素。在干旱半干旱的西北、内蒙古和华北地区，VPD是主要的负向驱动因子；在湿润的东北地区，PPT是主要的正向驱动因子；在青藏高原，Srad成为关键的负向驱动因子；而在高温高湿的中南和华南地区，DEF是主要的负向驱动因子。不同植被类型中，常绿针叶林(ENF)和常绿阔叶林(EBF)主要受DEF影响，而落叶林、草地和农作物则更依赖于PPT，同时受VPD的强烈抑制作用。

3.3 不同时期环境指标敏感性变化

通过对比1981-2000年和2001-2020年两个时期的环境指标敏感性，研究发现中国大多数地区θ_crit对PPT的敏感性增强，而对VPD的敏感性减弱。特别是在中南和华南地区，θ_crit对PPT的敏感性分别从0.001增加到0.07、从0.01增加到0.10。同时，在华北和西北地区，Tmax对θ_crit的负向影响显著增强，而在大多数地区，θ_crit对DEF和AET的敏感性下降。

研究结论与讨论部分强调了生态系统对气候变化的复杂响应机制。θ_crit的下降趋势可能反映了植被通过深层根系发育、气孔导度调节等适应性机制来提高水分利用效率，从而在较低土壤湿度条件下维持生长。而在西北和青藏高原地区θ_crit的上升，可能与降水增加、VPD和太阳辐射减少改善的水文条件有关。不同气候区驱动因子的差异凸显了区域气候条件、植被特征和生态系统适应策略的共同作用。

这项研究的重要意义在于首次系统揭示了中国生态系统临界土壤湿度阈值的时空格局和驱动机制，为理解气候变化下生态系统水文过程的适应性响应提供了重要科学依据。研究结果不仅对评估生态系统脆弱性和恢复力具有重要价值，而且为区域水资源管理和生态保护政策的制定提供了理论支持。特别是在全球气候变化背景下，识别不同生态系统的水分胁迫阈值，对于预测未来气候变化对生态系统功能的影响以及制定适应性管理策略具有重要的指导意义。