气候水分供应在中国干旱地区生态系统净生产力中的主导作用：与大气水分需求和土壤湿度的比较

《Journal of Hydro-environment Research》：Dominant role of climatic water availability in net ecosystem productivity in China's drylands: A comparison with atmospheric water demand and soil moisture

碳汇能力与气候水资源下降是干旱区植被生态系统面临的主要水应力约束。通过分析1982-2019年中国干旱区自然植被的NEP数据，发现SPEI（主导因素占44.04%）、VPD（34.74%）和SM（21.22%）对NEP影响显著。AI阈值分析表明，当AI超过0.36和0.91时，VPD和SM的主导作用分别超过SPEI。研究强调气候水资源下降是限制碳汇能力的关键因素。

　　中国干旱地区生态系统是全球生态环境的重要组成部分，覆盖面积广且在气候变暖和水资源变化的背景下表现出独特的碳固存特性。近年来，研究者普遍关注这些区域的碳固存能力与水资源胁迫之间的关系，尤其是如何量化和理解不同水文因子对生态系统碳吸收能力的影响。本研究聚焦于中国干旱地区的自然植被生态系统，探讨了气候水资源可用性、土壤水分以及大气水需求这三个关键水文因子对碳固存能力的相对影响，并揭示了在不同干旱指数（AI）条件下，这些因子的主导作用如何发生变化。

干旱地区通常是指干旱指数低于0.65的区域，这些区域的生态系统面临显著的水资源压力，包括频繁的气候水资源可用性不足、较高的蒸散需求以及较低的土壤水分。尽管如此，中国干旱地区的自然植被生态系统在过去40年间仍然表现出碳固存能力的上升趋势，年均增加约4.9±0.13克碳每平方米。然而，随着气候变暖，水资源短缺的状况愈发严峻，这使得水资源胁迫对这些生态系统的影响成为研究的热点问题。

研究指出，气候水资源可用性、土壤水分和大气蒸散需求这三个因子虽然在某种程度上相互关联，但各自代表了不同的水文胁迫机制。气候水资源可用性通常通过标准化降水蒸散指数（SPEI）来表征，它综合考虑了降水供给和蒸散需求，能够反映气候条件下的整体水分平衡。相比之下，土壤水分（SM）直接反映了植被根系可获取的水分状况，而蒸气压差（VPD）则描述了大气干燥程度，它影响着植被的气孔导度和蒸散过程。因此，这三个因子在干旱生态系统中的作用机制各不相同，其对碳固存能力的影响也存在差异。

研究团队利用中国干旱地区自然植被的长期观测数据，结合标准化降水蒸散指数（SPEI）、土壤水分（SM）和蒸气压差（VPD）的多尺度数据，采用岭回归和偏最小二乘回归等方法，评估了这些因子对净生态系统生产力（NEP）的相对影响。结果显示，SPEI在44.04%的自然植被区域中具有主导作用，而VPD和SM分别占据34.74%和21.22%的主导地位。然而，随着干旱指数（AI）的增加，VPD和SM的相对影响逐渐超过SPEI，其临界值分别为0.36和0.91。这一发现意味着，在更湿润的气候条件下，土壤水分和大气蒸散需求对碳固存能力的影响变得更加显著，而在更干旱的区域，气候水资源可用性则仍是关键因素。

从时间维度来看，SPEI和SM呈现出总体下降趋势，而VPD则显示出上升趋势。具体而言，SPEI和SM的变化可以分为两个阶段，前一阶段（1982-1990年）的下降幅度较小，而第二阶段（1991-2019年）的下降更为显著。VPD的变化趋势则相反，前一阶段下降不显著，而第二阶段显著上升。这一趋势表明，中国干旱地区的水文条件在过去几十年中经历了显著的转变，其中气候水资源可用性减少和大气干燥加剧是主要特征。

从空间分布来看，SPEI、SM和VPD的变化在不同气候带表现出不同的特征。例如，在半干旱和干旱次湿润区域，SPEI和SM的下降趋势更为明显，而VPD的上升趋势则在这些区域尤为显著。在湿润地区，如亚马逊雨林、印度和中国南方，VPD的上升可能对植被生产力产生积极影响，但在中国干旱地区，VPD的增加对NEP产生了更为广泛的负面影响。这一现象可能与这些地区特有的植被结构和水文条件有关，例如植被对土壤水分和大气蒸散需求的敏感性较高。

研究还进一步探讨了干旱指数（AI）对水文因子主导作用的影响。分析显示，随着AI的增加，VPD和SM的相对影响逐渐增强，最终超过SPEI。这一临界点的发现为干旱生态系统中碳固存能力的调控提供了重要的理论依据。在干旱次湿润区域，SM和VPD的相对影响已经超过了SPEI，而在更干旱的区域，SPEI仍然是主导因素。这种变化可能与不同区域的水文条件、植被类型以及土壤特性密切相关。

此外，研究团队还考虑了植被类型对水文因子响应的差异。例如，在中国干旱地区，植被类型以草地为主，这些植被主要依赖浅层土壤水分，因此浅层土壤水分的变化对碳固存能力具有重要影响。相比之下，森林生态系统可能需要更深层的土壤水分，因此研究中所采用的浅层土壤水分数据可能无法完全反映深层土壤水分的动态变化。未来的研究需要进一步考虑不同植被类型的水分需求差异，以更全面地理解水文因子对碳固存能力的影响。

研究结果还表明，虽然SPEI、SM和VPD在干旱生态系统中具有重要的水文作用，但它们之间存在显著的多重共线性问题，这可能导致在分析其对碳固存能力的影响时出现偏差。因此，研究团队采用了岭回归和偏最小二乘回归等方法，以减少多重共线性对结果的影响，并确保对不同水文因子的相对影响评估更加准确。分析结果显示，这两种方法在空间分布和相对影响上均表现出高度一致性，进一步验证了研究结论的可靠性。

在实际应用方面，研究团队还利用通量塔观测数据对模型结果进行了验证。结果表明，SPEI对植被碳固存能力的影响显著高于SM和VPD，这与网格数据的分析结果一致。此外，研究还发现，在某些情况下，如干旱指数超过特定阈值时，SM和VPD的影响可能超过SPEI。这一发现对于干旱地区碳固存能力的调控具有重要意义，特别是在气候变化加剧的背景下，如何有效管理水资源以维持或增强碳固存能力成为亟待解决的问题。

综上所述，本研究揭示了中国干旱地区自然植被生态系统在不同水文因子和气候条件下的碳固存能力变化趋势，以及这些因子对生态系统碳吸收的相对影响。研究结果不仅有助于理解干旱生态系统中碳固存能力的驱动机制，还为未来水资源管理政策的制定提供了科学依据。通过识别关键的干旱指数阈值，研究团队为干旱地区生态系统在不同气候条件下如何响应水文变化提供了重要的参考，特别是在全球气候变化背景下，如何平衡水资源利用与碳固存能力的提升成为研究的重要方向。