梳理过去六十年干旱对中国竹林生态系统生产力影响的作用机制

《Agricultural and Forest Meteorology》：Disentangling the effects of drought on bamboo forest ecosystem productivity in China over the last six decades

竹林生产力受气候变化与干旱交互作用影响研究。基于InTEC模型模拟1958-2018年数据，结合部分相关分析与PLS-PM模型，揭示湿润区与半湿润区干旱效应异质性，发现长期干旱抵消50%以上气候增温正效应，短时效应减弱。关键阈值表现为SPEI<-0.53和PDSI>2.3时效应反转。

　　竹林作为全球重要的森林碳汇，其生产力对气候变化的响应一直是生态学和气候科学研究的重点。近年来，随着全球变暖趋势的加剧，干旱频率和强度显著增加，给竹林生态系统带来了深远的影响。竹林不仅具有强大的碳汇能力，还在调节碳水循环、维持生物多样性等方面发挥着重要作用。然而，由于竹林生态系统对水分和温度的高敏感性，干旱对竹林生产力的具体影响机制尚不明确。本文旨在通过系统分析，揭示干旱对竹林生产力的影响及其在气候变化背景下的阈值，为竹林管理与保护提供科学依据。

竹林生态系统的碳汇功能与其生产力密切相关。研究表明，竹林的碳储量占全球森林生态系统总量的0.94 %，其碳吸收能力远超其他类型的森林。然而，竹林的生产力受到多种环境因素的制约，其中干旱是最具挑战性的因素之一。干旱不仅影响竹林的生长速率，还可能改变其长期碳吸收能力。特别是在全球变暖的背景下，干旱与温度升高相互作用，使得竹林生态系统的碳水平衡更加复杂。因此，理解干旱对竹林生产力的影响，有助于评估竹林在全球碳循环中的作用，并为应对气候变化提供策略支持。

研究采用集成陆地生态系统碳循环模型（InTEC）模拟了1958年至2018年间中国竹林的生产力变化，结合部分相关性分析（partial correlation analysis）以分离干旱的独立影响。同时，利用偏最小二乘路径模型（PLS-PM）分析了干旱在气候变化背景下对竹林生产力的抵消作用。此外，研究还引入了随机森林模型和Shapley加性解释（SHAP）方法，以识别干旱对竹林生产力的影响程度及其临界点。通过这些方法，研究能够更全面地评估干旱对竹林生产力的多维度影响，并揭示其在不同气候区域的差异性。

从研究结果来看，中国竹林的生产力总体呈上升趋势，其中湿润地区的净生态系统生产力（NEP）比半干旱地区高出约30 %。这一现象表明，尽管干旱对竹林生产力具有抑制作用，但在湿润地区，竹林可能具备更强的适应能力，从而在一定程度上抵消干旱带来的负面影响。然而，研究也发现，干旱对竹林生产力的影响在不同地区表现出显著差异。在湿润地区，干旱的影响逐渐减弱，而在半湿润地区，干旱的影响却被高估。这可能与不同地区的水分供应能力和植被结构有关，也反映出干旱对竹林生产力的复杂调控机制。

进一步的阈值分析表明，当标准化降水-蒸散指数（SPEI）低于–0.53，或者帕默干旱严重度指数（PDSI）超过2.3时，干旱对竹林生产力的影响方向会发生逆转。这意味着在极端干旱条件下，竹林生产力可能不再受到干旱的抑制，而是出现显著下降。这一发现对理解竹林生态系统的响应机制具有重要意义，也提示我们应关注干旱的临界点，以更好地预测和管理竹林在气候变化中的表现。

研究还指出，竹林生态系统的生产力对干旱的响应与气候变化密切相关。气候变化导致的温度升高和降水减少，使得竹林面临的干旱压力更大。然而，竹林具有独特的生长特性，如快速生长和季节性波动，这使得其对干旱的响应比其他森林类型更为复杂。例如，夏季和湿润季节的干旱对竹林的净初级生产力（NPP）异常影响最大，而长期干旱则可能对竹林的整体生产力产生更为深远的影响。因此，研究干旱对竹林生产力的影响，不能仅关注短期变化，还应考虑其长期趋势。

此外，研究还强调了竹林在不同气候区域中的适应能力差异。中国地域广阔，气候类型多样，从东南沿海的湿润气候到西北内陆的干旱气候，竹林的生长环境存在显著差异。这种差异导致竹林对干旱的响应机制也各不相同。例如，在湿润地区，由于降水充足，竹林可能能够通过调整生长策略来缓解干旱的影响；而在半干旱地区，由于水资源稀缺，干旱对竹林生产力的抑制作用更为明显。因此，研究需要针对不同气候区域进行分类分析，以揭示干旱对竹林生产力的区域差异。

在研究方法上，本文采用了多种先进的统计和模型分析技术，以确保结果的科学性和可靠性。首先，通过部分相关性分析，研究人员能够量化干旱对竹林生产力的独立影响，排除其他环境因素的干扰。其次，利用偏最小二乘路径模型（PLS-PM），研究人员能够比较气候变化的直接效应与通过干旱间接影响的效应，从而揭示干旱在其中的调节作用。最后，通过随机森林模型和SHAP方法，研究人员能够识别干旱对竹林生产力的影响程度及其临界点，为政策制定和生态保护提供依据。

研究还发现，竹林生产力对干旱的响应具有显著的时间尺度依赖性。在长期（如几十年）范围内，干旱对竹林生产力的抵消作用超过50 %，但这种效应在短期（如10年移动窗口）范围内则有所减弱。这表明，干旱对竹林生产力的影响并非一成不变，而是受到时间尺度的制约。因此，在评估竹林生产力变化时，需要考虑干旱的持续时间和强度，以及气候变化的长期趋势。

总体而言，本文的研究结果表明，干旱是影响竹林生产力的关键因素之一，其作用在不同气候区域和不同时间尺度上存在显著差异。在湿润地区，竹林可能具备较强的适应能力，能够部分抵消干旱带来的负面影响；而在半干旱地区，干旱对竹林生产力的抑制作用更为明显。此外，研究还指出，干旱对竹林生产力的影响具有临界点，当干旱达到一定强度时，其对竹林生产力的抑制作用将显著增强，甚至可能逆转竹林的碳吸收能力。

这些发现对全球碳循环模型的改进具有重要意义。当前的模型往往忽视干旱的复杂影响，导致对竹林碳汇能力的预测不够准确。因此，未来的研究应更加关注干旱的独立作用及其在不同气候条件下的阈值，以提高模型的可靠性。同时，这些研究结果也为竹林生态系统的保护和管理提供了科学依据。在气候变化日益加剧的背景下，竹林管理者需要采取适应性措施，以应对干旱带来的挑战，确保竹林生态系统的稳定性和可持续性。

此外，研究还强调了竹林生态系统的特殊性。与其他森林类型相比，竹林具有独特的生长模式和结构，使其在应对干旱时表现出不同的适应机制。例如，竹林的快速生长特性可能使其在短期内能够恢复生产力，但在长期干旱条件下，这种恢复能力可能受到限制。因此，竹林的管理策略应结合其生长特性，采取针对性的措施，以提高其对干旱的抵御能力。

最后，本文的研究结果也提示我们，干旱对竹林生产力的影响是一个动态变化的过程，其作用不仅受到当前气候条件的制约，还可能受到未来气候变化趋势的影响。因此，在制定生态保护和碳管理政策时，应充分考虑干旱的长期趋势及其对竹林生态系统的影响，以实现可持续发展目标。竹林作为全球重要的碳汇资源，其生产力变化将直接影响全球碳循环的稳定性，因此，深入研究干旱对竹林生产力的影响，具有重要的科学价值和现实意义。