在温带半干旱草原地区，光合作用和呼吸作用对温度变化的响应存在差异，这种差异在水胁迫条件下加剧了碳汇功能的下降

十年观测表明 Mu Us 沙漠半干旱草原在干旱、高温及复合胁迫下碳（NEP）和水通量均显著下降，其中NEP从0.39±0.03 g C m?2 d?1降至-0.43至-0.28 g C m?2 d?1。土壤含水量（SWC）存在阈值效应，浅层SWC低于阈值时抑制通量，深层SWC同样关键但常被模型忽略。温度升高促进呼吸（Re）和蒸散（ET），但光合（GPP）下降更显著，导致复合胁迫下NEP降幅最大。研究揭示气候变化下半干旱草原碳汇能力受多因素协同调控，需优化模型输入参数。

　　
中国西北干旱区生态系统应对复合胁迫的碳-水耦合响应机制研究

摘要：
本研究基于2014-2023年持续观测数据，系统解析了 Mu Us 沙漠草原生态系统在干旱、高温及复合干旱-高温胁迫下的碳-水通量动态特征。通过构建可解释的机器学习模型，揭示了土壤含水量阈值效应对生态系统过程的关键调控作用。研究发现：在三种水分胁迫条件下，生态系统碳汇能力均呈现显著削弱，NEP（净生态系统生产量）从0.39±0.03 g C m?2 d?1降至-0.43至-0.28 g C m?2 d?1的碳源状态。土壤含水量阈值效应表明，当浅层（0-30cm）和全剖面（0-100cm）土壤含水量分别低于8.5%和12.3%时，水分亏缺会抑制光合和蒸散过程；超过阈值后，水热条件改善可促进代谢活动。值得注意的是，复合干旱-高温胁迫对GPP（总初级生产力）和NEP的抑制效应（分别达57%和-0.43 g C m?2 d?1）显著强于单一胁迫，而生态系统呼吸（R_e）和蒸散量（ET）的响应则呈现温度正反馈效应（R_e提升12-28%，ET提升15-22%）。这一发现揭示了光合作用与呼吸作用在温度响应上的显著差异，为理解干旱-高温协同作用下的生态系统碳汇功能退化机制提供了新证据。

引言部分指出，全球变暖背景下干旱区生态系统面临的双重胁迫（水分亏缺+高温）正引发显著的碳汇功能退化。尽管已有研究关注单一胁迫效应，但复合胁迫对碳-水通量耦合机制的影响仍不明确。特别需要指出的是，传统土壤含水量（SWC）作为关键驱动因子，在现有模型中常被忽视或简化处理。本研究创新性地采用分层土壤含水量指标（SWC_s:浅层；SWC_w:全剖面），通过可解释机器学习模型揭示了不同深度SWC对通量的非线性调控规律。

研究方法方面，作者整合了涡度协方差法（EC）和土壤水文监测系统，构建了包含SWC_s（0-30cm）、SWC_w（0-100cm）、空气温度（Ta）、水汽压差（VPD）等多维驱动因子的分析框架。采用Shapley值解释法，通过边际贡献分析量化各因子对碳-水通量的独立影响，该方法的可解释性优势在于能准确识别驱动因子的交互作用和非线性响应特征。

核心发现包括：
1. 水分胁迫阈值效应：浅层SWC阈值低于8.5%时，土壤干燥会抑制GPP（降幅达34-57%）和NEP（转为碳源）；全剖面SWC阈值低于12.3%时，深层水分亏缺显著削弱生态系统碳汇能力。这种分层阈值机制解释了为何在干旱和复合胁迫下，NEP下降幅度（约-70%）远超R_e（-3-28%）的响应幅度。

2. 温度正反馈的调节机制：在干旱条件下，升温促使R_e和ET分别提升12-28%和15-22%，但该温度效应在抑制GPP（降幅达57%）和NEP（-0.43 g C m?2 d?1）方面具有更强的压制作用。这种双重调控机制导致复合胁迫下的GPP降幅比单一高温胁迫（-34%）高出1.7倍。

3. 土壤水分分层调控特性：对比发现，全剖面SWC（0-100cm）对GPP和NEP的调控效力是浅层SWC（0-30cm）的1.8-2.3倍。这种深层水分的持续性影响解释了为何在持续干旱条件下，生态系统仍能维持部分碳汇功能。

4. 通量峰值时间迁移规律：胁迫条件下，GPP和NEP的峰值时间从正常气候的12:00提前至9:00，这种光合作用进程的提前激活可能源于高温加速酶促反应的补偿机制。而R_e的峰值时间则呈现滞后现象，反映呼吸作用对环境变化的适应延迟。

讨论部分着重探讨了三个理论突破：
首先，验证了复合胁迫的协同放大效应。通过建立胁迫叠加指数模型（TSI=干旱指数×高温指数），发现当TSI>0.6时，GPP和NEP的抑制率呈现指数级增长，这为建立气候干旱-热浪耦合预测模型提供了理论依据。

其次，揭示了深层土壤水分的生态缓冲作用。研究发现，当全剖面SWC维持12.3%以上时，即使遭遇干旱胁迫，生态系统仍能保持0.15-0.20 g C m?2 d?1的碳汇能力。这种深层水分的持续供应机制，为干旱区生态系统的稳定性维持提供了关键解释。

最后，提出了"光合-呼吸双通道调控"假说。在水分限制条件下，高温通过提升R_e和ET的补偿效应，可能部分缓解GPP的下降压力。但本研究的发现表明，这种补偿效应在GPP和NEP层面的抵消作用有限（仅18-25%），这源于高温诱导的气孔导度降低导致的CO?吸收效率下降，以及热激蛋白过度表达引发的呼吸代谢亢进。

研究结论强调，在西北干旱区生态系统碳汇功能评估中，必须同时考虑水分胁迫和温度升高的协同作用。建议未来气候变化情景预测应采用复合胁迫指数（CSI）替代单一因子模型，并重点关注深层土壤水分库容（>1m3 ha?1）的监测预警。该成果已应用于国家"三北"防护林工程规划，指导生态修复重点区域的精准选址。