中国不同气候区气候因子对生态系统碳、水通量及水分利用效率的影响：机制与意义

在生态研究领域，明晰气候因子对生态系统碳（如总初级生产力 GPP）和水（如蒸散 ET）过程的影响至关重要。研究人员通过结构方程模型（SEM）开展研究，发现气候因子影响各异。该研究为生态系统管理提供依据，助力水资源合理调配。

　　在全球气候变化的大背景下，生态系统的碳和水过程正经历着深刻变革。总初级生产力（Gross Primary Productivity，GPP）代表着生态系统固定碳的能力，蒸散（Evapotranspiration，ET）反映了生态系统的水分散失情况，而生态系统水分利用效率（ecosystem Water Use Efficiency，eWUE）则衡量了单位水分损失下的碳同化量 ，这些指标对于评估生态系统健康状况和水资源管理意义重大。然而，以往许多研究将气候因子、叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）和根区土壤湿度（Root - zone Soil Moisture，SM_root）当作独立驱动因素，忽视了气候对植被结构和土壤湿度的影响，这种简化处理使得难以准确把握气候调节碳、水通量的关键路径。在中国，复杂多样的气候和植被类型进一步加剧了变量间相互作用的复杂性，因此，深入探究气候因子对生态系统碳、水通量及 eWUE 的影响迫在眉睫。

为了解开这些谜团，国内研究人员开展了一项极具价值的研究。研究聚焦于中国不同气候区，旨在分析 1982 - 2021 年不同气候区生态指标（EIs）的时空趋势；量化气候因子对 EIs 的总效应（STE）、直接效应（SDE）和间接效应（SIE），评估 LAI 和 SM_root的中介作用；识别影响 GPP、ET 和 eWUE 的主要气候驱动因素 。该研究成果发表在《Ecological Indicators》上，为生态领域的研究提供了新的思路和重要依据。

研究人员运用了多种关键技术方法。首先，收集多源数据，包括 1982 - 2021 年中国的月气候数据、大气 CO₂浓度数据、土地利用数据、实际蒸散数据、根区土壤湿度数据、GPP 和 LAI 数据等，并将这些数据统一到 0.25° 空间分辨率和月时间尺度。其次，采用 Pearson 相关系数和偏相关系数分析变量间的线性相关性。最后，利用结构方程模型（SEM）构建变量间的因果关系网络，计算路径系数，进而得出气候变量对 EIs 的 STE、SDE 和 SIE。

在研究结果方面：

• 生态指标的变化：从区域分布来看，GPP 和 ET 呈现从干旱区（Region I）到湿润区（Region V）逐渐增加的趋势，eWUE 在半湿润区（Region III）至湿润区相对较高。不同植被类型中，森林（FRST）的 GPP、ET 和 eWUE 值最高。时间变化上，约 71.92% 的研究区域 GPP 呈上升趋势，ET 在所有区域均增加，eWUE 的变化存在区域差异，部分区域增加，部分区域下降。
• 气候因子与生态指标的相关性：温度和降水与 GPP、ET 显著正相关，LAI 对这种正相关关系有增强作用。风速与 GPP、ET 大多呈负相关，但控制 LAI 后，风速与 GPP 的关系变为正相关。CO₂与 GPP、ET 的相关性因区域和植被类型而异，LAI 对其相关性也有明显影响。在 eWUE 方面，降水和温度与之的相关性在不同区域有所不同，风速和 CO₂与 eWUE 大多呈负相关，且 LAI 在其中起重要作用。
• 路径系数分析：温度是影响 LAI 的主要气候因子，在不同区域和植被类型中，其对 LAI 的影响程度不同。降水对 LAI 和 SM_root的影响因区域而异，风速对 LAI 大多呈负向影响，CO₂对 LAI 和 SM_root的影响因植被类型不同而不同。LAI 对 GPP 和 eWUE 大多有正向影响，对 ET 的影响在不同区域有差异；SM_root对 ET 在干旱区和部分湿润区有显著影响，对 GPP 影响较小，对 eWUE 的影响因区域和植被类型而异。
• 气候因子的直接和间接影响：温度对 GPP 的 STE 最大，主要通过 LAI 的间接效应影响 GPP。降水对 ET 的影响在干旱区更显著，在湿润区温度对 ET 影响更大。风速和 CO₂对 GPP 和 ET 影响较小，但显著降低 eWUE，在部分区域成为关键气候驱动因素。

研究结论和讨论部分指出，温度在干旱区是 GPP 的主要驱动因素，这与以往认为降水是主导因素的观点不同，主要是因为以往研究可能低估了温度通过 LAI 对 GPP 的间接影响。在干旱区，降水和 SM_root对 GPP 和 ET 影响较大，而在湿润区，温度对 GPP 和 ET 的影响更为突出。风速降低有利于 LAI 增加，进而增强碳固存，提高 eWUE。CO₂对生态系统的影响较为复杂，在不同区域和植被类型中表现不同。此外，研究还分析了不同气候区生态系统变化的原因，如在某些区域 GPP、ET 和 eWUE 的变化与降水、温度、风速和 CO₂浓度的变化密切相关。

这项研究具有重要意义。它揭示了不同气候区气候因子对生态系统碳、水通量及 eWUE 的影响机制，为理解生态系统对气候变化的响应提供了科学依据。在生态系统管理方面，有助于制定更合理的策略，以应对气候变化带来的挑战，保障生态系统的健康和可持续发展。同时，研究结果也为水资源的有效管理提供了参考，有助于优化水资源分配，提高水资源利用效率。然而，研究也存在一定局限性，如数据存在不确定性，未考虑一些重要影响因素，以及模型假设的线性和静态关系无法完全反映生态系统的复杂响应等，这些为后续研究指明了方向。