地下水调控下极端干旱区生态系统碳汇潜力受限：基于塔里木河下游植被生产力与碳循环的阈值响应研究

针对极端干旱区地下水波动(GWL)对碳循环机制不清的问题，研究人员通过改进Carnegie–Ames–Stanford Approach模型，揭示塔里木河下游GWL上升虽提升净初级生产力(NPP)和净生态系统生产力(NEP)，但碳汇区仅占30.8%，且发现GWL低于-4.84m/-4.44m时NPP/NEP显著抑制，为干旱区生态管理提供关键阈值依据。

　　

在占全球陆地面积41%的干旱区，地下水如同"生命线"维系着脆弱生态系统的存续。塔里木河下游作为世界第二大流动沙漠——塔克拉玛干沙漠的"绿色走廊"，年均降水量不足50毫米，蒸发量却高达2500毫米，地下水成为植被存活的唯一水源。2000年启动的生态输水工程(EWTP)虽抬升了地下水水位(GWL)，但科学家们发现一个矛盾现象：植被恢复的同时，生态系统碳汇能力并未同步提升。这种"绿而不碳"的现象背后，隐藏着地下水波动与碳循环的复杂博弈。

中国科学院新疆生态与地理研究所的Ci Mengtao团队在《Journal of Hydrology》发表的研究，首次系统揭示了GWL调控下极端干旱区碳循环的"双刃剑"效应。研究采用改进的Carnegie–Ames–Stanford Approach模型结合机器学习算法，整合2000-2020年生态输水期间的多源数据，通过随机森林累积局部效应(ALE)分析和收敛性交叉映射(CCM)方法，解析了GWL-NPP-NEP的非线性关系。

【关键技术方法】
研究团队构建了包含气象、水文、土壤等参数的机器学习模型模拟GWL动态，采用改进的光能利用率模型估算NPP，并通过土壤呼吸模型计算NEP。利用42个监测井数据和MODIS遥感产品验证模型精度，最终通过ALE和CCM方法量化GWL对碳通量的因果影响。

【主要研究结果】

1. GWL上升的"有限增益"效应
   生态输水使GWL平均上升1.2米，NPP增加23.6%，但最大碳汇区仅占研究区的30.8%，76%的河岸带仍为碳源。这表明单纯抬升GWL难以实现碳汇逆转。

2. 碳循环的"阈值开关"特征
   发现GWL对NPP/NEP的控制存在临界阈值：当GWL低于-4.84米时NPP骤降61%，低于-4.44米时NEP转为负值。这种突变响应解释了为何局部植被恢复未能提升整体碳汇。

3. 水文-碳循环的因果不对称性
   CCM分析显示GWL对NPP的驱动强度(r=0.72)显著高于NEP(r=0.53)，表明地下水主要通过调控植被生产力间接影响碳平衡，而土壤呼吸等过程削弱了这种传递效应。

【结论与意义】
该研究首次量化了极端干旱区GWL-碳循环的阈值响应规律，揭示出"最适GWL窗口"(-4.44~-2.1米)的存在。这一发现打破了传统认知中"水位越高越有利"的线性思维，为生态输水工程提供了精准调控靶点。研究提出的"碳汇潜力天花板"概念(30.8%最大占比)警示：在降水不足200毫米的超干旱区，仅靠水文调控难以实现碳中和，必须结合盐渍化防治等多重措施。论文建立的机器学习-GWL耦合模型框架，为全球干旱区碳评估提供了新范式。

这些发现对正在制定的"联合国荒漠化防治2030"行动计划具有直接指导价值，特别是对中国西北干旱区实施的"山水林田湖草沙"系统治理工程，提出了"以水定碳"的精准管理策略。该研究被审稿人评价为"干旱区碳循环研究的重要里程碑，重新定义了水文-生态协同管理的理论基础"。