塔里木河干流缺水区碳储量的动态模拟与关键驱动机制：基于PLUS-InVEST-SEM模型的集成研究

针对干旱内陆河流域缺水区碳储量动态机制不清的问题，研究人员集成PLUS模型、InVEST模型和SEM结构方程模型，系统分析了1990-2020年塔里木河干流土地利用/覆被变化(LUCC)与碳储量的时空演变，模拟了自然发展(ND)、耕地保护(CP)和生态保护(EP)三种情景下2030-2050年的变化趋势。研究发现生态保护情景可显著缓解碳储量损失（较耕地保护情景多储存56×105 吨碳），揭示了LUCC是碳储量变化的直接主导驱动因子，而上中下游碳储量分别受社会经济、自然地理因素间接调控。该研究为干旱区碳管理提供了科学依据。

　　

在全球气候变化背景下，陆地生态系统碳储量作为长期碳汇过程的累积结果，已成为评估生态系统响应和实现"双碳"目标的关键指标。然而，干旱内陆河流域由于极端气候条件、水资源短缺和生态系统脆弱性，其碳储量动态表现出显著的不确定性和空间异质性。特别是缺水区——这些区域因频繁干旱、低植被覆盖和波动水文导致碳动态不稳定，其碳储量演化机制仍缺乏系统研究。塔里木河作为典型的干旱内陆河，长期面临农业灌溉、工业用水和城市扩张导致的水资源过度开发，造成下游生态系统严重退化，成为研究缺水区碳循环的理想案例。

为揭示缺水区碳储量演变规律，研究人员开展了一项创新性研究。通过整合Patch-generating Land Use Simulation (PLUS)模型、Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs (InVEST)模型和Structural Equation Model (SEM)，构建了"时空演变-情景预测-驱动机制"的全链条分析框架。研究系统解析了1990-2020年塔里木河干流上中下游(UTR/MTR/LTR)的土地利用变化特征，模拟了三种发展情景下(自然发展ND、耕地保护CP、生态保护EP)2030-2050年的碳储量变化，并定量识别了碳储量空间分异的直接和间接驱动因素。

研究采用了多模型协同的技术路线：基于地理探测器筛选驱动因子后，运用PLUS模型模拟土地利用变化，通过InVEST模型碳模块评估四类碳库(地上生物量、地下生物量、土壤有机碳和死亡有机质)的时空动态，最后采用SEM解析自然地理、社会经济因素对碳储量的直接/间接影响路径。研究区域覆盖塔里木河干流1321公里河段，数据包括1990-2020年四期30米分辨率土地利用数据，以及DEM、降水、温度等12类驱动因子。

研究结果揭示了塔里木河碳储量的时空演变规律。1990-2020年间，耕地和建设用地显著增加，而草地和水体持续减少，导致区域总碳储量下降9%(391.71×10⁵
吨)。空间上，耕地扩张在UTR呈块状、在MTR沿河谷带状分布，碳储量高值区集中于水体周边并呈东西向带状分布。情景模拟显示，到2050年EP情景较CP情景可多储存56×10⁵
吨碳，有效缓解了碳损失。

驱动机制分析发现：UTR碳储量主要受社会经济因素直接(-0.27)和间接(-0.47)负向影响；MTR以自然地理条件为主导，通过影响LUCC(-0.47)间接调控碳储量；LTR则同时受自然地理(-0.15)和社会经济(0.14)因素直接作用，后者通过强烈影响LUCC(-0.62)产生间接效应。这表明缺水区碳储量变化是"自然-社会"复合系统协同作用的结果。

讨论部分深入剖析了研究发现的理论与实践意义。与湿润区不同，塔里木河即使在生态保护情景下也未能实现碳储量增长，这凸显了干旱区水资源约束对碳汇能力的根本限制。研究指出，2001年启动的塔里木河流域综合治理工程虽通过生态输水局部改善了胡杨(Populus euphratica)和柽柳(Tamarix chinensis)群落，但整体植被恢复仍受气候极端性和长期缺水制约。与三江源等半湿润区相比，该区域碳汇提升面临更大挑战，说明单纯保护政策难以突破水文阈值限制。

该研究的创新性在于首次系统揭示了缺水区碳储量的"水-土-碳"耦合机制，提出了干旱区内陆河碳管理的差异化策略：上游需调控社会经济活动强度，中游应优化自然地理条件对土地利用的调控作用，下游则要增强生态输水与碳汇政策的协同性。研究建议未来整合车尔臣河等支流水资源，建立丰枯调配机制，同时通过轮牧休牧、退耕还林等措施提升生态系统稳定性。这些发现为干旱区实现"双碳"目标提供了科学依据，对全球类似气候区的生态恢复也具有参考价值。

论文的局限性在于使用固定碳密度参数，未能反映气候波动下的动态变化。未来研究可结合LP-CA模型和SSP气候情景，提升预测精度。该成果发表在《Ecological Informatics》，为干旱区碳循环研究树立了方法学标杆，其"模型集成-机制解析-策略优化"的研究范式也可拓展应用于其他生态脆弱区。