CO2浓度升高对黄土高原水碳耦合过程的影响机制与空间异质性研究

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Evaluating the impact of elevated CO 2 on the hydrological cycle and carbon budgets in the loess plateau

本研究针对半干旱区生态脆弱性加剧背景下CO2浓度升高（eCO2）对水碳相互作用机制不清的难题，采用高分辨率社区陆面模式CLM5，系统量化了黄土高原不同土地利用类型对eCO2的响应差异。研究发现eCO2使植被水分利用效率（WUE）提升但边际效益递减，森林生态系统通过深层根系优化实现碳吸收倍增和基流增加，而农田因灌溉管理弱化响应。该研究为生态恢复区水资源优化和碳汇管理提供了关键科学依据。

　　

随着工业革命以来大气CO₂浓度从280 ppm飙升至420 ppm，全球气候系统正经历着前所未有的变化。在生态脆弱的半干旱地区，这种变化尤为显著——以中国黄土高原为例，该区域既是黄河泥沙的主要来源地，又正实施大规模退耕还林工程。然而，当前陆面模型往往将植被功能类型均质化处理，难以捕捉不同生态系统（森林、草地、农田）对CO₂升高的差异化响应，这严重制约了区域气候适应策略的精准制定。

为破解这一难题，太原理工大学水文水资源科学与工程学院的团队在《Journal of Hydrology: Regional Studies》发表最新研究，通过耦合水文-生物地球化学过程的社区陆面模型CLM5（Community Land Model version 5），以0.0625°的高空间分辨率模拟了2000-2023年期间黄土高原对CO₂浓度升高的响应。研究设计了两组对比实验：固定CO₂浓度（369 ppm）的C_fix实验与动态CO₂浓度（369-420 ppm）的C_var实验，从而分离出纯粹的CO₂生理效应。

关键技术方法包括：基于中国气象局2481个站点插值生成的0.0625°格点驱动数据；融合MODIS土地覆盖数据和作物分布图谱；利用FLUXNET通量塔观测（庆阳草地站和小浪底森林站）验证模型；采用Medlyn气孔导度模型量化CO₂对蒸散发的抑制效应。

研究结果揭示出显著的空间异质性规律：

模型性能验证表明，CLM5能准确捕捉不同生态系统的水碳通量季节动态，与通量塔观测的相关系数达0.54-0.75，空间分布与MODIS产品偏差控制在±20%以内。

水文预算变化显示，eCO₂使蒸散发（ET）年均减少1.42 mm，基流增加1.09 mm，但地表径流变化不显著。森林响应最为剧烈，其基流增幅达2.35 mm/yr，ET降低2.81 mm/yr，而农田因灌溉管理仅产生0.49 mm/yr的基流增益。

碳收支分析发现，eCO₂使总初级生产力（GPP）增长2.78 gC/m2/yr，植被碳库（TOTVEGC）以19.16 gC/m2/yr的速度累积，但土壤有机碳（TOTSOMC）仍以6.01 gC/m2/yr的速率流失，反映碳汇功能从土壤向植被转移的趋势。

水分利用效率（WUE）呈现生态系统特异性：森林WUE提升50%，草地次之，农田仅增10%。值得注意的是，WUE/CO₂比值在23年间下降14%，表明CO₂施肥效应存在边际效益递减现象。

讨论部分深入剖析了水碳耦合机制的空间分异根源：森林深层根系能将蒸散减少节约的水分转化为地下水补给，而农田灌溉实践破坏了自然水文循环；土壤碳持续流失可能与升温加速异养呼吸、灌溉引起淋溶及黄土持碳能力弱等多重机制相关。

该研究的创新价值在于突破了传统模型对植被响应的均质化处理，首次在区域尺度揭示出不同土地利用类型对CO₂升高的差异化反馈路径。研究结论为黄土高原生态修复工程提供了重要启示：在东部湿润区优先布局森林可协同提升碳汇与水资源效益，而西部旱区应注重草地生态系统保护以规避水资源风险。这些发现对优化"碳中和"背景下的陆地生态系统管理策略具有重要指导意义。