复合干旱 - 高温极端事件下中国陆地生态系统碳汇 - 碳源转变风险上升

《Journal of Hydrology》：Rising risk of carbon sink-source transition in China’s terrestrial ecosystems under compound drought-heat extremes

　　

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  提出了一种碳汇-源转换的风险评估框架。
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  未来汇-源转换的高风险区域向华南地区扩展。
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  强调了水分可用性和热胁迫对碳平衡的控制作用。

引言

在全球气候变化的背景下，极端天气事件日益频发，其中复合干旱-热浪事件（即干旱伴随高温，CDHE）的频率、强度和持续时间尤为显著增加。这些复合极端事件给区域经济发展和生态环境造成了巨大损失（He et al., 2022, Heino et al., 2023）。陆地生态系统作为全球碳循环的关键组成部分，在调节大气碳浓度和缓解气候变化方面发挥着至关重要的作用。然而，越来越多的证据表明，极端气候事件可能通过破坏植被光合作用、呼吸过程以及整体生态系统稳定性来削弱陆地碳汇功能，甚至诱发从碳汇向碳源的转变（Li et al., 2019, Piao et al., 2020, Wang et al., 2023a）。如果未能对高碳排放生态系统进行有效的保护、恢复和减缓，这些生态系统可能会日益演变为温室气体排放源，从而大幅加剧人类社会应对气候变化所面临的挑战（P?rtner et al., 2022）。因此，了解陆地生态系统碳汇的变化及其潜在的驱动机制已成为碳循环研究的核心焦点。

观测到的全球陆地碳汇下降和变异性增加在很大程度上受降水和温度格局变化的驱动。例如，气温升高和气候变异性增强已被确定为1981–2018年期间陆地生态系统净生物生产力不稳定的关键因素（Fernandez-Martinez et al., 2023）。在中国，全国26.7%的国土范围内碳汇不稳定性增加，其中降水变异性是主导驱动因素（Shi et al., 2025）。干旱通过限制水分可用性而制约植物生理过程，而高温则加剧蒸腾作用，加速土壤水分消耗，并可能直接损害植物组织。因此，CDHE对陆地生态系统的影响比单一极端事件更为严重。例如，2003年欧洲CDHE导致区域碳汇强度显著降低（Ciais et al., 2005）。Tschumi等（2023）基于多个全球植被动态模型的模拟表明，频繁的CDHE对植被碳储量的削减作用大于单一事件效应之和，且各模型一致显示此类事件导致树木覆盖度下降。Yang等（2025）对中国亚热带地区城市森林的观测进一步表明，CDHE期间生态系统净交换量减少了66%，而同期发生但未伴随热浪的短期干旱几乎没有显著影响，突显出复合胁迫的生态效应远超单独干旱的影响。与单一干旱事件相比，CDHE平均使生态系统恢复时间延长一个月以上，且在干旱地区的延迟效应比湿润地区更为明显（Yao et al., 2024a）。Li等（2026a）进一步表明，伴有水汽输送减弱和对流活动受抑制的破纪录CDHE可能导致更严重的生态系统损害，造成全球平均总初级生产力（GPP）额外损失达?2.76至?3.96 gC/m²/月。此外，在中国农业生态系统中，CDHE所引发的农业风险预计在2053–2100年期间相对于历史时期将增加约1.3倍（Zhang et al., 2023a）。总体而言，这些发现突显了CDHE对全球陆地生态系统日益加剧的威胁。

近年来，极端气候事件对陆地生态系统的风险已成为生态系统研究的主要焦点。风险通常被定义为气候相关危险、受影响系统的暴露度及其脆弱性之间动态相互作用的结果（P?rtner et al., 2022）。定量风险评估方法越来越多地应用于生态系统研究。例如，He等（2021）通过将干旱发生概率与干旱引起的GPP下降幅度相结合来量化GPP下降的风险，识别出美国东南部、南欧、非洲、东亚和澳大利亚东部的高风险区域。同样，Nandintsetseg等（2021）通过将干旱频率与生态系统脆弱性（定义为干旱年与非干旱年之间生态指标的差异）相结合来评估蒙古高原的生态风险。在青藏高原，Wang等（2024）开发了一种将气象趋势与生态退化指数耦合的生态风险评估框架，证明降水减少和气候变化（变暖或变湿）可大幅加剧生态风险。在珠江流域，Fang等（2023）应用了时变干旱频率、暴露度和脆弱性模型来系统评估干旱引起的动态生态系统风险。此外，地球系统模型模拟表明，中国的生态风险区域正在扩展，河套平原和山东半岛成为突出的生态风险热点（Sun et al., 2024）。总体而言，现有研究主要关注单独干旱或热浪事件对植被的影响，侧重于与植被功能损害相关的风险分析。然而，对复合干旱-热浪事件对生态系统碳汇功能的影响以及相应的风险量化仍关注不足。

总体而言，气候变化对陆地生态系统造成的风险源于外部因素（即气候极端的危险性）和内部因素（即生态系统暴露度和脆弱性）的共同影响（P?rtner et al., 2022, Rahman et al., 2025）。IPCC第六次评估报告（AR6）进一步强调，脆弱性评估不仅应考虑系统对危险的敏感性，还应考虑响应和适应能力。在此背景下，将碳汇韧性（定义为生态系统在受到扰动后恢复至原始碳平衡的能力）与碳汇-源转换概率纳入脆弱性评估框架，可以更具碳循环视角地更准确地刻画生态系统脆弱性。这种整合能够更全面地表征生态系统在气候胁迫下的适应性和恢复潜力。

受亚洲夏季季风气候和人类活动的影响，中国陆地生态系统碳汇表现出显著的年际变异性（Zhang et al., 2019）。尽管在评估气候变化相关的生态系统风险方面已取得重大进展，但在复合干旱-热浪胁迫下碳汇-源转换风险仍基本未被探索，未来CDHE对此类转换风险的动态影响尚未被量化。系统地探索碳汇-源转换风险的历史演变和未来趋势，对于深入理解植被-气候反馈以及实现碳中和目标具有重要意义。针对这些空白，本研究开发了一种在复合干旱-热浪胁迫下陆地生态系统碳汇-源转换风险评估框架。我们旨在系统评估中国历史和未来时期CDHE下碳汇-源转换的风险与动态，并识别驱动这些变化的关键机制。本工作为理解陆地生态系统对复合气候极端的响应提供了重要见解，并为气候变化适应和碳管理策略提供了科学支持。

章节摘要

历史气象和干旱数据

1982–2022年的月降水量（PRE）、平均气温（TMP）、最高气温（TMX）、潜在蒸散发（PET）和实际水汽压（AVP）数据取自东安格利亚大学气候研究单元（CRU）提供的CRU TS v4.07数据集。水汽压亏缺（VPD）数据基于TMP和AVP计算得到。月土壤含水量（SM）、风速（WS）、长波辐射（RAD_L）和短波辐射（RAD_S）数据集为

NEP的空间分布和CDHE的发生概率

中国历史时期（1982–2022年）和未来时期（2023–2100年）陆地生态系统暴露度（以NEP表示）的空间分布如图1所示。中国历史时期的多年平均NEP为43.5 gC/m²，在SSP126情景下增至59.0 gC/m²，SSP245情景下为59.2 gC/m²，SSP370情景下为65.55 gC/m²，SSP585情景下为68.5 gC/m²。空间上，多年平均NEP呈现明显的东西梯度，中国东部数值较高

影响因子对历史碳汇-源转换风险和动态的相对贡献

已有研究表明，CDHE的发生受多个相互作用的 climatic 因子控制（Chen et al., 2025, Miralles et al., 2019）。为了识别塑造历史时期碳汇-源转换风险空间分布和时序动态的主导因子，我们应用了XGBoost-SHAP归因框架来量化不同因子的相对贡献（参数选择见表S1）。结果表明，差异显著

结论

本研究开发了一种综合风险评估框架来量化复合干旱-热浪胁迫下陆地生态系统的碳汇-源转换风险。利用该框架，我们系统评估了中国历史和未来时期转换风险的时空格局和动态，并识别了塑造风险演变的关键气候和环境驱动因素。

我们的结果表明，在历史时期，碳汇高

CRediT作者贡献声明

郭文文：撰写–初稿，软件，方法论，形式化分析，数据整理。黄胜智：撰写–审稿与编辑，方法论。孙士昆：撰写–审稿与编辑，监督，基金获取。陈德良：撰写–审稿与编辑。黄强：撰写–审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明，不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到河南省自然科学基金重点项目（252300421259）、国家自然科学基金（52409070）、干旱区农业陕西省重点实验室研究项目（2024ZY-JCYJ-02-40）、中央高校基本科研业务费专项资金（2452026048）以及新疆组团式科技支援和柔性援疆专家人才计划（2025000282）的支持。

郭文文|黄胜智|孙士昆|陈德良|黄强