优化旱区生态恢复：揭示碳-水综合使用效率的滞后与非线性阈值效应

《Journal of Environmental Management》：Optimizing dryland ecological restoration: Unveiling the lagged and nonlinear threshold effects on carbon-water compound use efficiency

　　

• LCC与VIE共同识别出生态恢复区域。
• CUE在干旱区和半干旱区均表现出一致的5年滞后。
• WUE和COM在干旱区表现出3–5年的滞后，但在半干旱区则即时响应。
• SGRRs和VRRs在干旱区每1公里格网的适宜恢复范围为23%–48%。
• 在半干旱区，每1公里格网恢复超过60%时未产生负面影响。

**引言**

近几十年来，人类活动的加剧和全球环境变化加速了广泛的土地退化，导致生态系统退化以及碳和水文功能受损。这些挑战催生了全球大规模的生态恢复计划（Strassburg等，2020；Hou等，2023）。特别是联合国生态系统恢复十年和波恩挑战等全球倡议推动了全球范围内的生态系统恢复和土地退化缓解（Tedesco等，2023；Vezzoni等，2023）。中国实施了全球最大、持续时间最长的若干生态工程项目，包括退耕还林工程、三北防护林工程和天然林保护工程（Liu等，2023a）。这些工程已成为生态脆弱区大规模生态恢复的典范（Zhao等，2024）。大量研究表明，这些工程显著增强了植被恢复、生态系统生产力和生态系统服务供给，从而改善了区域生态条件和生态系统服务能力。

目前关于生态恢复效益的研究大多集中在植被绿化方面，通常采用归一化植被指数、植被覆盖度和叶面积指数等指标进行评估（Zhao等，2022；Liu等，2025b）。尽管这些指标能够捕捉植被数量和生态系统结构的变化，但它们对生态系统功能表现，特别是水资源利用可持续性和碳固存的洞察有限。在干旱和半干旱地区，过度的植被恢复可能增加蒸散发和水分消耗，从而降低水分利用效率（WUE），并与区域水资源可持续性产生权衡关系（Ma等，2022）。因此，仅基于植被绿化的评估可能高估恢复效果并忽视生态系统功能的变化，凸显了对功能性指标的迫切需求。与传统的植被指标相比，WUE和碳利用效率（CUE）提供了互补的功能性视角来反映生态系统资源利用性能。WUE量化了每单位水分消耗所固定的碳量，反映了水分约束下的碳获取效率（Xu等，2021；Pan等，2024），而CUE表示同化碳中以净碳积累形式保留的比例，反映了碳利用和固存效率（DeLucia等，2007；Yang等，2025）。由于WUE和CUE表征了生态系统碳水功能的两个不同但密切相关的维度，它们对生态恢复的响应可能存在差异，使得单一指标不足以捕捉恢复的整体功能后果。为弥补这一局限，将碳和水分资源利用特征相结合的综合功能性指标——碳水复合利用效率（COM）——被越来越多地应用于评估生态系统功能表现。尽管COM存在固有局限，包括计算框架相对统一、对植被类型差异考虑不足以及区分碳和水过程对复合效率变化独立贡献的能力有限，但它提供了一种综合衡量手段，是CUE或WUE单独无法轻易替代的（Yang等，2024）。通过同时纳入碳固存和水分消耗，COM表征了生态系统碳水过程的总体功能协调性，并减少了因单一碳或水功能权衡而产生的评估偏差。生态工程改变了植被结构、土壤性质和水热条件，从而重塑了生态系统碳水功能（Zhang和Wu，2024）。因此，通过WUE、CUE和COM评估恢复效果克服了基于绿化评估的局限性，提供了更全面的生态系统碳水功能和可持续性评价，从而支持更有效的生态工程和管理。

现有关于CUE和WUE对环境变化响应的研究主要集中在由自然因素和社会经济因素驱动的非线性响应和阈值特征上。例如，之前的研究证实，降水梯度主导了干旱区WUE和CUE的时空变化，而人类土地开垦活动可以显著改变生态系统原有的碳水耦合关系（Bai等，2020；Yue等，2025）。然而，生态恢复作为干旱区有针对性、大规模的人类驱动型生态调控措施，很少被独立作为核心驱动因素来系统探索其对碳水功能效率的影响。此外，大多数现有研究采用同步响应框架来评估恢复效果，遵循了一个隐含假设，即生态系统功能指标能够即时响应生态恢复。事实上，在恢复实施后短期内植被覆盖可以快速改善，而土壤结构优化、水分调节能力增强和碳汇积累则需要长期的生态演替过程，导致功能响应出现显著的时滞效应（He等，2026）。例如，Yang等（2023）表明，黄土高原土壤有机碳和氮储量的增加表现出强烈的长期积累模式，只有在长期恢复后才显现出显著改善。同样，Huang等（2022）发现恢复时长是土壤碳固存的关键驱动因素，更长的恢复期通常与更大的碳积累相关。此外，由于气候条件、地形、植被组成和恢复策略的差异，不同区域的生态响应差异显著。Smith和Boers（2023）报告称，植被生态系统的恢复力与区域水分可用性和降水变率密切相关，导致在不同气候条件下生态系统对环境变化的响应存在显著差异。在干旱区，干旱度梯度强烈调控着植被恢复、生态系统恢复力和碳水相互作用，导致干旱区和半干旱区之间的恢复轨迹出现分歧。尽管有这些进展，WUE、CUE和COM对生态恢复的滞后响应及其在干旱区之间的变化仍然知之甚少。为定量捕捉和评估生态指标的滞后非线性响应，已开发并广泛应多种分析方法于生态和环境研究中，包括传统相关分析、分段回归、广义加性模型和时间序列滞后回归模型（Liu等，2023b, 2024a；Detmer等，2025）。然而，大多数传统方法在联合表征滞后时长、滞后强度和非线性阈值响应方面的能力有限，特别是当生态响应在多个滞后期内变化时。作为一种更灵活的时间序列分析方法，分布滞后非线性模型（DLNM）能够同时表征不同滞后期内暴露强度与生态响应之间的非线性关系，从而弥补传统方法在捕捉动态滞后和非线性效应方面的不足（Xu等，2024）。目前，DLNM在环境和生态研究中的应用日益广泛，特别用于研究植被和生态系统功能对环境胁迫的滞后非线性响应（Yin等，2025）。然而，其在干旱区生态恢复强度与碳水功能效率滞后耦合关系方面的应用仍然有限。诚然，在本研究中应用DLNM仍面临某些挑战，如自然生态系统中多种混杂因素的复杂干扰（Wang等，2024a）。尽管如此，DLNM为量化连续滞后响应过程、识别主要滞后期和表征不同环境条件下的非线性响应阈值提供了有用的框架，从而为研究干旱区生态恢复功能评估中未解决的滞后机制和定量响应阈值提供了合适的分析基础。

宁夏—内蒙古段黄河流域代表了生态恢复与水资源约束并存的典型干旱—半干旱过渡带。大规模的生态工程显著改善了植被状况，但随之而来的生态系统水分消耗增加可能抵消恢复效益并改变生态系统碳水功能。然而，当前研究中的核心未解决科学问题不仅仅是生态恢复能否改善干旱区生态系统碳水功能，而是其影响是否呈现显著的非线性特征、恢复诱导的功能改善效果能持续多久，以及在干旱区和半干旱区之间是否存在差异化的最优恢复阈值。干旱区和半干旱区之间显著的气候梯度和截然不同的生态条件为考察生态系统功能对生态恢复的滞后和阈值响应提供了有价值的背景。在此背景下，本研究聚焦于宁夏—内蒙古段黄河流域，整合了2000—2022年的多源遥感和生态数据集，以实现四个关键目标：（1）识别2000—2022年期间由生态工程活动驱动的生态恢复区域；（2）表征干旱区和半干旱区WUE、CUE和COM的时空动态和长期趋势；（3）研究不同干旱条件下生态恢复与WUE、CUE和COM变化之间的滞后响应关系；（4）确定不同滞后期恢复面积与生态系统功能响应之间的最优阈值关系。研究结果有望为优化生态工程策略、改善水资源配置以及提高干旱区和半干旱区生态恢复的资源利用效率和长期可持续性提供科学依据。

**研究区概况**

研究区（37°03′–42°05′N，104°15′–112°56′E）位于黄河流域宁夏—内蒙古段，涵盖宁夏回族自治区银川市、石嘴山市、吴忠市和中卫市的相关县区，以及内蒙古自治区阿拉善盟、巴彦淖尔市、包头市、鄂尔多斯市、呼和浩特市、乌海市和乌兰察布市的相关县区。该区域从宁夏中卫市沙坡头区向东延伸至内蒙古自治区呼和浩特市托克托县，南北跨度从……

**生态恢复区域的时空动态**

从空间格局看，三种恢复类型主要集中在研究区的中部和东南部，而西部和北部地区的恢复斑块相对较少（图3a）。在干旱区，FRRs散落在北部山地沿线；SGRRs稀疏分布于中部和东部地区。VRRs是主要的恢复类型，主要出现在中部和南部地区。在半干旱……

**生态恢复类型的空间分异及恢复路径的区域差异**

2000—2022年期间，研究区生态恢复类型表现出显著的空间异质性。三种恢复类别主要集中在中部和东南部地区，而西部和北部地区则相对稀疏。这种空间分异部分与干旱区和半干旱区截然不同的环境条件有关，这些条件塑造了植被恢复的基线潜力和空间……

**结论**

本研究系统揭示了2000—2022年黄河流域宁夏—内蒙古段生态恢复格局的时空演变，并量化了其对CUE、WUE和COM的滞后响应和非线性阈值效应。生态恢复以VRRs为主导，在两种气候带中持续扩展，且半干旱区的恢复启动时间更早。CUE、WUE和COM在半干旱区总体高于干……

**CRediT作者贡献声明**

李鑫：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，调查，概念化。李旭：可视化，验证，调查。陈扬：调查。周子延：调查。曾卫光：调查。陈新创：可视化，验证，调查。安春春：可视化，验证，调查。李金荣：撰写—审阅与编辑，可视化，验证，调查，概念化。董志：撰写—

**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道的工作。

**致谢**

本研究由内蒙古自治区重大科技项目（2024JBGS0013-05）和内蒙古自治区科技计划项目（2025YFHH0153）资助。

李鑫 | 李旭 | 陈扬 | 周子延 | 曾卫光 | 陈新创 | 安春春 | 李金荣 | 董志