植被对复合型热浪与干旱极值的线性抗性及阈值控制的恢复机制

《Global and Planetary Change》：Linear resistance but threshold-controlled recovery of vegetation to compound heatwave–drought extremes

　　

摘要

全球变暖加剧了复合热浪-干旱极端事件的频率和强度，给生态系统稳定性带来了越来越大的威胁。然而，植被在初始抵抗阶段与后续恢复阶段的响应如何权衡，以及这些阶段是否由不同的机制调控，目前仍不清楚。在此，我们构建了一个可解释的集成学习框架，用于系统量化抵抗与恢复之间的权衡关系，并揭示全球生态系统中的调控机制。研究结果表明，植被的抵抗能力与恢复能力之间存在明显的时空权衡关系。在空间上，两者呈现显著的负相关关系（r?=??0.318，P?

引言

随着全球气候持续变暖，极端气候事件的频率和强度显著增加，这已成为当代气候与生态研究的重要焦点（IPCC，2023）。其中，复合热浪-干旱极端事件——即多种气候压力因素同时出现的现象——在全球范围内的发生频率也在不断上升（Zscheischler等人，2018）。与单独的干旱或热浪相比，复合极端事件不仅会加剧植被的水分压力，还会因温度升高而增加蒸腾作用并抑制光合作用，最终导致植物生长受阻，生态系统功能大幅下降（Ciais等人，2005；Goulden和Bales，2014）。值得注意的是，虽然持续时间较短的复合极端事件在时间上较短，但往往会造成更严重的生态干扰，并引发迅速而强烈的生态系统反应。因此，了解植被对复合极端事件的响应机制对于评估其环境影响以及预测未来气候变化情景下的生态系统发展态势至关重要。

抵抗能力和恢复能力是植被固有的生态属性，二者共同构成了从抵抗到恢复的完整动态响应过程。量化这些属性对于评估生态系统稳定性具有重要意义。通常，抵抗能力是通过干扰期间的相对偏差值、抵抗率或抵抗时间来衡量的（Abel等人，2024；Liu等人，2022；Zhang等人，2022），而恢复能力则通过恢复时间、恢复率或恢复幅度来评估（Yan等人，2025；Smith和Boers，2023；Li等人，2020；Yao等人，2024）。需要指出的是，抵抗能力与恢复能力之间往往存在相互关联。众多区域性和全球性研究表明，植被的响应模式要么是强抵抗-缓慢恢复，要么是弱抵抗-快速恢复。这种不同的响应动态有助于生态系统避免陷入抵抗能力弱且恢复速度慢的双重脆弱状态——这种状态意味着生态系统对外部压力因素更为敏感（Hillebrand等人，2018；Hossain和Li，2021；Hossain等人，2022）。不过，抵抗能力与恢复能力之间的关系并非普遍适用或固定不变，它会因生态系统类型、气候环境以及干扰特征的差异而有所不同（Li等人，2025；Tao等人，2022；Yao等人，2024）。此外，时间维度在塑造两者关系方面起着关键作用，因为资源分配策略会随时间动态变化。但目前，关于不同时空尺度下两者之间的关系仍缺乏深入理解。

尽管环境因素和植物特性对植被抵抗能力与恢复能力的共同调控作用已得到广泛认可（Sun等人，2022；Yao等人，2023），但在系统识别控制这些不同机制的关键驱动因素及其作用路径方面，仍存在重要的知识空白。目前的研究大多集中在识别单一过程（如恢复或抵抗）的驱动因素或个别因素上。已有研究表明，土壤水分是影响植被在极端事件中保持功能稳定并实现恢复的关键因素。较高的土壤水分能够减轻干扰带来的影响，维持植物的生理功能，并加速干扰后的恢复进程（Gazol等人，2017；Wang等人，2023a）。温度和降水量也会产生重要但复杂的影响，且在不同地区存在显著差异。例如，在高纬度生态系统里，较高的温度可通过延长生长季来促进植被恢复（De Keersmaecker等人，2015）。而在热带和干旱地区，高温则会加剧水分压力，延长恢复时间并降低植被的抵抗能力（Huang等人，2024；Sun等人，2022）。虽然降水量通常可以通过缩短响应时间来促进恢复（Huang等人，2024；Smith和Boers，2023），但过量的降雨却可能因降低土壤通气性并导致根系缺氧而抑制恢复进程（Harvey等人，2019）。除了外部环境因素外，植物自身的生理特性，如深根系和高效的水分利用能力，也能显著提升植被对气候极端事件的抵抗能力（Hu等人，2021；Li等人，2020；Yao等人，2023）。尽管对各个因素或过程已有一定了解，但对于在日益严重的复合极端事件背景下，控制抵抗能力与恢复能力的主导因素，以及它们各自的作用机制，仍有许多关键问题尚未解决。

因此，本研究构建了一个分析框架，该框架结合多源数据集与可解释的机器学习技术，用于研究植被对复合热浪-干旱极端事件的响应。通过整合贝叶斯模型平均法、随机森林、极端梯度提升法和沙普利加性解释方法，我们旨在量化植被抵抗能力与恢复能力之间的权衡关系，并厘清这两个响应阶段背后的驱动因素与响应机制。具体而言，本研究要解答以下核心科学问题：（1）在复合热浪-干旱极端事件条件下，植被的抵抗能力与恢复能力之间存在怎样的关联？（2）关键驱动因素是如何调控植被的抵抗能力与恢复能力的？这两种调控过程在两个响应阶段是否存在差异？

章节节选

数据

为识别热浪和干旱事件，本研究使用了每日最高气温数据集以及每日蒸散亏缺指数数据集。最高气温数据集包含了1993年至今的全球陆地表面日温度记录，数据来源于空间分辨率为0.1°的ERA5-Land再分析产品。而DEDI数据集则是基于1993年至2020年的ERA5再分析数据生成的每日干旱指数，其空间分辨率为0.25°。

抵抗能力与恢复能力的时空动态

分析结果显示，1993年至2020年间，复合热浪-干旱极端事件的平均发生频率为每月0.14次，这意味着在全球范围内，每年至少会发生一次此类极端事件（图S2a）。进一步分析表明，在此期间，全球超过80%的陆地生态系统每年都会经历至少一次复合热浪-干旱极端事件（图S2b）。尤其值得注意的是，一些热点地区的此类事件发生频率明显更高，比如北美洲西南部、南美洲东南部等地区。

抵抗能力与恢复能力之间的时空权衡关系

本研究显示，植被在复合热浪-干旱极端事件条件下的抵抗能力与恢复能力主要表现出时空权衡特征。这些研究结果表明，生态系统稳定性并非简单的是抵抗能力与恢复能力的叠加结果，而是由二者之间的动态相互作用及相互制约所决定的（Chang等人，2024；Hossain等人，2022）。在空间尺度上，全球范围内的植被抵抗能力与恢复能力存在显著的负相关关系（r?=??0.318，

结论

本研究采用了一种新颖的可解释机器学习框架，用于分析植被在面对复合热浪-干旱极端事件时，其抵抗能力与恢复能力之间的权衡关系以及二者背后驱动因素与响应机制的差异。研究结果揭示了影响植被抵抗能力与恢复能力变化的显著时空权衡模式。在空间尺度上，两者之间存在明显的权衡关系（r?=??0.318，P?

CRediT作者贡献说明

周双：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，可视化，软件应用，方法学，研究实施，正式分析，数据整理，概念构思。吴绍红：写作——审稿与编辑，方法学，资金获取。高江波：写作——审稿与编辑，方法学，正式分析。刘璐璐：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，研究指导，研究实施，资金获取，概念构思。严瑞：写作——审稿与编辑，数据

利益冲突声明

作者们声明不存在任何利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFF0805704）以及中国国家自然科学基金（项目编号：42371084、42271089）的支持。

周双|吴绍红|高江波|刘璐璐|严瑞|王杰|李斌

中国科学院地理科学与资源研究所山地灾害与工程韧性重点实验室，中国北京100101

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