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根系是土壤生物体的重要组成部分，在维持生态系统稳定性中发挥着关键作用。鉴于旱地支撑着全球超过38%的人口，且在人为变暖下面临前所未有的稳定性风险，识别其稳定性的驱动因素对于采取早期干预措施以保障全球粮食安全至关重要。有别于传统观点——即认为较高的土壤生物多样性
根系是土壤生物体的重要组成部分，在维持生态系统稳定性中发挥着关键作用。鉴于旱地支撑着全球超过38%的人口，且在人为变暖下面临前所未有的稳定性风险，识别其稳定性的驱动因素对于采取早期干预措施以保障全球粮食安全至关重要。有别于传统观点——即认为较高的土壤生物多样性总能增强生态系统稳定性（其中生态系统稳定性通常关联时间尺度、多维属性、组织结构与多重阈值），本研究提出新见解：根组织氧元素含量（Root-O）能够指示并驱动旱地生态系统的稳定性。研究人员综合运用多种方法：卫星数据集（包括全球气温、土壤生物多样性指数等）、野外调查（涵盖2022年多个研究样地的植物、土壤、根系和凋落物样本）、实验室分析（包括对不同样本属性的碳、氢、氧、氮元素分析），以及第六次耦合模式比较计划（CMIP6）的全球模型模拟，用以评估1950–2100年间驱动阈值变化的敏感指标。研究发现，相较于植物、凋落物和土壤属性，Root-O可解释旱地生态系统稳定性的更多变异。在不同共享社会经济路径（SSPs）情景下，CMIP6预估表明，到2100年底，驱动生态系统稳定性阈值变化的敏感指标动态将可能由显著的Root-O所主导。结论表明，在“飞天”生态安全大模型中应考虑旱地生态系统稳定性对Root-O动态机制的依赖性，以准确预测环境变化下的生态风险。
**旱地生态系统稳定性驱动的创新性探究：Root-O的核心作用**
**一、研究背景与科学问题**
生态系统稳定性是生态学研究的核心议题之一，关乎生态系统在扰动下的维持与恢复能力。旱地作为全球陆地生态系统的重要组成部分，支撑着超过38%的全球人口，同时对气候变化高度敏感。在21世纪全球升温2.0℃的情景下，旱地（定义为年总降水量与潜在蒸散量之比小于0.65的区域）预计将升温3.2℃–4.0℃，较湿润地区2.4℃–2.6℃的升温幅度高出约44%。传统研究普遍认为，土壤生物多样性是决定旱地生态系统稳定性的关键因素，即较高的土壤生物多样性能够增强生态系统稳定性。这种观点强调了土壤生物多样性通过调控植被覆盖和凋落物积累，进而影响土壤有机碳储量和土壤含水量等关键生态系统过程。然而，这一传统框架主要侧重于生物多样性维度，对于生态系统内部元素循环与化学计量平衡等深层驱动机制关注不足。此外，传统的生态系统稳定性研究往往局限于单一的时间尺度或属性维度，缺乏对多维度、多阈值框架下敏感驱动指标的系统性识别。因此，亟需建立一种新的研究范式，从元素循环与化学计量学的视角探索旱地生态系统稳定性的核心驱动因子。
**二、研究内容与主要发现**
针对上述科学问题，本研究发表于《Plant and Soil》，旨在从生态化学计量学视角出发，系统探索旱地生态系统稳定性的关键驱动因子。研究人员突破了传统以土壤生物多样性为核心的研究框架，创新性地提出根组织氧元素含量（Root-O）可作为指示并驱动旱地生态系统稳定性的核心变量。研究首先基于全球尺度的多种数据集（包括气温距平、干旱指数、叶面积指数、土壤生物多样性指数、土壤有机碳储量和土壤含水量等）分析了旱地生态系统稳定性的传统特征。随后，以兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）为原位观测平台，通过2022年多个月份的野外采样和实验室元素分析，获取了植物、凋落物、土壤和根系四类样本的碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）元素含量及其化学计量比数据。在此基础上，运用偏相关分析、变异 partitioning 评估和结构方程模型（SEM）三种互补的统计方法，系统解析了各类因子对生态系统敏感性指标（即根系碳含量Root-C和根系氢含量Root-H）的相对贡献。最后，利用第六次耦合模式比较计划（CMIP6）的四个全球气候模式（EC-Earth3-CC、IPSL-CM6A-LR、NorESM2-LM、NorESM2-MM）的多模式集合平均，预估了1950–2100年不同共享社会经济路径（SSPs）情景下全球旱地根系碳储量的未来演变趋势。研究结果表明，Root-O在解释旱地生态系统稳定性变异方面显著优于植物、凋落物和土壤属性，揭示了碳-氧耦合动态在调控生态系统稳定性中的关键作用。
**三、关键技术与方法**
本研究采用了多种关键技术方法以支撑跨尺度分析。在数据获取方面，使用了覆盖全球的卫星遥感数据集和再分析资料，包括全球气温距平数据、GIMMS-LAI3g叶面积指数产品、2016年全球土壤生物多样性指数、全球土壤有机碳储量数据集（0–30 cm，数据版本1.2，2016–2017年）以及2000–2024年全球旱地土壤含水量数据。在原位观测方面，研究依托SACOL观测站（海拔1956.8 m，35.946°N，104.133°E），按照标准化野外采样规程，于2022年1月至11月间共8个月份采集植物、凋落物、土壤（0–20 cm）和根系（0–20 cm）样本。实验室分析采用元素分析仪（FlashSmart, Elementar, Germany）测定样本的C、H、O、N元素含量并计算多种化学计量比。在统计分析方面，运用偏相关分析、变异partitioning评估和结构方程模型（SEM）三种方法解析驱动因子的相对贡献；在情景预测方面，使用CMIP6四个模型的输出数据构建多模式集合平均，预测不同SSP情景下根系碳储量的时空变化。此外，研究还构建了基于生态化学计量学的稳态调控系数（H）以量化植物和根系的内稳态调节能力。
**四、研究结果**
（1）旱地生态系统稳定性的传统特征：全球尺度分析显示，区域增温模式与旱地分布变化密切相关。温度驱动的干旱指数变化重塑了旱地分布格局，干旱指数从极端干旱区到半湿润区逐渐增加，与叶面积指数和土壤生物多样性指数的变化相对应。土壤有机碳和土壤含水量的增加通过理化及生物过程调节土壤质量，进而决定植物和土壤生物的功能分布。研究揭示，气温升高改变了旱地范围，降低了植被覆盖度和土壤生物多样性，最终削弱了生态系统稳定性。
（2）生态系统稳定性的关键驱动因素：原位观测数据分析表明，C、H、O、N四种元素在植物、土壤、凋落物和根系属性中呈现出从冷却环境到温暖环境的明显季节性趋势。植物、凋落物和根系属性中的C含量显著高于N、H和O含量（所有P<0.05），而土壤中O含量则高于其他元素（P<0.05）。稳态调控系数（H）的分析显示，Root-C和Root-H的H值分别为1.86和2.27，显著低于稳态阈值，表明根系碳和氢处于弱塑性的调节状态。偏相关分析揭示，在控制Root-O后，Root-C/Root-H与植物、凋落物和土壤属性之间的相关系数分别发生约+36%、?50%和?58%的变化。变异partitioning评估进一步表明，在Root-H的方差解释中，Root-O占63.75%，远超土壤（2.49%）、凋落物（0.49%）和植物（0.51%）的贡献；Root-C也呈现类似的主导模式。结构方程模型（SEM）分析显示，Root-O对Root-C和Root-H均具有最大的直接效应（标准化路径系数均为0.93）。三种统计方法一致证明，Root-O是调控生态系统阈值变化敏感指标的关键因素。
（3）生态系统敏感性指标的未来预估：基于四个CMIP6模式的多模式集合平均，研究预估到21世纪末，相较于1950–2014年历史基线，全球旱地根系碳含量距平将显著增加。在中等排放SSP2-4.5情景下，根系碳储量预计增加约30 g C m?2；在高排放SSP5-8.5情景下，增幅接近60 g C m?2。从1980–2100年的时空动态来看，SSP5-8.5情景下的年Root-C距平始终高于SSP2-4.5情景。这一显著差异表明，未来人为强迫——尤其是在未缓解的高排放路径下——对旱地生态系统长期根系碳动态具有主导性和放大性的控制作用。
**五、讨论与结论**
讨论部分指出，气候变暖已在旱地生态系统引发级联生态扰动，导致旱地分布变化、植被覆盖度降低、土壤生物多样性下降，最终严重制约生态系统稳定性。研究识别出的生态不安全区域（ESI≥1.1）与氧循环动态紧密关联，说明以氧元素为核心的功能指标为评估气候变化下的生态稳定性提供了坚实的机制基础。从冷却环境到温暖环境的转变中，多个属性相关指标的元素含量动态呈现U型曲线，即温暖季节低值、寒冷季节高值。根据动力学理论，生物和非生物化学过程对分解和分流的约束受温度强烈调控。研究构建的生态系统稳定性概念框架表明，旱地生态系统指标的元素含量随着外循环路径（由植物-凋落物-根系联系介导）和土壤化学计量比（C、H、O、N）的贡献增加而增加；相反，元素含量则随着内循环路径（植物-根系联系）驱动的Root-O消耗增强而下降。这一概念框架突出了Root-O动态在调节气候转变下旱地生态系统稳定性的核心作用，为内外生物地球化学循环的差异性调控角色提供了新的机制见解。研究结论强调，本研究提供了一个明确的框架来探索Root-O如何响应植物、根系、凋落物和土壤相关因素，该框架可用于区分调节Root-O含量的温暖和寒冷热力状态，进而揭示生态系统转变的生态后果，特别是在敏感和脆弱的生物群区中。将Root-O含量纳入“飞天”生态安全大模型，并通过系统测量进行验证，将有助于在变化环境下对驱动阈值变化的生态系统敏感指标进行准确预测。扩大现有的Root-O测量网络是未来研究的首要任务。
