干旱区与湿润区生态系统水分利用效率对环境驱动因子的差异化响应

《Journal of Environmental Management》：Divergent responses of ecosystem water use efficiency to environmental drivers in arid versus humid regions

　　

摘要

生态系统水分利用效率（EWUE），定义为每消耗单位水分的碳增益， increasingly 用作综合指标，以支持气候变化下的土地和水资源管理。然而，长期 EWUE 趋势及其主要驱动因素是否为截然不同的水文气候区域的生态系统恢复和管理提供一致的指导仍不清楚。使用 2000 年至 2023 年的全球数据集，我们发现全球 EWUE 增加了 13.3%，但空间异质性强烈。超干旱地区表现出显著增加（15.9%），而湿润地区变化可忽略不计（0.59%）。归因分析揭示，全球 EWUE 的增加主要与土壤水分利用效率（SWUE）的改善有关，此处定义为总初级生产力与土壤蒸发的比率，对观测到的趋势贡献了 64.6%。值得注意的是，干旱生态系统在 2015 年左右 EWUE 敏感性发生时间性转变，特征是土壤湿度敏感性减弱和大气 CO₂ 敏感性显著增加。这种转变表明，缺水地区近期效率的提升越来越多地依赖 CO₂ 施肥效应而不是水文调节，这可能会增加恢复投资暴露于极端干旱风险。相比之下，湿润生态系统显示出“双重抑制”模式，其中有限的 GPP 增强和来自土壤蒸发和植物蒸腾的持续水分损失共同限制了 EWUE 的进一步增加。这些发现表明，EWUE 趋势不能直接转化为统一的管理策略。我们建议，干旱地区的有效管理应考虑物理蒸发抑制（例如通过地面覆盖），而湿润森林策略可能受益于林分结构优化以减轻饱和效应。这种差异化为设计特定区域的恢复政策并在日益增加的气候变率下避免不适应的决策提供了可靠依据。

引言

植被通过光合作用将大气 CO₂ 同化为陆地生态系统，将大气与陆地碳循环联系起来（Friedlingstein 等，2022；Keenan 和 Williams，2018）。同时，气孔开放导致通过蒸腾作用失水（Cowan，1977；Wright 等，2004），耦合碳吸收和水分消耗。水分利用效率（WUE），定义为每单位失水同化的碳量（Baldocchi，1994；Briggs 和 Shantz，1915），表征了这种耦合。WUE 不仅反映生态系统资源利用策略，还为评估植被对气候变化的响应提供依据。因此，WUE 被广泛用于评估生态系统功能和支持全球变化下的土地和水资源管理决策（Hatfield 和 Dold，2019；Keenan 等，2013；Meier 等，2023）。

尽管许多研究报告了近几十年全球 EWUE 的总体增加（Cheng 等，2017；Green 等，2025；M. Huang 等，2015），但潜在机制仍不清楚，很大程度上是由于生态系统蒸散发（ET）的复杂性。大多数研究将 ET 视为总量通量，并假设植被蒸腾主导水分损失（Knauer 等，2017；Schlesinger 和 Jasechko，2014）。实际上，ET 由生产性蒸腾和非生产性水分损失组成，主要是土壤蒸发和冠层截留蒸发（Miralles 等，2011；Zhang 等，2016）。这些组分的响应在不同气候区和植被类型中有所不同（Poppe Terán 等，2023；Wei 等，2017）。因此，全球 EWUE 的增加可能反映了生产性蒸腾的变化、非生产性水分损失的减少或两者兼有，这使 EWUE 趋势在环境评估中的解释复杂化。在比较水分受限的干旱地区与湿润生态系统时，这种区分尤为重要，因为 EWUE 变化的主要途径可能不同。因此，厘清各个 ET 组分的贡献对于改善跨不同生态系统的 EWUE 趋势解释及其在环境评估中的应用至关重要。

大气 CO₂ 升高可以通过刺激光合作用和诱导气孔关闭来增加 EWUE，从而减少水分损失（Robredo 等，2007；Wullschleger 等，2002）。然而，这种施肥效应日益受到水文限制的限制（Yuan 等，2019）。蒸气压亏缺（VPD）升高提高了大气水分需求，这可以增加蒸散发并降低 EWUE（Grossiord 等，2020；L. Wang 等，2024）。在干旱生态系统中，土壤湿度是生态系统生产力的主要限制因素（Kannenberg 等，2023；Thomey 等，2011）。虽然之前的研究表明 CO₂、VPD、土壤湿度（SM）和标准化降水蒸散发指数（SPEI）影响 EWUE，但其综合效应仍未得到很好解决。而且，这些驱动因素的相对强度可能沿水文气候梯度（从干旱到湿润地区）有所不同。很少有研究检验这些驱动因素的相对重要性如何随时间变化，这限制了在日益频繁的极端气候事件下基于 EWUE 评估的可靠性。

利用多源遥感数据，我们系统分析了 2000 年至 2023 年全球 EWUE 及其组分（SWUE、TWUE、IWUE）的时空动态，重点强调其控制机制。具体而言，我们的目标是：（1）量化 EWUE 及其组分的长期趋势；（2）确定 GPP 和蒸散发（ET）对 EWUE 变化的相对贡献在不同干旱区和植被类型中的差异；（3）评估大气 CO₂、VPD、SM 和 SPEI 在驱动 EWUE 变化中的相对重要性，并调查它们的时间演变；以及（4）比较干旱与湿润地区控制 EWUE 的机制。这些分析为将 EWUE 解释为沿水文气候梯度的环境指标提供依据，并支持 EWUE 在环境评估、生态系统建模和土地管理决策中更可靠的应用。

章节片段

数据来源

我们使用 Penman-Monteith-Leuning 版本 2 数据集（PML_V2）获取植被蒸散发（Ec）、土壤蒸散发（Es）和截留降雨蒸散发（Ei），以及总蒸散发 ET 和 GPP 数据集（v017_arc）（Zhang 等，2016）。该数据集覆盖 2000 年至 2023 年期间，空间分辨率为 0.05°，时间分辨率为 8 天。在本研究中，数据使用双线性插值聚合到 0.5° 以便于处理。

水分利用效率指数的全球趋势

从 2000 年到 2023 年，全球 EWUE 呈现总体增加趋势，平均相对增加 13.3%（图 1a）。空间上，EWUE 增加集中在北半球，特别是在欧亚大陆和北美，而南美洲（特别是亚马逊盆地）和热带中非观察到下降趋势（图 1a）。EWUE 变化的幅度沿干旱度梯度显著变化（图 1a–I）。湿润地区仅表现出边际增加

讨论

利用 2000 年至 2023 年的全球数据集，本研究表明 EWUE 的持续增加不是由单一过程驱动的，而是遵循跨水文气候梯度的不同调节机制，为陆地碳 - 水耦合的长期演化提供见解。在干旱生态系统中，EWUE 的增加主要与增强的 GPP 和减少的非生产性土壤蒸发有关，GPP 增益受大气 CO₂ 升高和土壤共同影响

结论与意义

总之，本研究表明全球 EWUE 的近期增加与减少的非生产性土壤蒸发关联更强，而不是仅与一般植物生理增益有关。改进的 SWUE 占全球 EWUE 增加的近三分之二。干旱生态系统在 2015 年左右 EWUE 的主要控制因素表现出转变，EWUE 敏感性逐渐从更强的土壤湿度限制转变到增加的大气 CO₂ 影响。这种转变表明

CRediT 作者贡献声明

李海林：概念化，数据整理，形式分析，方法论，软件，可视化，撰写 – 初稿，撰写 – 审查与编辑。魏茂宏：形式分析，方法论。杨洪岭：数据整理，形式分析，撰写 – 审查与编辑。胡亚：形式分析，验证，撰写 – 审查与编辑。王少坤：形式分析，软件。岳平：形式分析，软件。马旭军：形式分析，软件。郝芳伟：形式分析，验证，

竞争利益声明

作者声明无已知的竞争财务利益或个人关系可能看起来影响了本文中报道的工作。

致谢

本研究得到了 国家自然科学基金 区域创新发展联合基金 重点项目（编号 U25A20765）；国家自然科学基金青年科学基金项目（C 类）（编号 42507641）；中国博士后科学基金（证书编号 2025M772646 和 GZC20250212）；内蒙古自治区重大科技项目（编号 2024JBGS0011-02）；国家自然

李海林 | 魏茂宏 | 杨洪岭 | 胡亚 | 王少坤 | 岳平 | 马旭军 | 郝芳伟 | 马荣 | 左小安

国家干旱区生态安全与可持续发展重点实验室，内蒙古奈曼旗农业生态系统国家野外科学观测研究站，中国科学院西北生态环境资源研究院，中国兰州