面向生态恢复优先级评估的中国复合干旱下植被水分利用效率风险情景分区

《Ecological Engineering》：Scenario-based zoning of vegetation water-use efficiency risk for ecological restoration prioritization under compound drought in China

　　

摘要 在复合干旱条件下，植被水分利用效率（WUE）的提升并不必然意味着生态系统功能的改善，因为WUE的增加可能是由胁迫引起的蒸散发减少所致，而非碳吸收能力的增强。本研究构建了一个机制约束、情景驱动的WUE风险诊断与生态修复优先序框架，面向全国范围进行应用。基于2000—2024年多源遥感与环境数据训练得到的XGBoost模型，模拟了三档暖干气候扰动与三种植被背景条件下WUE的响应。将水汽压亏缺（VPD）和土壤湿度（SM）阈值纳入模拟，量化了复合阈值越界风险、生态安全边界的收缩以及风险—潜力分区。尽管在所有扰动水平下全国平均WUE均有所增加，但随着气候压力的加剧，处于安全区内的植被比例从28.64%下降至15.49%，而高风险区域则从31.40%扩大至44.28%。风险的升级主要集中在北方干旱与半干旱区、农牧交错带以及东北和华北的部分地区，在严重扰动下湿润地区也出现了新的暴露。通过结合风险强度与修复潜力，该框架识别出自然演替保护区（46.10%）、生态功能提升区（33.42%）、生态退化预警区（11.55%）和优先干预修复区（8.94%）。结果表明，仅凭平均WUE可能掩盖新出现的生态脆弱性。本框架提供了一种空间显式的决策支持工具，能够区分哪些区域应当保护修复成果、哪些区域应当提升生态功能、哪些区域应当加强监测、哪些区域应当优先实施主动干预，从而支撑在复合干旱加剧背景下的节水型生态工程与适应性修复规划。

引言 植被水分利用效率（WUE），通常在生态系统尺度上定义为总初级生产力（GPP）与蒸散发（ET）之比，是对每单位水分消耗所获得的碳收益的一种简洁表达。由于它连接了光合碳吸收、冠层导度、土壤蒸发、大气需求和水分可利用性，WUE已成为全球变化生态学、生态水文学和碳循环评估中的核心诊断变量（Beer et al., 2009; Beer et al., 2010; Xiao et al., 2013; Yang et al., 2016）。通量塔综合分析与遥感研究表明，生态系统WUE在不同生物群落间存在显著差异，并受植被结构、气候状态以及陆地表面能量—水分分配的共同控制（Hu et al., 2008; Zhu et al., 2015; Sun et al., 2018）。对于中国而言，由于西北干旱生态系统、季风农业区、湿润森林和高海拔生态系统并存，WUE尤其适用于诊断生态修复与气候变化究竟是在改善碳—水耦合，还是仅仅通过胁迫引起的水分限制改变了比值关系（Xue et al., 2022; Cai et al., 2023; Ji et al., 2023）。

然而，对WUE的解读并非直截了当。大气CO?浓度上升可通过降低气孔导度提高叶片尺度的内在WUE，全球森林记录也显示了广泛的CO?相关水分利用效率提升（Frank et al., 2015; Mathias and Thomas, 2021）。与此同时，当增温、干旱和大气干燥度约束碳同化时，这些增益可能会减弱或变得在生态学上模糊不清（Adams et al., 2020）。在生态系统尺度上，较高的WUE可能源于碳吸收的增强，但也可能源于水分胁迫下蒸散发的下降速度快于生产力下降。这意味着WUE的增加有时可能掩盖生长减缓、碳汇减弱或死亡率升高的风险。区分有益的 efficiencies 改善与胁迫驱动的比值变化，如今已成为碳—水耦合研究的核心问题（Adams et al., 2020; Brodribb et al., 2020; Charlotte et al., 2020）。

在影响WUE的环境约束中，水汽压亏缺（VPD）日益受到关注。VPD代表大气水分需求，直接调控气孔行为和冠层导度，而土壤湿度（SM）代表地下水分供给。Novick等人证明，大气需求可以独立限制生态系统碳通量和水分通量，且在未来气候条件下可能变得更加重要（Novick et al., 2016）。近期的综述和生理研究进一步表明，VPD升高会降低气孔导度、加剧水力胁迫并改变光合作用的表观温度响应（Slot et al., 2024; Yang et al., 2024）。同时，SM决定了植被能否满足大气需求并维持蒸腾。由于VPD与SM在干旱期间往往相关，但通过不同途径影响植物，将大气需求与土壤水分供给分离对于理解未来WUE风险至关重要（Zhou et al., 2019）。

因此，复合干旱比单因子干旱构成更为严峻的挑战。当高VPD与土壤干燥同时出现时，植被面临来自大气的"拉拽"和来自土壤的水分限制的双重压力，增加了光合抑制、碳—水解耦和水力失效的概率（Zhou et al., 2021）。全球分析表明，复合干旱和干燥事件可能变得更加剧烈，并对陆地碳吸收造成更大的损失（Zhao and Running, 2010）。对于WUE而言，干旱响应往往是分化的：一些生态系统通过气孔关闭表现出WUE的暂时性升高，而另一些生态系统则在生产力崩溃或为维持降温与存活而保持蒸散发时表现出WUE的急剧下降（Huang et al., 2021; Wang et al., 2021; Hu et al., 2024）。这些非线性且依赖背景的响应表明，未来WUE评估必须超越平均趋势，明确考察阈值越界、风险传递和空间异质性。

阈值思维尤其具有相关性，因为生态系统并非对大气和土壤水分胁迫的无限增加作出连续响应。相反，WUE及相关碳—水变量可以表现出拐点，即在微小环境变化下触发不成比例的功能响应（Hastie and Tibshirani, 1986; Chen and Guestrin, 2016）。基于阈值的方法日益被用于识别生态安全边界、早期预警指标和非线性干旱响应，但许多现有研究仍聚焦于降水、SM或VPD等单维阈值。在复合干旱条件下，这类单因子阈值虽然具有信息价值，但尚不完整，因为生态系统稳定性取决于大气需求与土壤水分供给的联合位置。二维VPD—SM安全边界视角能够更好地表征决定植被是否仍处于功能运行域内的耦合胁迫空间。

在方法层面，遥感、格点气候产品和机器学习的快速发展为全国尺度WUE风险评估创造了新的机遇。传统的回归或相关方法有助于一阶归因，但往往难以处理非线性交互、区域异质性和阈值型响应。基于树的集成方法，尤其是XGBoost，能够建模高维非线性关系，而SHAP值则为解释全局重要性、局部贡献和响应形状提供了一致的框架（Lundberg and Lee, 2017; Runge et al., 2019; Zhong et al., 2021）。在环境科学中，可解释机器学习越来越不仅被用于提高预测精度，还被用于恢复可解释的响应曲线并识别潜在阈值（Runge et al., 2019; Zhao et al., 2025）。对于WUE研究而言，这架起了数据驱动预测与过程驱动的生态解释之间的桥梁。

尽管取得了这些进展，仍存在三个缺口。第一，许多WUE研究强调历史时空趋势或驱动因素归因，而较少将已识别的机制传递至未来风险情景。第二，未来生态评估往往依赖气候模式投影，但可能未明确保留从观测生态系统响应中识别出的非线性阈值。第三，风险图通常作为终端产品呈现，而未转化为能够区分高修复潜力低风险区与高风险但干预仍可能产生重大生态回报区域的管理分类。这些缺口限制了WUE研究对适应性生态管理和生态工程优先序的实际效用。这些限制对生态工程尤为重要，因为修复规划不仅需要具备风险探测能力，还需要在空间上排序：何处应防止退化、何处应支持自然演替、何处应提升生态功能，以及何处应优先实施主动修复。

中国是解决上述缺口的理想试验场。大规模的生态修复、快速的植被增绿、强烈的东西向水分梯度以及日益增加的极端气候事件在全国范围内并存（Piao et al., 2022; Chen et al., 2024a）。既往的WUE研究已记录了显著的区域差异以及多种气候和植被控制因素（Cai et al., 2023; Ji et al., 2023），然而关于未来复合干旱如何重塑生态安全边界这一问题仍有待充分解决。特别是，平均WUE增加的区域是否必然变得更加安全、半干旱过渡带是否可能成为新的风险前沿、以及植被背景条件如何放大或缓冲未来WUE响应等问题，仍然尚不清楚。对于生态工程而言，这种不确定性直接影响修复投资应当指向主动植被重建、土壤水分保持、退化防控还是自然恢复。

为应对上述问题，本研究构建了一个机制约束、情景驱动的植被WUE风险—潜力框架。在已验证的XGBoost WUE模型和此前识别的VPD—SM生态阈值基础上，本研究模拟了可解释的气候扰动与植被背景情景下的WUE响应，量化了阈值越界风险和生态安全边界收缩，并将风险转化为生态修复优先序。

本研究的贡献体现在三个方面。第一，将未来WUE评估从平均变化估计转向复合大气—土壤水分胁迫下的风险解释。第二，将非线性VPD—SM安全阈值嵌入情景模拟，从而保留了观测到的生态响应机制，而非将WUE变化视为纯粹的统计输出。第三，将阈值越界风险与修复潜力相联系，以支持生态修复与适应性生态工程的空间优先序决策。本框架不仅询问WUE是升还是降，还询问植被是否仍处于功能性水—气候安全域内，以及何处生态工程干预最为紧迫或应当回避。

研究区域与数据 本研究涵盖中国陆地植被区域，该区域在温度、降水、干旱度、植被类型和人类土地利用方面存在强烈梯度。这种异质性使中国成为检验未来WUE风险是否在复合干旱下发生空间再分配的适宜区域。情景模拟基于利用2000—2024年多源遥感与环境数据集在约1 km空间分辨率上开发的预训练XGBoost模型。

WUE情景响应 在九种组合情景中，全国平均WUE变化均为正值，但其幅度在不同植被背景间存在一致的差异。在稳定植被背景下，从低到高气候扰动，平均WUE分别增加了0.032、0.052和0.080。在改善植被背景下，对应增幅为0.048、0.069和0.098，而在退化背景下则仅为0.011、0.030和0.058。因此，植被状况强烈调节了模拟结果。

解读正向WUE响应 一个核心发现是，在所测试的暖干扰动下，全国平均WUE可能增加，而生态风险同时扩大。这一表面矛盾反映了WUE的比值结构以及主要环境驱动因子的不同作用。当热状况保持在模型最适值以下或接近最适值时，气温（TMP）可提升WUE，但增温也会增加大气干燥度并可能加剧水分胁迫。VPD直接增加大气水分需求，可能引发……

结论 本研究构建了一个气候敏感的生态水文学情景框架，用于在复合干旱条件下为中国生态修复提供优先序决策支持。通过将XGBoost WUE模型与VPD—SM生态安全阈值相连接，该框架不仅评估WUE变化，还评估在气候变化扰动下生态系统是否仍处于功能性水—气候安全域内。在所测试的扰动情景下，全国平均WUE有所增加，但这一正向平均响应掩盖了……

CRediT作者贡献声明 欧阳宁磊：撰写—初稿、方法论。瑞晓萍：撰写—审阅与编辑、资金获取。张雪鹏：软件。唐恒：调查。谢一恒：可视化。张红月：调查。

利益冲突声明 作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢 本研究由国家自然科学基金资助（项目编号：42376180）。

欧阳宁磊 | 瑞晓萍 | 张雪鹏 | 唐恒 | 谢一恒 | 张红月 河海大学地球科学与技术学院，江苏南京 211100