极度干旱使内蒙古的草地碳汇转变为碳源，但随后草地能够迅速恢复：一项为期9年的研究提供的见解

《Agricultural and Forest Meteorology》：Extreme drought converts grassland carbon sinks to sources in Inner Mongolia, but strong recovery follows: Insights from a 9-year study

　　摘要
草原覆盖了全球40%的陆地面积，并储存了34%的陆地碳，在全球碳循环中发挥着至关重要的作用，但它们对气候极端事件极为敏感。本研究基于遥感技术，评估了2010年至2018年间内蒙古干旱和半干旱草原在极端干旱条件下的碳通量变化及其恢复情况，重点关注2017年的严重干旱事件。内蒙古被选为东欧亚草原中典型的降水受限温带草原区域，在这里碳通量受到水文气候变化的强烈影响。2017年干旱期间，总初级生产力（GPP）和净初级生产力（NPP）分别下降了43 g C m?2 yr?1和21.1 g C m?2 yr?1，而净生态系统生产力（NEP）显著下降并转为负值（例如，在西里果勒盟为-14.5 g C m?2 yr?1），表明生态系统功能在干旱期间从净碳吸收转变为净碳释放。2018年，GPP和NPP分别增加了29.3 g C m?2 yr?1和17.5 g C m?2 yr?1，超过了干旱前的水平，NEP比干旱年恢复了80%，重新建立了区域碳汇。空间分析显示，中部和东部地区的抗旱能力更强，恢复速度也更快，而北部地区则更为敏感。为了提高区域干旱检测能力，我们提出了一种基于降水异常的方法，整合了两个结构指标：受影响区域的比例和受影响站点的数量。该框架提高了极端干旱识别的空间稳健性和操作一致性。我们的研究结果强调了降水是年际碳通量变化的主要控制因素，并突显了草原生态系统从气候冲击中恢复的能力。本研究提供了一种可扩展的基于指标的方法，用于评估干旱影响和跟踪水文气候变化加剧下的生态系统碳动态。

引言
草原是全球生态系统的重要组成部分，占地球陆地面积的约40%，约含有全球陆地碳（C）库的34%，因此在碳储存和循环中起着关键作用（Plaza等人，2022年）。草原生态系统被认为是国家和国际气候缓解策略中的关键要素。然而，这些生态系统，尤其是在干旱和半干旱地区的生态系统，对气候变化极为敏感，并且越来越容易受到极端事件的影响，如长期干旱（Yuan等人，2023年）。研究表明，极端干旱会扰乱各种生态系统中的陆地碳通量，包括2003年、2010年和2018年的欧洲干旱和热浪（Bastos等人，2020b）、2001年至2009年的澳大利亚千年干旱（Van Dijk等人，2013年）、2015年至2017年的南非开普敦干旱（Maxmen，2018年）以及2015–2016年的亚马逊干旱（Doughty等人，2021年）。这些事件表明，干旱会显著影响碳平衡的年际变化和长期稳定性（Piao等人，2020年）。此外，模型预测表明，21世纪极端干旱的频率和强度将会增加，可能会削弱陆地生态系统的碳汇能力（Gampe等人，2021年）。因此，了解草原碳通量如何响应和从极端干旱事件中恢复对于改进碳-气候反馈预测至关重要，特别是在干旱系统中。在陆地碳通量指标中，总初级生产力（GPP）、净初级生产力（NPP）和净生态系统生产力（NEP）是最常用且信息量最大的指标，因为它们直接反映了生态系统中的碳输入、转化和释放过程。这些通量是评估生态系统碳预算和设计气候变化缓解策略的基础。虽然土壤呼吸、植被组成和温度等变量也对碳通量动态有贡献，但GPP、NPP和NEP提供了对生态系统尺度碳源-汇功能的直接洞察。这些关键碳通量的时间变化——尤其是NEP——提供了关于光合作用输入与呼吸损失之间动态平衡的重要信息，对于量化碳汇和碳源状态之间的转换至关重要（Chapin等人，2011年）。干旱被广泛认为是影响陆地碳通量（GPP、NPP和NEP）的最重要因素。它通过直接效应（如水分限制和热应力）和间接效应（如火灾和虫害爆发）影响这些通量（Yang等人，2018年），从而向大气中释放大量碳。多项证据表明，随着气候变化的加剧，干旱的频率和强度将会增加，这可能导致陆地碳汇受到更严重的破坏（Gao等人，2017年；Xu等人，2019年），并可能使生态系统走向崩溃。尽管对碳通量对干旱的响应已得到广泛研究，但对干旱事件后和干旱年份后的恢复过程知之甚少，而这最终决定了生态系统的韧性（Ingrisch等人，2020年）。在内蒙古草原，Luo等人（2023a）的研究表明，恢复主要归因于根茎草和丛生草的快速恢复，它们在干旱后保持了相对较大且完整的芽和枝条密度。因此，干旱后的再生可以在一定程度上抵消干旱期间造成的碳损失，正如在藏区草原观察到的那样（Chen等人，2020年）。许多研究调查了关键碳通量（如GPP、NPP或NEP）对极端干旱的个体响应。例如，Lei等人（2020年）研究了不同干旱强度对中国内蒙古草原NPP的负面影响，发现沙漠草原、典型草原和草地草原地区的NPP分别减少了21%、13%和17%。Xu等人（2019年）的地球系统模型表明，由于极端干旱，全球平均GPP下降幅度预计到21世纪末将接近三倍。极端干旱对生态系统碳通量的影响具有季节性不对称性。Gampe等人（2021年）估计，2000–2016年间北方温带草原由于干旱导致的GPP急剧下降增加了95%。然而，尽管取得了这些进展，但对于GPP、NPP和NEP如何同时响应和从极端干旱中恢复的综合性评估仍然有限，特别是在植被组成、土壤水分和降水恢复在空间和时间上存在差异的区域尺度上。此外，一个主要的方法学问题是极端干旱事件的识别不一致且经常过于简化。许多研究依赖于单一指标阈值或固定的时间尺度，无法充分捕捉干旱的空间范围或生态相关性（He等人，2021年）。为了解决这个问题，我们开发了一种空间适应性干旱识别框架，保留了降水异常（PA）方法的直观简单性，同时引入了两个结构指标——空间覆盖范围和受干旱影响的站点数量——以确保更大的空间耦合性和区域适用性。这一框架提高了干旱识别的 Consistency，并支持在多样化的生物气候背景下进行生态系统尺度的评估。内蒙古是一个适合研究干旱引起的草原碳汇-源动态变化的区域案例，因为它代表了降水受限的温带欧亚草原。最近的证据明确指出，内蒙古草原代表了欧亚草原区域，从东到西分布着草地草原、典型草原和沙漠草原，沿着水分可用性递减的梯度（Wang等人，2025年）。这一区域设置涵盖了主要受生长季降水限制的温带草原类型，适合评估类似水分受限温带草原生态系统中的干旱影响和干旱后的恢复情况。此外，基于涡度协方差的放大研究表明，内蒙古草原作为弱区域碳汇，其年际变异性主要受生长季降水量和植被活动控制，而长期干旱期可能会使该地区从碳汇转变为碳源（You等人，2023年）。内蒙古草原的野外实验和长期观测证据进一步表明，严重干旱在干旱后会对群落生产力产生积极的影响（Sun等人，2022年）。综上所述，内蒙古不仅对降水异常极为敏感，而且还为理解干旱影响、碳汇-源转换以及具有相似气候和植被特征的降水受限温带草原生态系统中的干旱后恢复提供了代表性案例。在这项研究中，我们使用基于遥感的数据，调查了2010年至2018年间内蒙古草原对极端干旱事件的碳通量响应，重点关注影响和恢复阶段。我们的具体目标是：（1）识别2010年至2018年间内蒙古发生的极端干旱事件；（2）阐明草原碳通量（GPP、NPP和NEP）在区域和站点尺度上的响应模式；（3）量化干旱再湿润周期下草原碳汇的抵抗力、恢复能力和韧性。

研究区域与理由
本研究聚焦于中国内蒙古的草原，这是东欧亚草原中典型的降水受限温带草原区域。该地区具有明显的水文气候梯度，从东北部的草地草原、中部地区的典型草原到西南部的沙漠草原，随着水分可用性的减少（Wang等人，2025年）。这一区域设置涵盖了受生长季降水强烈限制的主要温带草原类型，适合评估干旱影响和干旱后的恢复情况。内蒙古年平均降水异常百分比（PA）显示，2011年和2017年的PA值最低（图S1）。此外，内蒙古121个气象站的PA数据显示，2011年有9个站发生了极端干旱，2017年有13个站发生了极端干旱（图S1）。因此，我们的研究重点是2017年，并选择了七个草原站来调查极端干旱事件的时空特征及其对碳通量的响应机制。

量化干旱条件下草原碳通量的减少和恢复
我们的研究表明，极端干旱减少了内蒙古草原的主要碳通量（GPP、NPP和NEP），但这些草原在次年随着平均降水量的恢复而迅速恢复。内蒙古年平均降水量减少了90毫米或下降了23%，使得GPP减少了12%，表明草原生态系统中的碳通量对极端干旱极为敏感，抵抗力较低。

结论
我们的研究表明，极端干旱事件显著影响了内蒙古草原生态系统的碳通量，导致2017年极端干旱期间GPP、NPP和NEP大幅下降。具体来说，平均GPP减少了43 g C m?2 yr?1（12%），平均NPP减少了21.1 g C m?2 yr?1（18%）。中部地区（包括西里果勒盟）和东北部地区（包括呼伦贝尔北部和兴安盟部分地区）受影响最严重。