《Journal of Cleaner Production》：Nonlinear climatic controls and land-use modulations of net ecosystem productivity: Implications for regional carbon management
编辑推荐：
•集成框架诊断复杂地形中的区域净生态系统生产力（NEP）动态。•机器学习揭示了NEP的非线性土壤水分和潜在蒸散量（PET）阈值。•稳定的土地利用状况显著改变了生态系统的碳敏感性。•生态恢复促进了局部碳汇的形成，但城市化进程减弱了这种效应。•针对特定环境的土地利用策略可优化区域碳汇
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集成框架诊断复杂地形中的区域净生态系统生产力（NEP）动态。
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机器学习揭示了NEP的非线性土壤水分和潜在蒸散量（PET）阈值。
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稳定的土地利用状况显著改变了生态系统的碳敏感性。
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生态恢复促进了局部碳汇的形成，但城市化进程减弱了这种效应。
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针对特定环境的土地利用策略可优化区域碳汇。
引言
在气候变化和碳中和目标的背景下，陆地生态系统碳汇越来越被视为全球碳循环的重要组成部分。最近的全球碳预算评估表明，陆地生态系统持续吸收了大约三分之一的人为二氧化碳排放，但这种碳汇的稳定性正受到气候变异性、土地利用变化和生态系统脆弱性的影响（Friedlingstein等人，2025年；IPCC，2023年）。近几十年来，中国的陆地碳汇已成为全球陆地碳循环的重要组成部分。这一强化的碳汇效应部分归因于大规模的森林植被扩展、严格的森林保护以及全国范围内的生态恢复计划（Piao等人，2020年；Yue等人，2024年）。因此，对碳汇动态及其空间异质性进行区域尺度的诊断对于支持适应性环境治理和以碳为导向的土地利用优化至关重要（Lyu等人，2023年；Zhang和Deng，2022年）。
净生态系统生产力（NEP）是陆地碳固存的重要指标，与水文气候条件和土地利用动态密切相关。土壤水分供应、大气蒸发需求、降水量和温度可能通过非线性阈值响应和滞后效应相互作用，导致在不同环境条件下NEP响应模式复杂化（Denissen等人，2022年；Hu等人，2023年；Li等人，2022年；Qi等人，2024年；Rahmati等人，2024年；Yuan等人，2019年）。同时，土地利用和土地覆盖变化（LUCC）为理解区域NEP动态提供了另一个重要维度（Chen等人，2025年；Ye和Chuai，2022年）。以生态恢复为导向的土地转化通常能增强碳固存，而快速的城市化和密集的人类活动可能会通过替代植被表面和改变景观结构来减少生态系统的碳吸收（Cheng等人，2024年；Mao等人，2024年；Yu等人，2022年）。最近的城市和区域生态学研究表明，景观配置、空间异质性和城乡梯度也会影响环境调节和生态系统服务结果（Hu和Zeng，2025年；Yue等人，2026年；Cheng等人，2026年）。
尽管先前的研究提高了我们对NEP动态、气候响应和LUCC相关碳效应的理解，但在区域碳汇评估方面仍存在重要差距。一方面，虽然非线性NEP响应已经得到越来越多的认可，但在地形复杂的地区，与土壤水分供应、大气蒸发需求、降水量和温度相关的阈值特征和交互效应仍不够明确。另一方面，LUCC研究通常关注土地利用转变、景观格局变化及其相关的碳增减，而稳定土地利用状况在调节这些水文气候敏感性方面的作用尚未得到充分研究。因此，需要一种针对具体环境的诊断视角，以更好地理解水文气候约束和土地利用背景如何共同塑造区域碳汇动态。
沂蒙山区是中国东部一个典型的低山和丘陵地区，为解决这些问题提供了一个合适的区域案例。该地区经历了生态恢复、土壤侵蚀控制、农业土地利用调整和城市扩张，适合在耦合的水文气候约束和土地利用影响下研究NEP动态。在这项研究中，我们重点关注2001年至2020年沂蒙山区的NEP变化，并开发了一个“模式-机制-归因-背景”的诊断框架。具体目标包括：（1）描述NEP的空间分布、时间趋势、稳定性、持续性特征和中心点迁移；（2）使用可解释的机器学习方法识别非线性水文气候响应模式、阈值特征、交互效应及其时间和水文气候异质性；（3）评估气候拟合和残差NEP趋势信号，以区分可归因于气候的变化和无法用选定的水文气候变量解释的变化；（4）评估土地利用转变路径的碳效应，并探讨稳定土地利用状况是否与NEP水文气候敏感性的差异有关。
通过实施这种综合诊断设计，本研究旨在为异质景观中的区域碳汇评估提供一种基于具体环境的视角。该框架将时空模式识别、非线性水文气候响应诊断、残差趋势评估和土地利用背景比较连接在一个统一的工作流程中。这种设计使NEP评估超越了单纯的空间模式描述，进一步考虑了水文气候约束和土地利用背景如何共同塑造区域碳汇动态。所得视角可以为低山和丘陵地区的以碳为导向的土地利用规划、生态恢复评估和生态系统管理提供空间证据。
章节片段
研究区域
沂蒙山区（北纬34.7°–36.3°，东经116.2°–119.8°）位于中国山东省中南部，是华北平原和东部丘陵之间的一个关键过渡带。该地区以低山、起伏的丘陵和河谷平原组成的复杂地貌为特征，海拔从接近海平面到蒙山顶的1156米不等（图1）。该地区具有典型的暖温带季风气候，特点是炎热潮湿
NEP的时空模式
2001年至2020年间，沂蒙山区的NEP表现出明显的西南-东北空间对比（图3）。根据多年平均分布和碳汇及碳源区域的中心点迁移（图3a），该地区的NEP范围从-106.37到484.07克/平方米·年，平均值为205.21克/平方米·年。总体而言，NEP表现为西南地区值较低，东北地区值较高。在同一时期，碳汇的中心点
非线性NEP响应模式的解释
2001年至2020年间，沂蒙山区的NEP总体呈上升趋势，这与中国陆地生态系统碳汇整體的增强趋势一致。然而，这种增强并不是均匀分布的（Liao等人，2024年；Yao等人，2018年；Yu等人，2022年；Yue等人，2024年）。具体而言，碳汇的中心点相对稳定，而碳源的中心点表现出更强的空间波动性。这种不对称的动态表明
结论
通过实施综合分析框架，本研究描述了2001年至2020年间沂蒙山区的时空动态、非线性水文气候响应、残差趋势信号以及与土地利用相关的净生态系统生产力（NEP）差异。结果显示，区域碳汇强度持续增强，多年平均NEP为205.21克/平方米·年。可解释的机器学习方法识别出潜在的蒸散量（PET）
CRediT作者贡献声明
米翠臣：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，方法论。于晴：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取，概念框架制定。姚天赐：监督，资金获取，正式分析。孙赫：监督，正式分析。
公开声明
作者声明没有利益冲突。所有列出的作者均已批准随附的手稿。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国山东省自然科学基金（资助编号ZR2024QD119、ZR2025QC390、ZR2025MS618、ZR2024QD278和ZR2025QC1445）、国家自然科学基金（资助编号42301044）以及中国科技发展专项（资助编号2023GDASZH-2023010101）的支持。
米翠臣|于晴|姚天赐|孙赫
