中国西北典型荒漠生态系统的碳通量动态与环境控制

《Journal of Arid Environments》：Carbon flux dynamics and environmental controls in typical desert ecosystems, northwest China

　　

摘要

陆地碳循环在陆—大气相互作用中扮演着重要角色，然而不同干旱程度干旱生态系统中的碳动态仍知之甚少。利用中国西北河西走廊沿区域降水梯度分布的四个沙漠生态系统多年的涡度相关观测数据，我们研究了生长季碳通量及其环境控制因子。生长季期间，所有样地均表现为弱净碳汇（?43.73至?64.26 g C m^?2 生长季^?1），碳吸收量总体随长期年均降水量增加而增大。周碳通量（7天滑动平均值）对土壤含水量（SWC）表现出非线性响应，各样地阈值范围为1.87%至14.44%。在阈值以下，总初级生产力（GPP）和生态系统呼吸（Reco）随土壤含水量的增加而快速增长，而在阈值以上响应减弱。环境控制因子因样地而异：黄磨站（HMo）的碳通量主要受土壤水分和植被活性的调控，而巴吉塔站（BJT）和神沙窝站（SSW）的碳通量则受土壤水分、土壤温度和归一化植被指数（NDVI）的共同控制。在临泽站（LZe），气温和土温均与碳通量存在显著关系，表明该样地受温度约束更强。总体而言，土温与碳交换的关联性比气温更强。这些结果突出了水分供应和温度在调控干旱沙漠生态系统碳交换中的耦合作用，并为陆面模式和地球系统模型中更好地表征干旱碳循环过程提供了见解。

引言

全球气温升高增加了陆地生态系统碳排放的风险，凸显了维持陆地碳汇对于气候变化缓解的重要性 (Jiao等, 2024; Shi等, 2025)。陆地生态系统通过光合吸收（总初级生产力，GPP）与呼吸释放（生态系统呼吸，Reco）之间的平衡来调节大气CO₂，其净平衡定义为净生态系统交换（NEE）。净生态系统交换（NEE）是生态系统碳封存的关键指标，负值表示净碳吸收，正值表示净碳释放（Ciais等, 2014; Baldocchi, 2020）。持续不断的涡度相关观测已大幅提升了我们对各生物群落生态系统碳循环的认识（Baldocchi, 2008）。干旱区约占全球陆地面积的40%，对陆地碳汇的年际变率贡献不成比例地大（Ahlstr?m等, 2015; Pr?v?lie, 2016; Barnes等, 2021; Yuan等, 2023）。干旱区土壤和植被包含全球地上和地下生物量及表层土壤碳储量的约30%（Lal, 2019）。由于其面积广阔且对水文气候变率高度敏感，干旱区对区域和全球碳循环具有重要影响。然而，由于植被稀疏、土壤水分极度匮乏以及长期通量观测数据稀缺，干旱和超干旱生态系统的碳交换仍缺乏充分约束（Biederman等, 2017; Yao等, 2021）。超干旱生态系统的碳交换速率通常低于湿润生态系统（Ma等, 2014; Yang等, 2022; Amar等, 2023），然而在水文气候条件日益多变的情况下，其碳平衡的幅度甚至方向仍存在不确定性。

以往研究表明，水分供应是干旱区生态系统功能的主要制约因子，在调控碳循环中起着基本作用（Huxman等, 2004; Sala等, 2012; Gherardi和Sala, 2019）。水分供应通过对植被活性、光合作用和生态系统呼吸的影响，在多个时空尺度上调控碳交换。在大空间尺度上，降水是水分输入的主要来源，对生态系统生产力构成重要约束。在干旱区，碳吸收量总体随降水量增加而增大，但由于降水格局、土壤性质和植被特征等方面的差异，碳交换的幅度和方向在生态系统和年份之间存在很大差异（Ahlstr?m等, 2015; Barnes等, 2021）。然而，仅靠降水量不能完全表征生态系统的水分供应状况，因为降水强度、频率、季节分配和土壤持水能力共同决定了土壤水分对植被的持久性和可及性。因此，土壤水分越来越被认为是干旱环境中生态系统碳交换更直接的调控因子（Bernacchi和VanLoocke, 2015; Liu等, 2020; Shi等, 2023）。最近一项基于涡度相关观测和遥感数据的综合分析表明，土壤水分是美国西部干旱区碳和水通量的主要控制因子（Kannenberg等, 2024）。在干旱区，降雨事件经常引发短暂但显著的生态系统活性增加，导致GPP和Reco的快速上升，这一现象通常被描述为脉冲动态（Huxman等, 2004; Ahlstr?m等, 2015; Kang等, 2025）。尽管取得了这些进展，但现有研究大多聚焦于年均降水量超过200 mm的半干旱生态系统，而对AI值更低、水分限制更强的更干旱生态系统代表性不足。特别是，在同一地理区域内沿降水梯度开展比较性涡度相关研究仍然稀缺，这限制了我们理解在极端干旱条件下水分供应和温度如何共同调控碳交换。

温度也会影响干旱区的生态系统碳交换（You等, 2018）。温度对干旱区碳交换的影响是复杂的，可能因生态系统和环境条件而异（Gong等, 2018; Piao等, 2019）。与气温相比，土温可能更直接地表征温度对生态系统碳过程的约束，因为它调控着土壤环境中的根系活性、微生物呼吸和土壤有机质分解。在干旱区，稀疏的植被覆盖和低土壤水分往往加剧了土壤温度的变率，使土温成为碳交换的一个特别重要的控制因子（Dacal等, 2019; Johnston等, 2021）。近期研究进一步表明，土温极端事件对碳排放的影响可能比气温极端事件更强（G García-García等, 2023）。由于长期观测数据稀缺，水分和温度如何交互调控更干旱生态系统的碳交换仍知之甚少。

中国西北的河西走廊包含东亚最干旱的生态系统之一，横跨一个显著的降水梯度，年均降水量从约50 mm到200 mm不等。该区域梯度为研究水文气候变率如何调控跨越超干旱和干旱条件的干旱生态系统碳交换提供了机遇。然而，该区域的涡度相关测量数据鲜有报道，这些更干旱生态系统的碳交换的水热控制因子也缺乏深入了解。

为检验上述假设，我们利用河西走廊四个代表性干旱生态系统（HMo、BJT、LZe和SSW）的多年涡度相关观测数据。具体而言，我们的目标是（1）刻画环境条件、植被活性和碳通量的变异特征；（2）量化四个代表性沙漠生态系统之间生长季GPP、Reco和NEE的差异；（3）识别土壤水分和温度如何在不同沙漠生态系统中调控碳交换。基于以往研究，我们提出以下假设：（H1）沿干旱梯度，随着水分供应增加，生态系统碳吸收能力增强，因为土壤水分供应的增加促进了植被活性和碳同化；（H2）碳通量对土壤水分的响应表现出生态系统特有的非线性阈值，反映了植被特征、土壤性质和气候条件的差异；（H3）温度对碳交换的影响因生态系统而异，水分供应越低的样地受温度约束越强。

章节摘要

研究区

河西走廊位于中国西北地区甘肃省西部（92°13′–104°02′E, 36°30′–42°50′N），从东部的乌沙岭延伸至西部的甘肃—新疆边界，全长约1100 km。该地区南以祁连山脉为界，北以蒙古高原为界。走廊总面积约325,200 km²（图1）。该地区以干旱大陆性气候为特征，降水稀少，且具有显著的空间梯度

环境条件和植被特征

生长季（4月至9月）环境条件在四个样地之间表现出明显的空间差异（图2）。在所有样地中，Ts始终高于Ta。Ta均值为17.6至22.7 °C，Ts均值为21.3至27.3 °C。其中，HMo和LZe的温度条件相对较高，而BJT和SSW的值相对较低。

PPT和SWC在样地之间也存在显著差异。HMo的特征为

碳通量和植被特征的变异

本研究的四个沙漠生态系统在生长季均表现为弱净CO₂汇，多年平均NEE范围为?43.73至?64.26 g C m^?2 生长季^?1（图6）。净碳吸收量沿长期年均降水梯度增加，并伴随GPP、Reco和植被活性（NDVI）的升高（表1；图3），表明即使超干旱生态系统也能维持持续但有限的碳封存。

与

结论

基于中国西北四个代表性沙漠生态系统的长期涡度相关观测，本研究表明这些生态系统在生长季的多个时间尺度上表现为弱碳汇。碳汇强度总体沿长期年均降水梯度增加（HMo < BJT < LZe < SSW），并呈现明显的单峰季节格局。环境控制因子因生态系统而异，偏相关分析表明

CRediT作者贡献声明

王海贤：撰写——初稿，可视化，调查，形式化分析，数据管理，概念构思。张永永：撰写——审阅与编辑，验证，项目管理，获取资金。魏树：撰写——审阅与编辑。康文荣：撰写——审阅与编辑。安宁：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明与本研究无相关利益冲突。

致谢

本研究得到甘肃省科技计划（25JRRA493）、国家重点研发计划（2024YFF1306402）以及干旱区生态水文学与可持续发展重点实验室创新研究团队计划（E4520102）的资助。我们感谢中国通量观测研究网（ChinaFLUX）提供的观测和数据支持。

王海贤 | 张永永 | 魏树 | 康文荣 | 安宁

中国科学院西北生态环境资源研究院，临泽农田生态系统国家野外科学试验站，"山水林田湖草沙"系统治理国家林草局重点实验室，干旱区生态安全与可持续发展国家重点实验室，甘肃兰州，730000，中国