《Advances in Climate Change Research》：Global spatial heterogeneity of changes in vegetation resistance to compound drought and heat events during 2001–2020
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摘要：植被抵抗力在维持生态系统稳定性中发挥着至关重要的作用，但其日益受到复合干旱和高温事件（CDHEs）发生频率上升的威胁。尽管这些胁迫因子的发生日益普遍，但植被抵抗力如何变化及其背后的机制仍不清楚，限制了对未来碳汇的预估能力。本研究探讨了叶面积指数（LAI）
摘要：植被抵抗力在维持生态系统稳定性中发挥着至关重要的作用，但其日益受到复合干旱和高温事件（CDHEs）发生频率上升的威胁。尽管这些胁迫因子的发生日益普遍，但植被抵抗力如何变化及其背后的机制仍不清楚，限制了对未来碳汇的预估能力。本研究探讨了叶面积指数（LAI）和日光诱导叶绿素荧光（SIF）对CDHEs的响应。利用地理探测器（GD）模型，研究人员探究了2001–2020年间全球植被抵抗力变化空间分布的控制因素。结果表明，CDHEs平均每2.92年发生一次，约80%的植被响应时间（RTs）落在2–4个月窗口内。北方生态系统的RTs一般长于南方生态系统。基于LAI和SIF评估的植被抵抗力空间格局总体一致。然而，基于SIF的评估显示更多地区表现出低抵抗力。在2001–2020年间，52.1%的区域LAI基础抵抗力下降，47.1%的区域SIF基础抵抗力呈相似趋势。部分区域，如北美中部和南美南部，抵抗力显著下降，而澳大利亚西部和中国中部抵抗力增强。GD分析识别出关键气候因子，如饱和水汽压差、温度和地表净太阳辐射，是大多数热点区域植被抵抗力变化的主要驱动因子。这些因子通过非线性效应相互作用，进一步影响植被抵抗力。总体而言，本研究为改善生态系统保护和增强区域生态抵抗力提供了科学基础。
**2001–2020年全球植被对复合干旱和高温事件抵抗力变化的时空格局与驱动机制——基于LAI与SIF的多源遥感分析**
**1. 研究背景与科学问题**
21世纪以来，极端气候事件呈现频发、增强和持续延长的趋势。复合干旱和高温事件（Compound Drought and Heat Events, CDHEs）因其对生态系统生产力与碳循环的严重冲击而备受关注。例如，2003年欧洲CDHE使该区域生态系统由碳汇转变为碳源，总初级生产力（GPP）下降约30%；2022年夏季—秋季中国南方的破纪录CDHE也导致植被绿度和光合活性显著下降。在此背景下，生态系统抵抗力（ecosystem resistance）作为维持植被结构与生理功能、缓冲极端气候负面影响的核心属性，成为评估生态系统脆弱性的关键指标。然而，现有研究多聚焦单一干旱或高温胁迫，对CDHEs联合胁迫下生态系统抵抗力的量化评估及其空间变化机制的认识仍十分有限。同时，植被结构指标（如叶面积指数，LAI）与生理功能指标（如日光诱导叶绿素荧光，SIF）对复合胁迫的响应可能存在显著差异，但尚未在CDHEs背景下得到系统比较。此外，区域尺度上控制植被抵抗力空间异质性的主要气候因子及其非线性交互作用尚不明确。因此，亟需在全球尺度上揭示CDHEs下植被抵抗力的变化特征、空间格局及其驱动机制，为生态保护与适应性管理提供科学依据。
**2. 研究方法概述**
研究人员利用2001–2020年月尺度气候、土壤湿度及植被遥感数据，系统评估了全球植被对CDHEs的抵抗力。采用标准化降水指数（SPI-3）识别干旱条件，并以温度超过同期第80百分位数定义高温事件，进而识别事件尺度的CDHEs。植被数据包括GIMMS LAI4g叶面积指数和GOSIF日光诱导叶绿素荧光产品，经去季节和去趋势处理后，计算植被负异常达到最大值的响应时间（RT）及最大下降程度，定义抵抗力为最大下降程度与RT的比值（RLAI和RSIF）。将研究期划分为2001–2010年（P1）和2011–2020年（P2）两时段以分析抵抗力变化，并选取北美中部（CNA）、亚马逊（AMA）、南美南部（SSA）、欧洲（EU）、东北亚（NEA）、南部非洲（SAF）、南亚（SAS）和澳大利亚东部（EA）八个热点区域进行深入分析。利用地理探测器（Geographic Detector, GD）模型，从事件特征、气象因子和土壤湿度三类共九个因素中，量化各因子及其交互作用对植被抵抗力空间异质性的解释力。所有遥感数据均重采样至0.5°分辨率，并仅保留土地利用类型在研究期内一致的像元。
**3. 研究结果**
**3.1 植被对CDHEs的响应特征**
2001–2020年间，导致生态系统受损的CDHEs平均发生6.86次，即全球平均每2.92年发生一次。约70%的陆地生态系统经历少于9次CDHEs，但北美中部和西部、南美、南亚北部及中国西南部等地区事件频率超过12次。基于LAI和SIF计算的全球生态系统RTs显示，超过98%的区域在6个月内作出响应，约80%的区域在2–4个月内响应。LAI和SIF平均RTs分别为3.56个月和3.41个月，北方生态系统RTs普遍长于南方。LAI和SIF平均下降程度分别为?1.21和?1.29，低下降区域主要位于北纬60°附近，而北美中部和南美南部在两种指标下均呈现持续高下降响应。
**3.2 植被抵抗力变化的空间格局**
研究期内，LAI和SIF反映的植被抵抗力空间分布总体一致。西亚、北美中部和南美南部抵抗力较低，而北方森林、亚马逊和中国南方抵抗力较强。生态系统平均RLAI为?0.54，平均RSIF为?0.61，RSIF略低且空间格局相似。但欧洲、南亚和澳大利亚西部等地RLAI高于RSIF，而北方高寒地区RSIF高于RLAI。不同植被类型中，森林抵抗力最高，农田最低。将2001–2010年与2011–2020年比较，52.1%的区域RLAI下降，47.1%的区域RSIF下降。北美中部和南美南部抵抗力显著减弱，而澳大利亚西部、北美北部和中国中部抵抗力增强。在欧洲和南亚，RLAI显著下降而RSIF上升。热点区域内部也存在分异，如欧洲中西部抵抗力减弱而东部和南部增强；澳大利亚东部东南部减弱而西北部增强。
**3.3 抵抗力变化的影响因素**
地理探测器分析表明，主导因子因区域而异。LAI方面，北美中部和欧洲的植被抵抗力变化主要由饱和水汽压差（VPD）、温度（Tem）和地表净太阳辐射（Ssr）解释，三者合计贡献率分别为67.8%和56.7%；南部非洲、澳大利亚东部和东北亚以降水为最强单因子。SIF方面，北美中部、欧洲、南美南部和南亚的RSIF变化主要由VPD、Tem和Ssr驱动，贡献率分别为72.6%、81.3%、49.8%和21.4%；亚马逊和南部非洲的土壤湿度影响显著。交互作用分析显示，因子间主要表现为双因子增强或非线性增强。例如，在亚马逊地区，干旱强度和高温强度对RLAI的单因子解释力分别为0.076和0.034，而二者交互解释力达0.175，远超线性之和0.110，表明因子组合通过非线性协同效应影响植被抵抗力变化。VPD在多数区域与其它因子存在强交互，在北美中部和欧洲，VPD与其它因子的交互对RSIF变化的贡献超过30%。
**4. 讨论与结论**
讨论部分指出，高纬度北方植被抵抗力较强与能量限制环境下干旱高温可能促进光合作用有关，但冻土退化可能削弱该优势。区域抵抗力差异与背景干旱度、植被功能性状和生物多样性密切相关。森林具有深根系和高储碳能力，抵抗力高于浅根草本植物。LAI与SIF响应的不一致揭示了植被结构与生理功能在复合胁迫下可能出现暂时性解耦，SIF能更早、更灵敏地反映光合生理胁迫，而绿度恢复可能先于光合能力恢复。全球RSIF均值略高于RLAI的变化趋势，可能与增温和CO2施肥效应部分抵消胁迫影响有关，但CO2施肥效应存在饱和趋势。在热点区域，VPD、温度、辐射和土壤水分等因子通过非线性交互放大胁迫效应，未来CDHEs频率增加可能进一步削弱植被抵抗力。
研究结论表明：2001–2020年全球植被对CDHEs的平均响应时间LAI为3.56个月，SIF为3.41个月；北美中部和南美南部等热点区域植被损害尤为严重。LAI和SIF评估的抵抗力空间分布相似，北方生态系统总体强于南方。欧洲和澳大利亚西部等地RSIF低于RLAI，表明光合作用对CDHEs比冠层结构更敏感。2011–2020年间，因子间双因子或非线性交互放大了植被胁迫。RSIF显著变化风险存在明显纬度差异，北半球主要由大气水分驱动，南半球则主要受高温控制。该研究通过识别区域抵抗力模式和高风险区域，为全球变暖背景下维持生态系统稳定性和脆弱生态区早期预警提供了科学依据，强调应优先在高风险热点区域实施针对性干预，并在生态监测中整合SIF等生理指标与传统结构指标。
