高寒与温带草原干旱驱动生态系统稳定性的层级生态水文控制——基于青藏高原与蒙古高原的对比研究

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Hierarchical ecohydrological controls on drought-driven ecosystem stability in alpine and temperate grasslands across the Qinghai–Tibetan and Mongolian plateaus

　　

研究区域：本研究分析了2001—2023年青藏高原（TP）与蒙古高原（MP）的高寒草原和温带草原，这两个区域代表了亚洲两种截然不同的水文气候环境。研究聚焦：本研究旨在比较高寒草原与温带草原之间的干旱状况、干旱相关生态系统响应模式及其关联的气候途径。采用3个月尺度的标准化降水蒸散发指数（SPEI-3）识别季节性干旱，并以月度卫星总初级生产力（GPP）异常量化生态系统稳定性。研究考虑了四个互补的稳定性指标，包括抵抗力（Ω）、恢复力（Δ）、约束时间（Ct）和恢复时间（Rt）。将随机森林归因与基于残差的偏相关分析相结合，以评估预测因子的重要性及方向性关系。研究区域的新水文见解：蒙古高原的温带草原经历了更强且更持久的干燥化趋势，而青藏高原的高寒草原则表现出较弱且空间上更为混合的干旱趋势。与这些干旱状况一致，青藏高原草原通常表现出较高的抵抗力和较短的Ct/Rt值，而蒙古高原草原则表现出较低的抵抗力、较高的恢复力以及更持久的干旱影响。随机森林（RF）和偏相关分析揭示了气候关联的层级性差异：青藏高原草原的稳定性主要与大气需求及水分-生产力耦合有关，包括饱和水汽压差（VPD）、土壤水分条件、辐射和GPP；而蒙古高原草原的稳定性则与能量相关条件（尤其是温度和辐射）联系更为紧密，大气需求额外塑造了恢复力。这些发现表明，干旱驱动的稳定性不仅在幅度上存在差异，而且在方向性气候关联上也不同，凸显了两个高原系统之间不同的干旱缓冲和干旱后恢复路径。

### 论文解读：高寒与温带草原干旱驱动生态系统稳定性的层级生态水文控制

#### 1. 研究背景与问题

在全球变暖背景下，干旱频发、持续时间延长和强度增加，已成为制约陆地生态系统生产力和碳汇功能的主要胁迫因素。草地作为全球分布最广的植被类型之一，对水分平衡异常高度敏感，干旱会迅速降低其生产力和碳交换能力。然而，草地生产力在反复干旱下的稳定性难以跨区域泛化，关键不确定性在于：生产力损失的抵抗力与干旱后恢复力如何共同组织稳定性策略，以及二者在不同水文气候区中的相对重要性是否发生转变。

生态系统稳定性为评估干旱对生态系统功能的影响提供了可操作框架，通常基于响应维度量化，包括抵抗力（维持功能的能力）、恢复力（恢复能力）以及时间相关属性。已有研究表明，抵抗力与恢复力未必一致，可能存在权衡关系，但以往研究多聚焦于特定区域或短期试验，对大尺度格局及气候控制因素认识不足。此外，方法选择高度影响结论：干旱事件识别所用指数、阈值和累积窗口不一，稳定性指标定义差异大，且干旱的复合效应（持续时间、复发、遗留效应）模糊了事件边界，导致跨生态系统长期比较十分有限。

青藏高原（TP）与蒙古高原（MP）的草地系统构成了一对理想的自然对比实验：前者为高寒环境，受能量和低温限制；后者为温带半干旱至干旱环境，受水分限制。二者在海拔、热力状况、水分可利用性和植被组成上差异显著，代表了温度-水分梯度的两端。直接比较这两个区域，有助于检验抵抗力-恢复力响应模式及其权衡关系是否在能量限制型和水分限制型草地间系统性变化，并识别与干旱影响和干旱后恢复相关的气候因素。

#### 2. 研究方法概述

研究人员采用统一框架对两高原2001—2023年草地进行了对比分析。数据基础包括：基于随机森林-光能利用效率-日光诱导叶绿素荧光（RFR-LUE-SIF）框架生成的500 m分辨率总初级生产力（GPP）产品；ERA5再分析气象数据（气温、降水、饱和水汽压差VPD、土壤含水量SWC、短波辐射）；以及标准化降水蒸散发指数（SPEI）。所有数据统一至500 m空间分辨率，并采用2001—2023年稳定草地像元掩膜。

关键技术方法包括：（1）以SPEI-3（3个月累积水文平衡）识别干旱月（SPEI-3≤?0.5）和干旱事件，计算事件频率、强度、持续时间并划分干旱类型；（2）基于月度GPP相对异常，对每次干旱事件计算抵抗力（Ω，干旱期生产力偏离前状态的倒数）、恢复力（Δ，从最大胁迫状态到恢复状态的恢复幅度）、约束时间（Ct，从干旱 onset 到最大胁迫的月数）和恢复时间（Rt，干旱结束后恢复到正常状态的月数）四个互补稳定性指标；（3）使用Theil-Sen斜率和Mann-Kendall检验分析趋势；（4）采用随机森林（RF）回归评估气候与干旱因子对稳定性的相对重要性，并用基于残差的偏相关分析明确优势预测因子的方向性关系。GPP数据的验证显示与涡度相关通量观测高度一致（R2≈0.85，RMSE≈1.2 g C m?2 d?1），SPEI验证采用45个气象站数据（TP 21站、MP 24站）进行对比。

#### 3. 研究结果

**3.1 SPEI数据集验证**
将再分析数据计算的SPEI与站点观测计算的SPEI在2001—2020年重叠期对比，相关系数在高寒草原为0.61、温带草原为0.81、全部站点为0.72，RMSE较小，数据点围绕1:1线分布，表明再分析SPEI能可靠捕捉区域干旱变率，适用于大尺度干旱评估。

**3.2 干旱时空特征**
基于SPEI-3的多年平均分布显示，高寒草原大部分区域处于中性或略偏湿状态，而温带草原SPEI-3多为负值，且存在显著变干趋势（斜率?0.0132 yr?1，p=0.020），高寒草原趋势不显著（?0.0022 yr?1）。温带草原2009—2011年和2017—2020年出现两次明显多年度干旱事件。温度带草原干旱事件更频繁（部分像元>50次）、强度更强（累积SPEI异常低至?5.76）、持续时间更长（平均4—5个月），主导干旱类型为持续性重旱和极旱；高寒草原以短时干旱为主，持续时间约1.6—2.5个月。趋势分析显示，干旱暴露变化主要通过干旱持续时间和区域差异化的累积胁迫表达，而非事件数量的大范围增加。

**3.3 生态系统稳定性的时空变化**
空间格局上，高寒草原表现出较高的抵抗力、较短的约束时间和恢复时间，但恢复力较低；温带草原则表现出较低的抵抗力、较高的恢复力和更持久的干旱影响。季节性（4—9月）分析表明，高寒草原在整个生长季保持较稳定的干旱缓冲模式（短Ct、高Ω、同步恢复），而温带草原在生长季中期（5—7月）抵抗力明显下降，恢复力在生长季中后期增强，恢复时间空间异质性更强。使用SPEI-12的稳健性检验显示主要空间格局与SPEI-3一致。

**3.4 抵抗力-恢复力权衡**
两高原草地均呈现像素水平的负相关：高寒草原Ω-Δ斜率?0.03（r=?0.54），温带草原斜率?0.07（r=?0.64），两区合并后斜率?0.08（r=?0.74）。这表明草地生态系统在区域尺度上沿干旱缓冲到补偿性恢复的连续谱运行，而非同时最大化两个维度。

**3.5 随机森林因子分析**
RF重要性分析显示，气候-生产力变量的相对重要性普遍高于干旱事件特征。高寒草原：抵抗力主要与VPD、GPP、PAR、SWC相关，恢复力与VPD、GPP、SWC、降水相关，反映大气需求-水分-生产力耦合；温带草原：抵抗力主要与温度（TEMP）和PAR相关，恢复力与TEMP、PAR、VPD相关，反映能量输入的主导作用。干旱事件数量重要性最低，干旱强度和持续时间贡献中等。

**3.6 偏相关方向性分析**
高寒草原：VPD与抵抗力呈正偏相关（r=0.20，p<0.001），与恢复力呈负偏相关（r=?0.14，p<0.001）；GPP和PAR与抵抗力弱负相关。温带草原：PAR与抵抗力呈中等正偏相关（r=0.27），与恢复力呈强负偏相关（r=?0.48，p<0.001）；TEMP和VPD效应较弱。综上，主导因子的方向性因稳定性维度而异，抵抗力与恢复力对应不同的气候路径。

#### 4. 讨论总结

研究揭示了两种水文气候区下协调的稳定性策略差异：高寒草原呈现“干旱缓冲型”模式（高Ω、短Ct/Rt、低Δ），温带草原呈现“恢复主导型”模式（低Ω、高Δ、长干旱影响）。这种差异与干旱暴露程度和水热背景一致。气候归因表明，TP稳定性受大气需求-水分-生产力耦合调控，MP稳定性受能量-水平衡路径调控，VPD（TP）和PAR（MP）分别对抵抗力与恢复力表现出相反的方向性关系。研究局限性包括：Ω和Δ在事件定义中共享最大胁迫状态，二者负相关具有指标依赖性；归因分析基于统计关联而非因果实验；气候变量重采样至500 m网格未产生独立信息；未纳入土壤性质、放牧强度等非气候调节因子。未来需结合高分辨率遥感、通量观测、功能性状和土地利用数据，并分离抵抗力损失路径、恢复路径和干旱遗留效应，推进从关联归因向过程预测的转变。

#### 5. 研究结论

本研究系统比较了2001—2023年青藏高原高寒草原与蒙古高原温带草原的干旱动态和生态系统稳定性。两高原均存在像素水平的抵抗力-恢复力权衡（合并斜率?0.08，r=?0.74），表明生态系统沿稳定性响应连续谱运行而非同时最大化两种组分。高寒草原一般表现出更高抵抗力和更快恢复（更短的Ct和Rt），而温带草原在更强干旱暴露下表现出较低抵抗力、较高恢复力和更持久的干旱影响。归因分析揭示了层级性和区域特异性的气候关联：TP稳定性主要与大气需求-水分-生产力耦合（VPD、GPP、PAR、SWC）相关；MP稳定性主要与能量相关条件（TEMP、PAR）相关，VPD额外塑造恢复力。偏相关进一步显示：TP上VPD与抵抗力正相关而与恢复力负相关；MP上PAR与抵抗力中等正相关但与恢复力强负相关。这些结果说明，干旱驱动的稳定性源于大气需求、水分可利用性、能量输入和生产力之间的区域特异性相互作用，且主导气候因子对抵抗力与恢复力可呈现相反的方向性关系。本研究通过统一草地掩膜、统一研究期和统一事件检测框架，实现了跨高原的类比对评估；通过事件级稳定性框架连接了干旱扰动与影响幅度及响应-恢复时间；通过RF重要性与偏相关结合，不仅明确了主导因子，还揭示了其跨高原的方向性对比，为区域特异性草地管理和未来气候极端事件下的生态系统稳定性预测提供了定量依据。