总初级生产力异常对急剧干湿水文转变的事件特异性响应

《Agricultural and Forest Meteorology》：Event-specific gross primary productivity anomaly responses to abrupt dry–wet hydrological transitions

　　

- 基于8天事件的分析框架将径流突变转折与GPP异常联系起来。
- 水文转折模式表现出强烈的空间异质性。
- 水文突变转折提高了GPP异常发生的概率。
- 不同植被类型和气候带表现出不同的GPP响应模式。

**引言**

陆地总初级生产力（GPP）是表征生态系统碳吸收能力和功能状态的关键变量，也是陆地碳循环中最大的碳通量之一（Beer等，2010）。GPP的变化受水分供给、能量输入、大气干燥度和植被调节能力的共同控制（Du等，2026）。土壤水分作为连接降水、径流和植被用水的中间变量，调节着陆气相互作用及生态系统对气候异常的响应（Seneviratne等，2010）。干旱通常通过降低土壤水分、增加大气水汽亏缺以及抑制气孔导度来削弱植被光合作用。在全球尺度上，频繁且严重的干旱可显著影响植被生产力的年际变化及生态系统韧性（Liu等，2023）。大气水汽需求，通常以饱和水汽压差（VPD）表示，对森林、草地和灌丛的GPP也产生不同的影响（Chen等，2021）。湿润或降水过程可能具有双重效应：一方面可能补充水分、缓解前期干旱胁迫，但另一方面也可能通过降低辐射、土壤水分过多、短期积水或极端风暴过程抑制光合作用（McCormick等，2025）。此外，生态系统限制因子可能在能量限制与水分限制之间切换，从而增加了水文突变转折期间GPP响应方向和幅度上的不确定性（Denissen等，2022）。因此，从干到湿或从湿到干的快速转折不太可能以简单、同步和线性的方式传递到生态系统中。水文干湿突变交替是否必然引发生态系统生产力异常，这种传递是否涉及时间滞后，以及不同生态系统是否表现出不同的恢复能力，仍然是水文-生态耦合研究中的重要科学问题。

先前的研究表明，干旱-洪涝突变交替对水资源管理、农业生产和生态环境的影响可能比孤立的干旱或洪涝事件更为复杂（Shi等，2021）。近期从土壤水分视角开展的研究进一步表明，在全球变暖条件下，干湿突变交替的风险可能增加，特别是在湿润地区，干湿状态的快速转变对水资源和生态系统可持续性具有重要意义（Qiu等，2024）。这些事件可在短时间内引发剧烈的水文波动，使生态系统同时面临前期水分亏缺、后续水分盈余、辐射变化、大气蒸散发需求以及土壤水分重新分布。因此，干湿突变交替不仅是一种异常水文过程，还可能作为一种重要的外部扰动，触发生态系统生产力异常。

已有研究从多个角度探讨了干旱、洪涝及其生态影响。生态学与遥感研究广泛使用归一化植被指数（NDVI）、叶面积指数（LAI）、太阳诱导叶绿素荧光（SIF）和GPP来评估植被对气候异常的响应。NDVI/增强型植被指数（EVI）产品和中分辨率成像光谱仪（MODIS）LAI产品为表征植被绿度、冠层结构和物候变化提供了重要的遥感基础（Huete等，2002；Myneni等，2002）。SIF作为与光合作用联系更为直接的遥感信号，越来越多地被用于表征植被光合作用活动和GPP变化（Mohammed等，2019）。为探究生态系统生产力的驱动因素，以往研究采用了相关性分析、回归模型和机器学习方法，考察降水、温度、辐射、土壤水分和大气蒸散发需求的影响。全球尺度研究表明，气候极端事件可通过同步效应和滞后效应影响陆地碳循环（Frank等，2015）。在生态系统水分胁迫机制方面，VPD对GPP的影响并不总是与土壤水分一致，且随植被类型和水文气候背景而变化（Chen等，2021）。在生态系统恢复力和扰动抵抗方面，全球植被生产力的抗旱能力有所下降，这一变化主要由温度和土壤水分调控（Liu等，2023）。这些研究为理解生态系统对气候变化的敏感性提供了重要基础。然而，它们通常聚焦于连续时间序列、长期趋势或平均状态，很少刻画极端水文扰动逐事件向生态异常传递的过程。在干旱-洪涝突变交替条件下，生态系统可能表现出同步响应、滞后响应、弱响应或无响应。因此，仅基于总体相关性或长期平均敏感性的分析不足以在突变水文转折事件中区分事件特异性异常响应与非检测及背景变率。

干旱概念、干旱类型和指标体系已得到系统综述，基于标准化的异常指标被广泛用于表征不同时间尺度上的水分亏缺和湿润异常（Mishra和Singh，2010）。对于径流过程，标准化径流指数被用于表征流域尺度的径流异常和水文干旱（Shukla和Wood，2008）。除降水和径流外，土壤水分异常也被广泛用于表征陆地表面水分状态变化，因为土壤水分既受气候强迫控制，也影响植被生理和陆气反馈过程（Seneviratne等，2010）。这些指标为分析干旱或降水事件的频率、持续时间、强度和空间分布提供了方法论基础。近年来，干旱-洪涝突变交替受到越来越多的关注。相关研究通常采用移动窗口、阈值标准、标准化指数的突变或干湿转折指数来识别干湿状态的快速转变（Shi等，2021）。此外，非平稳框架和土壤水分集中度指标也被用于识别气候变化和人类活动影响下的干旱-洪涝突变交替（Cui等，2025；Qiu等，2024）。这些研究增进了我们对水文极端事件发生模式的理解，但大多数研究仍聚焦于水文系统本身，强调事件本身的空间时间特征，对其向生态系统功能的传递及传递机制的探讨仍显不足。

然而，大多数以往研究使用连续相关性、长期敏感性或孤立的干旱和湿润事件来考察生态系统对水文气候变化的响应。这些方法无法判断每一次快速水文转变是否实际上被传递为GPP异常，响应是滞后还是同步，以及在何种条件下事件特异性观测窗口内未检测到新的生产力异常。

基于上述考虑，本研究建立了一个事件尺度分析框架，用于研究生态系统生产力对水文突变干湿转折的响应。首先，从去趋势标准化的8天格点径流数据中识别出由干到湿（D2W）和由湿到干（W2D）的转折事件。其次，使用去趋势标准化的GPP异常指数检测新出现的生态系统生产力异常，并在预设的事件特异性观测窗口内区分正向、负向、双向和无新异常响应状态。第三，量化GPP异常的发生概率、响应滞后、峰值幅度和持续时间，并将D2W事件的正向响应和W2D事件的负向响应定义为方向一致的耦合。第四，采用XGBoost模型结合留置SHAP分析，考察水文事件特征、前期降水和辐射条件、大气蒸散发需求、气候背景和季节性因素与响应发生、时间和幅度的关联。最后，比较不同植被类型和气候带在峰值异常幅度、过程抵抗性、韧性以及响应非检测方面的生态系统响应能力。

本研究旨在回答以下科学问题：（1）水文突变干湿转折是否必然导致可检测的生态系统生产力异常，所观测到的响应能否与背景变率相区分？（2）方向一致的生态耦合的概率、时间和幅度在D2W和W2D转折之间、以及不同空间、季节和研究时段内如何变化？（3）哪些水文事件特征和前期水文气候条件与GPP响应的发生、滞后和幅度相关，这些关系在留置空间区域和多年度期间具有多大的可迁移性？（4）在水文突变干湿转折下，不同植被类型和气候带在脆弱性、抵抗性、韧性和响应非检测方面有何差异？

**方法**

事件尺度分析框架概述见图1。水文事件的识别独立于GPP序列，使用时段特异性标准化径流异常进行。GPP响应特征则通过预设起始搜索窗口进行刻画，该窗口从水文转折开始起算，延伸至转折完成后的两个8天时段。对于D2W事件，新发起的正向GPP异常被视为方向一致的响应，而对于

**水文突变干湿转折的空间时间格局**

在1982—2018年间，共在长江流域识别出369,814个水文干湿突变交替事件。其中，D2W事件为224,075个，占全部事件的60.6%，W2D事件占39.4%。流域平均频率为0.599个事件/格点·年，其中D2W为0.363个事件/格点·年，W2D为0.236个事件/格点·年。所有事件的平均转折持续时间和幅度分别为26.6天和3.121。D2W事件通常

**水文突变干湿转折的生态响应机制**

水文突变干湿转折对生态系统生产力的影响并不直接映射为径流状态的变化，而是通过土壤、植被和大气过程介导的功能响应（Frank等，2015）。尽管D2W和W2D事件代表相反的水文轨迹，但它们并不分别仅对应GPP的增强和抑制。GPP受植物可利用水分、辐射能量、大气蒸散发需求的共同调节

**结论**

本研究建立了一个基于事件的框架，用于考察1982—2018年间长江流域生态系统生产力对水文突变干湿转折的响应。利用8天径流异常，共识别出369,814个转折事件，其中60.6%为D2W事件，39.4%为W2D事件。D2W事件通常更为频繁、持续时间更短、转折更快，而W2D事件持续时间更长、变化更为渐进。转折频率在上游部分地区最高，而

**CRediT作者贡献声明**

杜锡雄：撰写—原稿、可视化、软件、方法、形式化分析、概念构思。
严宝伟：撰写—审阅与编辑、验证、监督、调查、形式化分析、概念构思。
梁昌梅：撰写—审阅与编辑、概念构思。
张军：数据管理。
周雪蕊：撰写—审阅与编辑、软件。
杨东旭：撰写—审阅与编辑、软件。
常建波：撰写—审阅与编辑、可视化。
林晓彤：撰写