《CATENA》：Spatiotemporal dynamics and driving mechanisms of carbon storage across rocky desertification grades in the karst region of Chongqing
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碳储量动态与驱动机制研究：重庆喀斯特地区2001-2020年显示，碳储量经生态修复后从413.7Tg回升至417.4Tg，2014年为荒漠化改善与碳恢复转折点。空间异质性显著（Moran's I=-0.37至-0.44），NDVI对碳储量空间分异贡献最大（q=0.64），并存在非线性阈值效应（NDVI>0.835时碳储量趋于稳定）。
黄若曼|饶磊|陈世迪|李慧|魏兴平|杨帆|凌胡晓宇|刘丹|陈婷|蒲俊斌
重庆师范大学地理与旅游学院山地生态系统碳循环与碳调节重点实验室喀斯特研究团队，中国重庆401331
摘要
喀斯特地区的碳储量是全球碳循环的重要组成部分。了解其时空动态及其背后的驱动机制对于评估生态恢复工作的有效性以及提高区域碳汇能力至关重要。本研究调查了2001年至2020年间中国重庆喀斯特地区不同程度岩质荒漠化（KRD）下生态系统碳储量的时空演变及其驱动因素。为此，我们使用了综合生态系统服务与权衡评估（InVEST）模型来估算碳储量，并通过Sen斜率估计法和Mann–Kendall检验法分析趋势和转折点。随后，采用基于最优参数的GeoDetector（OPGD）模型识别主要驱动因素及其相互作用效应，同时利用基于随机森林的部分依赖图（PDP）来探索非线性响应。研究结果表明，生态系统碳储量最初略有下降，随后逐渐恢复，从413.7 Tg增加到417.4 Tg。与此同时，整体岩质荒漠化状况有所改善，2014年被确定为关键转折点。从空间上看，碳储存与岩质荒漠化程度呈显著负相关（Moran’s I = ?0.37至?0.44，p < 0.01），表明高荒漠化程度和低碳储存区域具有明显的聚集性。在驱动因素方面，归一化差异植被指数（NDVI）对解释碳储存的空间异质性影响最大（q = 0.64），所有显著的交互效应均涉及NDVI。此外，PDP显示当NDVI超过0.835时，碳储存水平趋于稳定。这些发现表明，重庆喀斯特地区的生态恢复措施有效增强了碳汇能力，主要通过植被恢复实现。总体而言，本研究为改善岩质荒漠化控制和优化脆弱喀斯特生态系统的碳封存策略提供了重要见解。
引言
提高陆地生态系统的碳封存能力是实现碳中和目标的关键自然策略（Liu等人，2022年）。作为重要的全球碳库，陆地生态系统在植被和土壤中储存了大量碳，在减缓气候变化中发挥着关键作用（Huang等人，2022a；Liu等人，2025年）。然而，这一策略在脆弱喀斯特地区的有效性仍存在很大不确定性。尽管喀斯特地貌具有潜在的碳汇能力（Cao等人，2018年；Li等人，2019年；Bai等人，2023a），但由于岩质荒漠化，它们极易受到土壤退化和碳损失的影响（Zhao等人，2025年；Chang等人，2024年；Xiong等人，2009年）。这一过程威胁了它们在全球碳循环中的作用，并削弱了区域恢复工作的成效。因此，研究这些脆弱生态系统中碳储量的动态及其驱动因素已成为科学和管理上的优先事项。
喀斯特地形在全球范围内广泛分布，约占世界陆地面积的12%（Liu等人，2016年）。其独特的化学风化作用消耗大气中的二氧化碳（CO2），赋予这些地貌显著的碳汇潜力（Shao等人，2026年）。然而，喀斯特生态系统本质上较为脆弱。不可持续的人类活动可能引发严重的岩质荒漠化，导致土壤层变薄、肥力下降、侵蚀加剧以及大量基岩暴露（Chang等人，2024年；Zhang等人，2021b；Xu等人，2023b）。这种退化会损害农业生产力、景观完整性和生物多样性。更严重的是，它加速了土壤有机碳的流失，降低了碳封存能力（Hu等人，2018年），可能使某些地区从碳汇转变为碳源，从而破坏区域碳平衡（Zhao等人，2025年）。值得注意的是，尽管一些研究表明生态工程显著改善了中国的喀斯特岩质荒漠化地区的植被恢复并增强了碳储存（Tong等人，2018年；Luo等人，2024年），并且碳储存研究在喀斯特地区具有独特优势。因此，准确量化喀斯特地貌中的碳储量动态是将生态恢复成果与碳中和目标联系起来的科学前提。
近年来，关于陆地生态系统碳储量的研究取得了显著进展，空间尺度、方法论以及对驱动机制的理解都有所提高。在空间上，研究范围从单个流域（Bai等人，2025年）和城市（Chung等人，2024年）扩展到省级（Yang等人，2025b）、城市聚集区（Xu等人，2025a）和国家层面（Hamel等人，2024年）。在方法论上，研究方法从单一方法应用发展为结合野外调查（Tang等人，2025年）、遥感反演（Hu等人，2024b）和模型模拟（Lv等人，2025年）的综合框架。其中，综合生态系统服务与权衡评估（InVEST）模型因其参数需求低、操作简便以及输出结果易于解释和可视化而被广泛用于模拟和评估生态系统碳储存（Babbar等人，2021年；Hernández-Guzmán等人，2019年）。在主题上，研究越来越多地关注碳储存的驱动因素，经常使用相关性分析、多元回归和地理检测模型来量化自然和社会经济因素的影响（Li等人，2025a；Yang等人，2025a）。尽管取得了这些进展，但在喀斯特荒漠化背景下仍存在关键知识空白。首先，大多数现有研究将喀斯特地貌视为同质单元，未能捕捉不同程度喀斯特化下碳储量的时空动态。其次，对驱动机制的分析很少将喀斯特化程度作为潜在影响因素纳入考虑，并且很大程度上忽略了碳储量对关键驱动因素的非线性和阈值响应。这些概念和方法上的空白掩盖了脆弱喀斯特地区的复杂碳动态。
重庆为解决这些空白提供了一个理想的自然实验室。该地区具有复杂的地质特征、脆弱的生态系统和明显的岩质荒漠化现象（Li等人，2024a；Xie等人，2023年），并实施了大规模的生态恢复项目，包括“ Grain for Green”计划和“喀斯特荒漠化综合治理”项目。这一环境非常适合研究喀斯特荒漠化程度与生态系统碳储存之间的关系。本研究聚焦重庆喀斯特地区，旨在：（1）基于植被覆盖、基岩暴露和地形建立多等级岩质荒漠化分类系统，为评估碳储量动态提供比二元方法更细致的空间框架；（2）描绘不同岩质荒漠化程度下的碳储量时空分布模式；（3）系统阐明碳储量空间异质性的驱动机制。关键的是，虽然以往研究已经确定了碳储存的主要驱动因素，但它们往往依赖于主观数据离散化，未能捕捉到非线性阈值效应。为了解决这些局限性，我们引入了一种创新框架，将基于最优参数的GeoDetector（OPGD）与部分依赖图（PDP）相结合。OPGD算法自动化了连续变量的离散化过程，克服了传统地理检测器的主观分组限制。随后，PDP用于明确可视化关键驱动因素对碳储量的非线性效应和阈值响应。这种综合方法直接解决了上述问题，并加深了对脆弱喀斯特生态系统中碳循环的机制性理解。研究结果有望为评估喀斯特生态恢复的碳封存效果及优化相关管理策略提供科学依据。
研究区域
重庆位于长江上游（北纬28°10′–32°13′，东经105°17′–110°11′），处于青藏高原与长江中下游平原的过渡带，面积约为8.24 × 104平方公里（Li等人，2025b）。研究区域的地理位置和行政边界如图1所示。该地区以众多山脉和密集的河流网络为特征。
KRD的时空动态
如图2所示，2001年至2020年间，重庆喀斯特地区的非岩质荒漠化（NKRD）和岩质荒漠化（KRD）区域均表现出显著波动。总体而言，NKRD面积增加，而KRD面积减少。到2020年，KRD总面积降至13,735.66平方公里，相比2001年减少了4,155.84平方公里。具体而言，轻度岩质荒漠化（LKRD）、中度岩质荒漠化（MKRD）和重度岩质荒漠化（SKRD）面积分别减少了1,883.85平方公里。
碳储存的时空变化特征
2001年至2020年间，重庆喀斯特地区的碳储存呈现波动但总体下降的趋势。这一趋势分为两个阶段：2001年至2014年的快速下降期，以及2014年至2020年的减缓下降和初步恢复期。2001年至2014年的快速下降主要是由于城市扩张和相关的土地利用变化所致，这涉及大规模的农田和森林转换。
结论
本研究考察了重庆喀斯特地区不同程度岩质荒漠化下碳储存的时空动态。我们的综合分析采用了综合生态系统服务与权衡评估（InVEST）模型、Sen斜率估计法、Mann–Kendall检验法、基于最优参数的GeoDetector（OPGD）和部分依赖图（PDP）。主要结论如下：
(1)岩质荒漠化和碳储量的时空演变
CRediT作者贡献声明
黄若曼：撰写——初稿撰写、可视化、软件开发、调查、数据分析、数据整理。饶磊：撰写——初稿撰写、验证、监督、方法论设计、概念构建。陈世迪：撰写——审稿与编辑。李慧：撰写——审稿与编辑。魏兴平：资金筹集、数据分析、数据整理、概念构建。杨帆：撰写——审稿与编辑。凌胡晓宇：撰写——审稿与编辑。刘丹：撰写——审稿与编辑。陈婷：
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了“国家高层次人才专项支持计划（蒲俊斌）”（2022年青年人才计划）和“重庆市自然科学基金”（CSTB2025NSCO-GPX1023）的支持。
