过去四十年中，中亚地区净生态系统生产力对极端气候事件的时空响应

《CATENA》：The spatiotemporal responses of net ecosystem productivity to extreme climate events in Central Asia over the past four decades

全球变暖加剧了中亚地区极端气候事件（ECEs）的发生频率和强度，显著影响陆地生态系统碳循环。基于1981-2019年遥感与气象数据，本研究系统评估了极端降水与高温对净生态系统生产力（NEP）的贡献及时空效应，发现NEP在空间上呈现显著异质性，碳汇占比37.14%，主要分布于北疆、天山及阿尔泰山脉。高温对NEP的抑制效应（贡献率40%）远超强降水（31.3%），且存在2-2.15个月的滞后效应。不同植被类型对ECEs的响应差异显著：林地对降水更敏感，而农地、草地和灌丛对高温滞后效应更明显。研究进一步揭示水热条件通过植被类型调节ECEs对NEP的时空响应模式，为区域碳汇管理和气候适应策略提供科学依据。

　　

周倩|陈曦|丁建丽|宋诗然|贾功旭|段莉

新疆大学地理与遥感科学学院，乌鲁木齐800046，中国

摘要

全球变暖显著增加了极端气候事件（ECEs）的频率和强度，对陆地生态系统的碳循环产生了深远影响。然而，关于ECEs对中亚地区净生态系统生产力（NEP）的时间效应及其受水热条件调节作用的系统评估仍然不足。本研究基于长期遥感数据和气象记录，分析了1981年至2019年间极端气候指数（ECIs）对NEP的贡献及其时间效应。进一步探讨了不同植被类型下水热条件如何调节这些时间效应。结果表明，中亚陆地生态系统的NEP存在显著的空间差异，碳汇占总量的37.14%，主要集中在中亚北部、天山山脉和阿尔泰山脉地区。极端降水强度总体有所下降，而极端高温事件则有所加剧。极端温度指数（40%）的贡献超过了极端降水指数（31.3%），其对NEP的抑制作用更为明显。未发现明显时间效应的区域占14.38%–44.71%。极端降水主要表现为对NEP的累积效应（平均累积时间为2.66–2.73个月），而极端温度则主要表现为滞后效应（平均滞后时间为1.62–2.15个月）。ECIs对NEP的时间效应与植被类型密切相关。对于耕地、草地和灌木丛，滞后效应主要由极端温度主导；而森林地区对极端降水的敏感性更高。此外，在特定水热条件的限制下，NEP对ECIs的时间响应模式可能会发生变化。这些发现有助于更好地理解中亚生态系统碳循环对ECEs的响应机制，并为区域碳汇管理和气候变化适应策略的制定提供科学依据。

引言

在全球变暖的背景下，极端气候事件（ECEs）的频率、强度和持续时间显著增加（Coumou和Rahmstorf，2012；Stott等人，2016），对全球陆地生态系统的碳循环产生了深远影响（Frank等人，2015；Reichstein等人，2013）。自1992年《联合国气候变化框架公约》通过以来，人们对社会各领域的生态系统碳排放和碳汇的关注日益增加（Lyu等人，2023），使碳循环成为气候治理研究的重点。植被作为陆地生态系统的重要组成部分，对维持碳平衡起着关键作用。净生态系统生产力（NEP）是评估陆地生态系统碳储存潜力的重要指标，反映了植被通过光合作用和呼吸作用产生的净碳收支。因此，研究ECEs对NEP的影响有助于揭示陆地生态系统碳汇对气候变化的敏感性和脆弱性。

温度和降水是影响生态系统生产力和碳收支的关键因素（Buitenwerf等人，2015；Zhang等人，2013），其水热条件在很大程度上决定了植被的碳收支过程（Ostberg等人，2013）。与平均气候变化相比，ECEs更容易破坏生态系统稳定性，导致植被生理压力（Lesk等人，2022）、生产力下降甚至退化（He等人，2023；Huang等人，2023b；Islam等人，2021；Liu等人，2023a；Shen等人，2024），从而改变碳循环过程。例如，在极端高温条件下，突发干旱事件对全球生态系统生产力的负面影响会显著加剧（Gu等人，2025）；极端降水会大幅削弱沿海湿地生态系统的碳封存能力（Wei等人，2021）；极端干旱会导致亚马逊盆地严重的碳损失（Ke等人，2024）。值得注意的是，大多数现有研究仅关注单一极端气候事件，这在一定程度上限制了对极端气候对生态系统碳汇影响的全面评估。

大多数研究广泛探讨了NEP与气候之间的时间效应。植被生长依赖于适宜的气候条件和充足的养分，变化相对缓慢（Zhao等人，2020）。然而，ECEs可以在短时间内显著影响植被生长（Qi等人，2025）。滞后效应指的是当气候波动超出植被的耐受范围时，植被生长滞后于季节性气候变化的现象。考虑到这一滞后效应，气候因素解释全球植被变化的能力提高了11%（Wu等人，2015）。不同地区的植被响应与ECEs之间的时间滞后从1到48个月不等（Ma等人，2024；Peng等人，2017；Yin等人，2025）。除了时间滞后效应外，累积效应还强调了累积气候条件（包括当前和之前的月度气候条件）对当前植被生长的影响。植被动态受到滞后效应和累积效应的共同驱动，后者将全球平均解释能力提高到68.33%，比仅考虑滞后效应的情景高出3.35%（Wen等人，2019）。显然，仅考虑单一时间效应不足以全面描述气候对植被的时间影响。将滞后效应与累积效应的分析结合起来，有助于更准确地理解生态系统碳循环对气候变化的响应。

基于此基础，现有研究揭示了NEP对ECEs的时间响应特征以及不同植被类型之间的差异（Huang等人，2024；Huang等人，2023b；Sun等人，2025）。然而，相关研究主要集中在时间效应本身，而对水热条件如何调节NEP对ECEs的时间响应的理解仍然有限。特别是在干旱和半干旱地区，长期的水热条件限制可能显著调节不同植被类型NEP的时间响应模式；然而，相关的调节效应尚未得到系统量化，从而增加了评估区域碳循环对ECEs响应的不确定性。因此，在干旱地区背景下，有必要将水热限制作为一个关键分析维度，以明确其在NEP对ECEs时间响应中的作用。

为了减少关于ECEs对NEP及其水热调节效应影响的不确定性，有必要定量识别各种ECEs在其共同影响下对NEP变化的相对贡献。在区域尺度研究中，通常通过标准化的极端气候指数（ECIs）来量化和描述ECEs的频率、强度和持续时间。然而，不同ECIs之间存在强相关性，使得传统回归方法难以可靠地估计每个因素的独立效应（Li等人，2025；Zhao等人，2020）。基于此，本研究引入了岭回归方法，在最小二乘估计中加入惩罚项以减小回归系数，有效缓解了多重共线性问题，同时保持了所有变量的解释能力（Walker和Birch，1988；Zhao等人，2020）。与仅关注变量选择的方法相比，岭回归更适合涉及多个因素综合效应的研究场景，能够更准确地量化各种ECIs对NEP的相对贡献。本研究选择的ECIs（如TXx、CDD）代表了干旱地区的主要极端气候类型。结合随后的时间效应分析框架，它们能够从影响强度和时间效应两个维度评估生态系统碳循环对ECEs的响应。

中亚是全球典型的干旱-半干旱地区之一，其生态系统结构相对简单，稳定性较低，资源承载能力有限，对气候扰动非常敏感（Qin等人，2021）。近年来，该地区频繁发生极端气候事件（如热浪和干旱），其生态系统对气候变化的响应显著增强（Tian等人，2024）。在长期受限的水热条件下，ECEs会放大生态系统碳吸收和释放过程的变异性，从而对区域NEP产生显著影响。因此，中亚是一个具有代表性的、高度敏感的研究区域，可用于评估干旱生态系统对ECEs及其水热调节效应的响应。基于上述研究空白，本研究重点关注干旱-半干旱地区的关键科学问题：不同类型ECIs对NEP变化的相对贡献特征是什么？这些效应的时间特征是什么？这种时间效应是否受植被类型和水热条件的系统调节？为此，本研究以中亚作为研究区域，并选择NEP作为生态系统碳循环的关键指标。研究内容如下：（1）描述中亚NEP和ECIs的时空动态；（2）定量评估不同ECIs对NEP的相对贡献；（3）分析ECIs对NEP的滞后和累积效应及其水热调节效应。本研究旨在为阐明干旱地区生态系统碳循环对ECEs的响应机制提供科学依据，并为气候变化适应策略和实现碳中和目标提供参考。

研究区域概述

中亚位于欧亚大陆的核心地带，包括中国的新疆、哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、塔吉克斯坦、土库曼斯坦和吉尔吉斯斯坦，面积达5.6×10⁶平方公里（图1）。地形从东南部的较高地区逐渐向西北部的较低地区倾斜。中亚西部以连续的卡拉库姆沙漠和克孜勒库姆沙漠为主，北部则以哈萨克高地为特征。东部包括准噶尔盆地和塔里木盆地。

研究框架

为了系统揭示中亚NEP对ECEs的响应机制，本研究建立了一个综合研究框架（图2）。该框架包括遥感数据的预处理和气象数据的再分析、ECIs的构建、NEP和ECIs时空变化特征的系统分析，以及进一步量化ECIs对NEP的相对贡献、时间效应及其在不同条件下的调节效应。

NEP和ECIs的空间和时间变异性特征

过去四十年中，中亚陆地生态系统的年均NEP表现出明显的区域差异，北部和东部的值较高，南部和西部的值较低（图3a）。碳汇区域（NEP > 0）占总面积的37.14%，高值区主要分布在哈萨克斯坦北部和东南部、阿尔泰山脉、天山山脉和伊犁河流域。

中亚ECIs的动态

从极端降水指数的角度来看（图5），R95p、R99p和PRCPTOT呈下降趋势，表明强降水事件的强度逐渐减弱。同时，CWD减少而CDD显著增加，反映了中亚地区干旱持续时间和水分供应期的缩短。关于极端温度，代表极端高温的TXx和TNx持续上升，而代表极端低温的TXn和TNn则

结论

本研究利用长期遥感数据和每日气象记录，分析了中亚NEP对ECIs的时空响应特征。系统评估了不同植被类型NEP对ECIs的时间效应，并进一步探讨了它们的时间响应是否受到当地水热条件和潜在阈值的限制。结果揭示了中亚碳循环与ECIs之间的耦合关系。

作者贡献声明

周倩：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、正式分析、数据管理、概念构建。陈曦：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取。丁建丽：撰写——审稿与编辑。宋诗然：可视化、方法论。贾功旭：方法论、正式分析。段莉：软件。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金国际合作与交流项目（项目编号：42361144887）和新疆维吾尔自治区天山人才项目（项目编号：2022TSYCLJ0056）的支持。