半湿润城市森林生态系统中碳和水通量动态的驱动因素与阈值

《Agricultural and Forest Meteorology》：Drivers and thresholds of carbon and water flux dynamics in a semi-humid urban forest ecosystem

　　本研究基于涡度协方差法在天津半湿润城市森林连续4年观测，发现非干旱期GPP、ET及Gc显著高于干旱期，结构方程模型表明干旱期GPP受VPD主导，ET受Rn和Ta控制，SWC起缓冲作用。阈值分析显示GPP和ET对环境因子呈非线性响应，超过阈值后下降。结果揭示了城市森林碳-水循环机制及应对气候变化的阈值特征。

　　
城市森林生态系统碳-水循环响应机制与阈值特征研究（2020-2023）

一、研究背景与科学问题
城市森林作为人工生态系统的重要组成部分，其碳汇能力与水分调节功能在应对气候变化中具有特殊价值。当前研究多聚焦自然生态系统，而城市森林因特殊的小气候环境（如热岛效应、土壤干旱化等）呈现复杂的碳-水耦合机制。本研究针对半湿润气候区（年均降水500-800mm）的典型城市森林，通过连续四年观测揭示以下核心问题：
1. 城市森林碳-水通量时空动态特征及其驱动机制
2. 干旱胁迫对碳-水通量耦合关系的影响
3. 环境因子阈值对生态系统功能的调控作用

二、观测体系与方法创新
研究团队在天津南开大学校园内（北纬38°59′，东经117°20′）建立标准化观测场，采用涡度协方差技术（Eddy Covariance）实现：
- 碳通量：通过涡度相关法获取生态系统呼吸（ER）和净生态系统生产（NEP）
- 水分通量：结合土壤水分动态监测与涡度测量数据
- 环境参数：同步记录太阳辐射（Rn）、气温（Ta）、水汽压差（VPD）、土壤含水量（SWC）

创新性体现在：
1. 首次建立连续四年（2020-2023）的标准化观测数据库，覆盖典型城市森林的年周期过程
2. 采用结构方程模型（SEM）解析多因子耦合作用
3. 引入阈值分析法量化环境因子对生态过程的非线性影响

三、核心研究发现
（一）碳-水通量特征
1. 年均通量值：
- 净初级生产力（GPP）：1177.1g C/m2·yr
- 净生态系统交换（NEE）：-382.7g C/m2·yr
- 蒸散量（ET）：520.5mm/yr
- 水分利用效率（WUE）：2.2g C/kg H?O

2. 时空变异规律：
- 季节变化：GPP峰值出现在7-8月（夏季），ET峰值出现在5-6月（春季）
- 年际波动：2021年降水异常（725.12mm）导致GPP年际差异显著（p<0.05）
- 日变化特征：Rn午间峰值（9-10时）与GPP形成显著正相关性（r=0.68）

（二）干旱胁迫影响机制
1. 环境参数阈值：
- 临界土壤含水量（SWC）：12.5%（低于此值触发干旱响应）
- 临界VPD：2.0kPa（超过此值导致气孔完全关闭）
- 临界Rn：650W/m2（高于此值光限制效应显现）

2. 通量响应特征：
- GPP干旱响应：当VPD>2.0kPa时，GPP下降率达43%
- ET干旱响应：SWC低于15%时，ET降低58%
- 水分利用效率（WUE）呈现U型曲线，在SWC=18%时达到峰值2.8g C/kg H?O

（三）驱动因子耦合模型
基于结构方程模型（SEM）解析三大驱动因子权重：
1. 能量因子（Rn+Ta+VPD）：
- 主导GPP（贡献度68%）和ET（贡献度72%）
- Rn每增加10W/m2，GPP提升15%（非干旱期）
- Ta每升高1°C，VPD增加0.25kPa（日尺度）

2. 水分因子（SWC）：
- 在干旱期GPP调节因子权重提升至39%
- ET调节因子权重降低至28%
- 与NEP存在显著负相关（r=-0.71，p<0.01）

3. 大气因子（VPD）：
- 超过2.0kPa时，GPP与VPD呈指数衰减关系（Q=0.83）
- 在SWC>20%条件下，VPD对ET的调控作用减弱52%

四、阈值效应与生态管理启示
1. 碳-水通量非线性响应阈值：
- 能量阈值：Rn>650W/m2时，GPP增速放缓（斜率变化系数0.32）
- 水分阈值：SWC<15%触发ET下降拐点
- 大气阈值：VPD>2.0kPa导致气孔导度（Gc）骤降（降幅达81%）

2. 生态管理建议：
- 水分管理：维持SWC在18-22%区间可提升系统稳定性
- 植被配置：选择VPD耐受性＞2.5kPa的树种组合
- 人工干预：干旱期实施节水灌溉（每公顷补充200-300m3）

五、研究局限与未来方向
1. 数据局限：
- 未包含冬季数据（11-4月）
- 土壤属性空间异质性未完全表征
- 人类活动干扰因子（如道路热辐射）测量缺失

2. 理论延伸：
- 建议结合机器学习算法（如随机森林）优化阈值识别
- 开展多尺度验证（10m×10m→1km2）
- 探索植物-微生物互作对阈值的影响

本研究建立的"环境因子-生理响应-通量输出"三级阈值模型，为城市森林碳汇效能评估提供了量化工具。当SWC维持18%以上时，系统可承受VPD峰值达2.4kPa的短期干旱；而长期VPD>2.0kPa（持续3个月以上）将导致GPP年降幅超过30%。这些发现为智慧城市绿化规划提供了关键参数，特别是对北方半湿润地区（年均温10-15°C，降水500-800mm）具有重要指导价值。后续研究应关注极端气候事件（如2022年连续高温干旱）的长期效应，以及城市热岛强度与植物生理响应的耦合关系。