東北地理所在地下水補(bǔ)給增加將提升全球地下水依賴型生態(tài)系統(tǒng)固氮效率方面取得重要進(jìn)展
氮素是維持陸地生態(tài)系統(tǒng)氮平衡與初級生產(chǎn)力的核心要素。生物固氮可將大氣中的惰性氮轉(zhuǎn)化為生態(tài)系統(tǒng)可利用的有效氮，雖能顯著提升土壤養(yǎng)分水平、增強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力與抗逆性，但水資源狀況依舊是調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)固氮效率的關(guān)鍵限制因子。地下水補(bǔ)給作為地下水系統(tǒng)的核心過程，可通過穩(wěn)定地下水文條件間接調(diào)控固氮微生物賴以生存的土壤微環(huán)境，是地下水依賴型生態(tài)系統(tǒng)（GDEs）結(jié)構(gòu)與功能維持的核心支撐。有研究表明，未來氣候變化下全球極端降水與干旱事件的強(qiáng)度、頻率和持續(xù)時間將持續(xù)增加，必將持續(xù)改變地下水補(bǔ)給對生態(tài)系統(tǒng)的支撐能力。
GDEs覆蓋全球約11.5%的陸地面積、36%的全球缺水區(qū)域，是干旱半干旱區(qū)的“生態(tài)島”與生物多樣性熱點區(qū)，在維持全球生物多樣性、提供生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、支撐旱區(qū)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。GDEs固氮過程高度依賴地下水系統(tǒng)的穩(wěn)定供給，而地下水補(bǔ)給在GDEs固氮效率演變中的核心作用，在全球尺度評估中始終被忽視。全球范圍內(nèi)地下水超采已導(dǎo)致GDEs可利用水資源持續(xù)減少，生態(tài)系統(tǒng)脆弱性顯著增加，面臨嚴(yán)重的退化風(fēng)險。以往大多數(shù)關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)固氮驅(qū)動機(jī)制的研究，多聚焦于氣溫、降水、土壤理化性質(zhì)等環(huán)境因子的影響，或是局地尺度地下水對植被固氮的調(diào)控效應(yīng)，通常僅關(guān)注單一因子對固氮效率的獨(dú)立影響，卻對地下水補(bǔ)給這一核心水文過程對GDEs固氮效率的長期驅(qū)動效應(yīng)考慮不足。迄今為止，在全球尺度系統(tǒng)揭示不同氣候變化情景下，地下水補(bǔ)給對GDEs固氮效率的驅(qū)動效應(yīng)演變、貢獻(xiàn)占比與內(nèi)在作用路徑，仍是水文學(xué)與全球變化生態(tài)學(xué)交叉領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所聯(lián)合長春工程學(xué)院、中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院和新加坡國立大學(xué)等單位科研人員，以全球GDEs為研究對象，在系統(tǒng)總結(jié)氣候變化下水文過程與生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)耦合研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，通過整合ISIMIP多模型、多驅(qū)動全球數(shù)據(jù)集，結(jié)合基于隨機(jī)森林的可解釋SHAP方法與偏最小二乘結(jié)構(gòu)方程模型（PLS-SEM），系統(tǒng)評估了SSP126低排放與SSP585高排放兩種未來氣候變化情景下，全球及不同分區(qū)地下水補(bǔ)給對GDEs固氮效率的驅(qū)動貢獻(xiàn)，厘清了多驅(qū)動因子對固氮效率的直接與間接作用路徑，提出了GDEs保護(hù)與地下水管理的核心方向。研究結(jié)果表明：
（1）氣候變化下，全球生態(tài)系統(tǒng)地下水補(bǔ)給與固氮效率呈協(xié)同增長趨勢，且增幅與波動程度隨排放情景的極端化顯著提升。在SSP126情景下，全球生態(tài)系統(tǒng)地下水補(bǔ)給與固氮效率較歷史時期分別上升5.8%和29.56%，年際波動相對平緩；在SSP585高排放情景下，二者增幅進(jìn)一步擴(kuò)大至9.8%和46.64%，同時年際波動更為劇烈。相較于非 GDEs區(qū)域，GDEs區(qū)域的地下水補(bǔ)給與固氮效率對氣候變化的敏感性更強(qiáng)，年際變異系數(shù)顯著更高。
（2）地下水補(bǔ)給是GDEs固氮效率提升最核心的貢獻(xiàn)因子。在整個全球范圍內(nèi)，在SSP126情景下，蒸散量、葉面積指數(shù)和土壤濕度等因素是生態(tài)系統(tǒng)固氮效率的主要驅(qū)動因素；而在SSP585情景下，太陽輻射和近地表氣溫則占據(jù)主導(dǎo)地位。相比之下，兩種未來氣候情景下地下水補(bǔ)給對固氮效率的貢獻(xiàn)度均居所有因子首位，分別達(dá)到12.33%和8.25%。
（3）氣候變化驅(qū)動下，地下水補(bǔ)給對GDEs固氮效率的作用發(fā)生了從“限制效應(yīng)”到“促進(jìn)效應(yīng)”的根本性轉(zhuǎn)變，且驅(qū)動效應(yīng)強(qiáng)度隨排放情景呈現(xiàn)顯著差異。歷史時期，水文過程對GDEs固氮效率表現(xiàn)為直接負(fù)向限制效應(yīng)，路徑系數(shù)為-0.16，其中地下水補(bǔ)給與地表徑流是水文因子的核心載荷；在SSP126低排放情景下，該限制效應(yīng)完全轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)正向促進(jìn)效應(yīng)，水文過程對固氮效率的直接正向驅(qū)動效應(yīng)達(dá)0.41，地下水補(bǔ)給依舊主導(dǎo)水文因子載荷；在SSP585高排放情景下，該正向驅(qū)動效應(yīng)有所減弱，水文過程對固氮效率的直接影響系數(shù)降至0.16，但地下水補(bǔ)給仍是水文因子中的絕對主導(dǎo)載荷。
雖然本研究側(cè)重于氣候和水文因素對GDEs固氮效率的影響，但本研究仍存在一定局限性。土壤酸化、氧氣供應(yīng)、磷的有效性和土壤中微生物群落組成等均會影響生態(tài)系統(tǒng)固氮效率，因此將這些相互作用的生物地球化學(xué)控制因素納入考量，將有助于在未來研究中更好地表征固氮過程。
該研究發(fā)表在國際頂級期刊《Water Research》上，由中國科學(xué)院東北地理所聯(lián)合培養(yǎng)馮博碩士（第一作者）、長春工程學(xué)院聶思雨副教授（共同一作）、中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所武海濤研究員（共同一作）、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫艷茹副研究員、王海慶博士、章光新研究員、姜明研究員、新加坡國立大學(xué)Xixi Lu教授和齊鵬副研究員（通訊作者）共同完成。研究得到國家重點研發(fā)計劃（2022YFF1300900）、國家自然科學(xué)基金（42371037）和吉林省自然科學(xué)基金（YDZJ202401485ZYTS）共同資助。
論文信息及鏈接如下：
Bo Feng, Siyu Nie, Haitao Wu, Yanru Wen, Haiqing Wang, Guangxin Zhang, Ming Jiang, Xixi Lu and Peng Qi*. Increased groundwater recharge under climate change will enhance nitrogen fixation in groundwater-dependent ecosystems. Water Research, 2026.
https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.125873
圖1 在兩種氣候情景（SSP126和SSP585）下，全球自然生態(tài)系統(tǒng)、GDEs和Non-GDEs在歷史時期（1970-2015年）和未來時期（2015-2100年）地下水補(bǔ)給和固氮效率的年際變化。a、c、e 分別代表全球、GDEs和Non-GDEs的地下水補(bǔ)給年均趨勢。b、d、f 對應(yīng)于固氮效率。斜率表示擬合曲線的斜率，反映總體變化趨勢。CV 表示變異系數(shù)，反映時間波動。
圖2 自然生態(tài)系統(tǒng)中歷史時期，以及SSP126和SSP585情景下相對于歷史時期地下水補(bǔ)給和固氮效率的絕對變化的空間分布格局。a代表歷史時期地下水補(bǔ)給的空間分布。c和e表示在SSP126和SSP585情景下地下水補(bǔ)給相對于歷史時期的絕對變化的空間格局。b代表歷史時期固氮效率的空間分布。d和f表示在SSP126和SSP585情景下固氮效率相對于歷史時期的絕對變化的空間格局。
圖3 不同情景下地下水補(bǔ)給SHAP值百分比的空間分布，包括各子區(qū)域中各因素SHAP值的比例。a和c代表SSP126和SSP585情景下全球格局下地下水補(bǔ)給的SHAP值比例，以及各子區(qū)域中各因素的比例。b、d圖顯示了SSP126和SSP585情景下不同氣候帶中地下水補(bǔ)給的SHAP值比例。
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