東北地理所在地下水補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立影響，卻對地下水補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，地下水補給對GDEs固氮效率的驅(qū)動效應(yīng)演變、貢獻占比與內(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)地下水補給對GDEs固氮效率的驅(qū)動貢獻，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，二者增幅進一步擴大至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)域的地下水補給與固氮效率對氣候變化的敏感性更強，年際變異系數(shù)顯著更高。
（2）地下水補給是GDEs固氮效率提升最核心的貢獻因子。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給對固氮效率的貢獻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，地下水補給對GDEs固氮效率的作用發(fā)生了從“限制效應(yīng)”到“促進效應(yīng)”的根本性轉(zhuǎn)變，且驅(qū)動效應(yīng)強度隨排放情景呈現(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)閺娬虼龠M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給的空間分布。c和e表示在SSP126和SSP585情景下地下水補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給的SHAP值比例。
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