西安交大吴一平教授团队 首次在全球尺度揭示地上与地下生态系统稳定性耦合关系
2026/04/28
113近日，西安交通大学吴一平教授团队以《全球尺度地上与地下生态系统稳定性的耦合关系》（Coupled Above- and Belowground Ecosystem Stability Worldwide）为题在国际知名期刊《先进科学》（Advanced Science）发表研究论文。该研究面向全球变化背景下生态系统稳定性这一前沿科学问题，在全球尺度系统揭示了地上生态系统稳定性与地下生态系统稳定性之间的耦合关系，发现干旱区地上与地下稳定性耦合更强，生态系统对环境波动更为敏感，并识别出温度稳定性在维持这一关系中的关键作用。
生态系统稳定性直接关系陆地碳循环、气候调节与生态安全。长期以来，相关研究更多聚焦于植被生产力、叶面积指数等地上指标，而对土壤呼吸所表征的地下生态过程稳定性及其与地上系统之间的联系，在全球尺度上仍缺乏系统认识。土壤呼吸是陆地生态系统向大气释放碳的重要通量，释放规模可达每年72.6至110 PgC，其微小波动可能对大气二氧化碳浓度及气候产生重要影响。围绕这一关键科学空白，吴一平教授团队整合了1985至2018年全球多源遥感与观测数据，开展了跨时空尺度的模拟与系统分析。
图1 全球地上与地下生态系统稳定性耦合格局
团队采用净初级生产力、叶面积指数、归一化植被指数、增强型植被指数、太阳诱导叶绿素荧光和地上生物量周转率等多源植被指标，系统表征地上生态系统稳定性，并基于4,544条土壤呼吸观测记录，重建了1985至2018年间1公里分辨率的最新全球土壤呼吸数据集。研究发现，地上生态系统生产力越稳定，地下土壤呼吸的长期稳定性越高，表明地上与地下生态过程并非孤立变化，而是在全球环境梯度下保持紧密耦合。这一关系不仅体现在全球空间格局上，也在基于滑动窗口分析的长时间序列评估中表现出高度一致性。
图2 全球尺度地上与地下生态系统稳定性耦合的关键驱动因子
研究还发现旱区具有更强的地上与地下稳定性耦合关系。中亚、澳大利亚中部、美国中西部和非洲南部等地区，虽然地上和地下生态过程本身的稳定性相对较低，但两者之间的联系更为紧密。这说明在水分和养分受限条件下，植被生产过程与地下土壤过程之间具有更高的相互依赖性，一旦受到持续干旱、土地利用变化或过度放牧等扰动，生态系统功能更容易出现同步下降。这一发现进一步凸显了加强旱区生态系统稳定性研究与风险识别的重要性。
图3 不同生态系统类型中地上与地下稳定性耦合及气候调节作用
研究纳入气候因子发现，温度稳定性是维持地上与地下生态系统协同稳定的重要气候调节因子。温度稳定性主要通过稳定地上植被生产过程，间接增强地下生态系统稳定性。该研究从全球尺度深化了对地上与地下生态系统协同稳定机制的认识，也为干旱脆弱区生态保护、生态修复及全球变化风险评估提供了新的科学依据。研究建议，未来生态系统监测与管理不能仅关注地上植被变化，还应同步重视地下土壤过程，尤其需要加强干旱脆弱区植被与土壤协同变化的综合评估。
该研究由西安交通大学牵头，联合多家国内外科研机构合作完成。西安交通大学博士生孟泽昕与西北工业大学副教授李汇文为共同第一作者，吴一平教授为通讯作者。论文共同作者单位包括北京师范大学、美国密歇根大学、西班牙高等科学研究理事会（CSIC）、德国综合生物多样性研究中心（iDiv）、澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）、美国新罕布什尔大学、海南大学、中南林业科技大学、香港大学、奥胡斯大学。该研究得到国家自然科学基金、国家外国专家、中央引导地方科技发展专项、陕西省创新团队、西班牙科学与创新部、德国科研基金等项目资助。
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