AFM | 中亚地区植被对土壤水分胁迫敏感性高于降水与VPD

论文信息： Liang et al. (2026). Vegetation in Central Asia is more sensitive to soil moisture stress than to precipitation and vapor pressure deficit stresses. Agricultural and Forest Meteorology, 383, 111140. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2026.111140

摘要

中亚是欧亚大陆最具代表性的干旱区之一，明确植被对不同类型水分胁迫的敏感性，对于制定有效的干旱缓解策略具有重要意义。然而，目前对于中亚植被如何响应不同类型水分胁迫的认识仍然有限。本文结合多源遥感植被指数与气象再分析数据，系统评估了 1982—2020 年中亚植被对降水（Pre）、土壤水分（SM）和蒸汽压差（VPD）三类胁迫的敏感性，并进一步基于 CMIP6 数据预测未来敏感性及其变化趋势。结果表明，植被对 SM 胁迫最为敏感，Pre、SM 和 VPD 胁迫的平均敏感性分别为 0.40、0.69 和 0.44。与其他地表覆盖类型和气候区相比，森林、湿地以及相对寒冷湿润气候区对 SM 胁迫的敏感性略低、对 VPD 胁迫的敏感性略高，但其平均敏感性仍以 SM 胁迫最高。灌溉显著降低了作物对 SM 胁迫的敏感性，且随着灌溉用水量增加，这种敏感性进一步下降。趋势分析表明，1982—2020 年间植被对 SM 胁迫的敏感性呈明显升高趋势，而对 Pre 和 VPD 胁迫的敏感性趋势并不显著。趋势转折分析显示，分别有 9.27%、18.28% 和 7.10% 的植被区域在 Pre、SM 和 VPD 胁迫敏感性趋势上发生显著转折，其中以 D-I 和 I-I 类型为主。未来预测表明，植被对 SM 胁迫的敏感性仍将保持最高，并整体继续增强。该研究深化了对中亚植被响应不同水分胁迫机制的认识，也为全球其他干旱区的相关研究提供了重要参考。

研究背景

水分胁迫是影响植被生态系统稳定性的关键因子之一。已有研究表明，过去 30 年间，水分胁迫导致全球陆地碳汇年均损失约 0.19±0.006 Pg C，占全球陆地碳固存总量的约 8.3%。在持续增暖背景下，水分胁迫预计将进一步增强，对生态系统稳定性构成更大威胁。

中亚是北半球温带最大的干旱—半干旱区域之一，覆盖哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦、土库曼斯坦、塔吉克斯坦以及中国新疆。该区域降水少、蒸发强、气候波动显著，植被生态系统对水分变化高度敏感，因此明确植被究竟对哪一种水分胁迫更敏感，具有重要的生态学与管理意义。

不过，现有研究多集中于植被对单一水分胁迫因子（如降水或土壤水分）的响应，而对于降水亏缺、土壤水分亏缺和大气干燥度升高这三类胁迫的系统比较仍然不足。该研究正是在这一背景下展开，旨在从多水分胁迫视角重新认识中亚植被的敏感性格局。

研究内容与方法

核心科学问题

本文重点回答三个问题：

1. 中亚植被对降水、土壤水分和蒸汽压差三类水分胁迫中，究竟对哪一类最敏感？
2. 这种敏感性在不同植被类型、不同气候区以及历史时期内呈现怎样的空间格局与变化趋势？
3. 在未来气候变化情景下，中亚植被对不同水分胁迫的敏感性将如何演变？

数据与指标体系

• 植被指数： 选取 LAI、KNDVI 和 SIF 三类植被指标，分别表征植被结构、绿度与光合活性，以增强结果的交叉验证能力。
• 水分胁迫指标： 分别采用标准化降水指数（SPI）、标准化土壤水分指数（SSMI）和标准化蒸汽压差指数（SVDI）刻画 Pre、SM 和 VPD 三类胁迫。
• 历史时段： 主要分析 1982—2020 年，其中 SIF 数据覆盖 2000—2020 年。
• 未来预测： 基于 CMIP6 多模式集合数据，在 SSP126、SSP245、SSP370 和 SSP585 情景下预测 2021—2100 年敏感性及其趋势变化。

敏感性量化方法

研究基于已有敏感性框架，综合考虑植被对不同水分胁迫的滞后效应与累积效应。作者采用 Spearman 偏相关分析，分别量化响应强度与响应时间，再将其耦合为综合敏感性指数。

其中，Rlag 和 Rcum 分别表示滞后与累积条件下的响应强度，nTlag 和 nTcum 表示归一化后的响应时间。数值越大，表示植被对该类水分胁迫越敏感。

在此基础上，作者进一步使用 7 年滑动窗口和 Mann-Kendall 检验分析敏感性趋势，并利用 BEAST 方法识别趋势转折点，从而评估中亚植被敏感性的历史变化与未来演化。

研究结果

1. 中亚植被对土壤水分胁迫最为敏感

研究显示，1982—2020 年中亚植被对 Pre、SM 和 VPD 胁迫的平均敏感性分别为 0.40、0.69 和 0.44，其中土壤水分胁迫的敏感性显著高于另外两类胁迫，说明中亚植被最直接受限于根区可利用水分，而不是单纯由降水变化或大气干燥度变化主导。

这一结论在不同植被类型和不同气候区中均具有一致性。即便是森林、湿地以及相对寒冷湿润的气候区，虽然对 SM 胁迫的敏感性略低于干旱草地或灌丛，但其平均敏感性仍然以 SM 胁迫最高。

2. 灌溉显著降低农田对土壤水分胁迫的敏感性

在农田系统中，灌溉对作物水分敏感性具有明显缓冲作用。研究发现，灌溉农田对 SM 胁迫的平均敏感性明显低于雨养农田，而且随着灌溉用水量增加，作物对土壤水分胁迫的敏感性持续下降。

这表明，人类管理活动能够在一定程度上重塑植被对自然水分胁迫的响应机制，尤其是在农业生态系统中，灌溉是削弱土壤水分限制效应的重要调控手段。

3. 历史时期内 SM 胁迫敏感性显著增强

趋势分析表明，1982—2020 年间，中亚约 70% 的植被区域对 SM 胁迫的敏感性呈增加趋势，而对 Pre 和 VPD 胁迫的敏感性变化总体不显著。这意味着在过去数十年间，土壤水分对植被活动的限制作用持续加强。

进一步分析发现，生长季降水减少是推动这一趋势的重要原因。换言之，虽然植被对降水本身的直接敏感性并未显著上升，但降水减少通过影响土壤储水过程，最终强化了植被对 SM 胁迫的依赖和响应。

4. 敏感性趋势存在明显转折现象

趋势转折分析显示，分别有 9.27%、18.28% 和 7.10% 的植被区域在 Pre、SM 和 VPD 胁迫敏感性趋势上发生了显著转折，其中 SM 胁迫对应的转折区域比例最高。主导转折类型为 D-I（由下降转为上升）和 I-I（持续上升）。

这说明，SM 胁迫敏感性的增强并非单一线性过程，而是在部分区域经历了阶段性调整后重新进入增强通道，反映出生态过程与区域环境变化之间较为复杂的耦合关系。

5. 未来情景下 SM 胁迫仍将保持主导地位

基于 CMIP6 的未来预测结果显示，在 SSP126、SSP245、SSP370 和 SSP585 四种情景下，植被对 SM 胁迫的平均敏感性仍然高于 Pre 和 VPD 胁迫，并将在整体上继续增强。

这表明，无论未来排放情景如何变化，土壤水分都将继续是制约中亚植被活动的核心水分因子。对于干旱区生态系统保护、植被恢复和农业水资源管理而言，这一结论具有明确的前瞻意义。

研究结论

1. 中亚植被对三类水分胁迫中，对土壤水分胁迫最为敏感，且这一规律在不同植被类型和气候区中均较稳定。
2. 灌溉能够显著降低 农田系统对土壤水分胁迫的敏感性，说明人类水资源管理可有效缓冲水分限制。
3. 1982—2020 年间，中亚植被对 SM 胁迫的敏感性持续增强，其主要驱动因素之一是生长季降水减少。
4. 植被敏感性趋势并非简单线性变化，SM 胁迫敏感性在不少区域出现了 显著趋势转折，以 D-I 和 I-I 类型为主。
5. 在未来不同气候情景下，土壤水分仍将是中亚植被最关键的限制因子，相关敏感性还将总体增加。

主要图表