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南京大学| GCB: 净初级生产力在增温与干旱条件下对欧洲生态系统气候-土壤碳路径的中介与调节双重作用

2026-06-01 14:09:50

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微生物小家2026年5月15日 08:20河南听全文

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题目：The Dual Role of NPP in Mediating and Moderating Climate-Soil Carbon Pathways Under Warming and Drought Across European Ecosystems

净初级生产力在增温与干旱条件下对欧洲生态系统气候-土壤碳路径的中介与调节双重作用

期刊：Global Change Biology

IF 10.8√

https://doi.org/ 10.1111/gcb.70766

摘要

土壤碳动态对气候变化的响应在全球碳循环与生态系统恢复力方面具有关键意义。净初级生产力作为土壤碳输入的主要来源，发挥着双重功能：一方面通过碳输入通量中介（mediate）气候效应，另一方面通过改变气候对土壤碳影响的强度来调节（moderate）这些效应。本研究收集了2009年和2018年欧洲地区8147个重复采样点的土壤有机碳及其组分—颗粒有机碳和矿物结合态有机碳—的数据集。通过构建结构方程模型，并结合对三种主要土地利用类型的联合中介与调节效应分析，我们识别出净初级生产力两种功能不同且依赖于情境的角色。净初级生产力作为中介者：有利的气候条件增加地下碳输入，并主要通过促进矿物结合态有机碳的形成与稳定来推动土壤有机碳积累。净初级生产力同时也作为调节者：它放大了温度对土壤碳的负面影响，其中颗粒有机碳对增温最为敏感。净初级生产力对气候水分与土壤碳之间关系的影响呈现非线性逆转：在湿润条件下，净初级生产力主要减少由分解驱动的碳损失；而在干旱条件下，它则增强由输入驱动的碳积累。相比之下，土壤湿度始终表现出稳定的正向影响，持续支持碳输入与积累。跨生态系统比较表明，森林更为依赖净初级生产力驱动的输入与调控路径；而在农田中，净初级生产力的中介与调节作用相对较弱，使得土壤碳更直接地受气候影响。总体而言，净初级生产力在气候-土壤碳路径中扮演着双重角色：既是输入增强的来源，也是一个边际放大器，这代表了气候变化情境下的一种功能性权衡。

图1.中介模型与调节模型的基本结构。（a）表示中介模型，（b）表示调节模型；（a–d）表示相应的标准化路径系数。

图2.土壤碳的统计摘要。2009年和2018年，农田、森林和草地中的土壤有机碳（OC，g kg−1）、颗粒状有机碳（POC，g kg−1）和矿物相关有机碳（MAOC，g kg−1）。OC中MAOC的比例表示为fMAOC。

图3.土壤有机碳（OC，g·kg⁻¹）中介模型的结果，包括结构方程模型（SEM）路径图及相应的中介效应条形图。该分析涵盖2009年和2018年的三种主要土地利用类型，共六个模型。每个模型评估了净初级生产力（NPP，kg C·m⁻²）在年均温（MAT，K）、标准化降水蒸散指数（SPEI）和土壤含水量（SW，m³·m⁻³）对有机碳储量影响中的中介作用。在路径图中，黑色箭头表示显著的正向路径，红色箭头表示显著的负向路径，路径系数标注于箭头旁；灰色虚线箭头表示不显著的路径。相应的条形图显示了气候因素通过净初级生产力对有机碳产生的间接效应强度，该强度计算为气候因素对净初级生产力效应与净初级生产力对有机碳效应的乘积。条形图中仅展示统计显著的结果，不显著的结果已省略。所有路径系数和效应值均为标准化值；完整结果见数据S1。鉴于模型的复杂性，应主要关注统计显著的路径（黑色/红色箭头）及条形图中相应的显著间接效应。

图4.颗粒有机碳（POC，g·kg⁻¹）与矿物结合态有机碳（MAOC，g·kg⁻¹）中介模型的结果，包括结构方程模型（SEM）路径图及相应的中介效应条形图。该分析涵盖2009年和2018年的三种主要土地利用类型，共六个模型。每个模型评估了净初级生产力（NPP，kg C·m⁻²）在年均温（MAT，K）、标准化降水蒸散指数（SPEI）和土壤含水量（SW，m³·m⁻³）对POC和MAOC储量影响中的中介作用。在路径图中，黑色箭头表示显著的正向路径，红色箭头表示显著的负向路径，路径系数标注于箭头旁；灰色虚线箭头表示不显著的路径。相应的条形图显示了气候因素通过净初级生产力对POC和MAOC产生的间接效应强度，该强度计算为气候因素对净初级生产力效应与净初级生产力对POC和MAOC效应的乘积。条形图中仅展示统计显著的结果，不显著的结果已省略。所有路径系数和效应值均为标准化值；完整结果见数据S2。鉴于模型的复杂性，应主要关注统计显著的路径（黑色/红色箭头）及条形图中相应的显著间接效应。

图5.土壤有机碳（OC，g·kg⁻¹）调节模型的结果，包括结构方程模型（SEM）路径图。该分析涵盖2009年和2018年的三种主要土地利用类型，共六个模型。每个模型评估了净初级生产力（NPP，kg C·m⁻²）如何调节年均温（MAT，K）、标准化降水蒸散指数（SPEI）和土壤含水量（SW，m³·m⁻³）对有机碳储量的影响。交互项 MAT×NPP、SPEI×NPP 和 SW×NPP 指向有机碳的路径系数即代表调节效应。在路径图中，黑色箭头表示显著的正向路径，红色箭头表示显著的负向路径，路径系数标注于箭头旁；灰色虚线箭头表示不显著的路径。所有路径系数和效应值均为标准化值；完整结果见数据 S3。鉴于模型的复杂性，应主要关注统计显著的路径（黑色/红色箭头），特别是交互项指向有机碳的路径，其系数量化了调节效应的大小。

图6. 颗粒有机碳（POC，g·kg⁻¹）与矿物结合态有机碳（MAOC，g·kg⁻¹）调节模型的结果，包括结构方程模型（SEM）路径图。该分析涵盖2009年和2018年的三种主要土地利用类型，共六个模型。每个模型评估了净初级生产力（NPP，kg C·m⁻²）如何调节年均温（MAT，K）、标准化降水蒸散指数（SPEI）和土壤含水量（SW，m³·m⁻³）对POC和MAOC储量的影响。交互项 MAT×NPP、SPEI×NPP 和 SW×NPP 指向 POC 和 MAOC 的路径系数即代表调节效应。在路径图中，黑色箭头表示显著的正向路径，红色箭头表示显著的负向路径，路径系数标注于箭头旁；灰色虚线箭头表示不显著的路径。所有路径系数和效应值均为标准化值；完整结果见数据 S4。鉴于模型的复杂性，应主要关注统计显著的路径（黑色/红色箭头），特别是交互项指向有机碳（OC）的路径，其系数量化了调节效应的大小。

图7. 基于中介模型计算的间接效应与直接效应之比（IDR）以及基于调节模型计算的相对调节效应（RME），展示了2009年和2018年农田、草地和森林土壤有机碳（OC，g·kg⁻¹）、颗粒有机碳（POC，g·kg⁻¹）和矿物结合态有机碳（MAOC，g·kg⁻¹）的结果。IDR定义为间接效应绝对值与直接效应绝对值之比，用于量化净初级生产力在气候-土壤碳关系中中介作用的结构强度。RME定义为高净初级生产力与低净初级生产力条件下边际气候效应变化率的绝对值，用于评估净初级生产力对气候效应调节作用的强度。实际应用中，仅当直接效应和间接效应均统计显著时才报告IDR；仅当高、低净初级生产力条件下调节效应均显著时才计算和解释RME。

论文DOI

10.1111/gcb.70766