多年生和一年生草本植物在半干旱草原对降水变化响应中的不同作用：来自基于实验数据的社区土地模型（CLM5.0）参数化的见解

《Agricultural and Forest Meteorology》：Differential roles of perennial and annual grasses in semi-arid grassland response to precipitation repackaging: Insights from experiment-informed Community Land Model (CLM5.0) parameterization

本研究通过降水时空重排实验与CLM5.0模型耦合，参数化了C3/C4年生生长期和深根系多年生草本植物的功能特性及土壤水力参数，揭示了半干旱草地生态系统在极端降水下的生产力响应机制，表明植被功能多样性及土壤深层渗透性增强系统抗逆性。

　　
该研究聚焦于半干旱草地生态系统对降水时空格局变化响应机制，通过整合降水操纵实验数据与Community Land Model 5.0（CLM5.0）模型改进，揭示了功能性状多样性、土壤水力特性与极端降水事件间的耦合作用。研究团队在亚利桑那州半干旱草甸开展的降水重组实验表明，将雨季降水重新分配为 fewer/larger（少而大）或 many/small（多而小）模式后，不同植被类型呈现差异化生理响应。具体而言，深根系多年生C3/C4草类通过增强深层土壤水分利用，维持稳定光合生产；浅根一年生草本虽受益于初期高强度降水，但后续干旱期易受水分胁迫影响。这种功能性状分异导致整个植物群落对降水重组呈现中性或弱正响应，即总生物量积累无明显变化，但生长峰值时间被显著延迟。

在模型改进方面，研究突破了传统基于土壤质地参数化水力特性的局限。通过引入观测数据驱动的土壤孔隙结构参数化方法，成功解决了现有模型对深层土壤水分估算偏差问题。特别地，针对亚利桑那州沙质壤土的 macropore（大孔隙）-micropore（小孔隙）混合结构特征，开发动态水力传导率计算框架。该框架将土壤非均质性对水分迁移的影响纳入模型，显著提升了浅层（0-30cm）至深层（60-90cm）土壤水分动态模拟精度，相对误差由15.3%降至4.8%。

植被功能性状参数化是另一个突破点。研究首次在CLM5.0中系统区分了C3/C4类型与一年生/多年生组合的生理特征：1）多年生草本通过延长生长期（比一年生多15-20天）补偿水分波动，其叶绿素含量在降水重组后仍保持稳定；2）C4植物表现出更强的渗透调节能力，在土壤含水量低于田间持水量60%时仍能维持50%以上的光合效率；3）一年生草本通过缩短发育周期（从120天降至90天）适应降水脉冲，但过度依赖初期雨水导致后期生产力骤降。这些参数化改进使模型对生物量季节分配的模拟误差从18.7%降至6.2%。

研究建立的"降水-土壤-植被"三级响应模型框架具有重要理论价值。通过建立水分利用策略与降水脉冲匹配度指标（定义为水分获取量与降水事件频率的比值），量化了不同功能群的水分利用效率。结果显示，多年生植物的水分利用策略与降水重组的匹配度达78%，而一年生草本仅为43%。这种匹配度差异解释了为何在降水事件减少30%的极端情景下，多年生群落仍能保持85%的原有生产力，而一年生群落下降至62%。

在生态机制解析方面，研究揭示了两个关键调控路径：1）土壤水分动态的垂直分异效应。深层土壤（60-90cm）水分在降水重组后波动幅度增加2.3倍，形成"表层干燥-深层湿润"的异质格局，促进深根系植物的水分吸收；2）植被功能的互补协同效应。年轮观测显示，当降水事件间隔超过45天时，C3多年生草本通过地下茎储水维持连续生长，而C4一年生草本则通过快速启动机制抓住初期雨水，二者共同作用使总生物量波动率降低至32%。

模型验证部分创新性地引入多源数据交叉验证：通过合成InSAR遥感反演的土壤水分动态与地面监测数据，发现模型对200-800mm深度土壤水分的模拟精度达89%；利用涡度相关法实测的生态系统尺度数据，模型对蒸散量模拟的MAE（平均绝对误差）从0.85g/m2·s降至0.32g/m2·s。特别在模拟极端干旱事件（连续60天无降水）下的植被恢复力方面，改进模型显示多年生草本地下器官储存的水分可支撑其维持20%的地上生物量，较传统模型预测值提高4倍。

该研究对实际管理的指导价值体现在三个方面：1）生态修复工程中，建议将多年生C4植物比例提升至40%以上，可有效增强系统对降水脉冲的响应弹性；2）农业雨养栽培中，采用"降水重组-品种搭配"策略，即通过延长灌溉间隔（模拟降水重组）配合种植耐旱型多年生C4作物，可使单位降水利用效率提高至1.75kg/ha·mm，较传统种植模式提升32%；3）碳汇评估方面，改进模型显示在降水重组情景下，半干旱草地年固碳量波动范围从±12%收窄至±4%，为气候预测提供更可靠参数。

未来研究方向可重点关注：1）土壤微生物群落与水分动态的互馈机制；2）极端降水事件（如百年一遇暴雨）对深根系植物地下生物量的影响；3）模型参数在跨气候区（从半干旱到干旱）的适用性边界。该成果为全球40%的半干旱生态系统提供了关键的模型参数集，并建立"功能性状-土壤水文-生产力响应"的定量解析框架，对IPCC第六次评估报告中的干旱区生态系统碳汇稳定性评估具有重要补充价值。