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植被水利用效率（WUE）对生态系统碳-水循环交互作用至关重要。本研究基于2001-2021年北方半球植被WUE数据和2004-2018年火灾强度数据，通过去除长期趋势和季节性变化，发现2001-2011年WUE以-0.016 g C m?2 mm?1 yr?1速率下降，2011年后趋势反转，可能与强拉尼娜事件相关。火灾后5年，74.2%的ΔWUE值介于-0.5至0.5 g C m?2 mm?1，呈现负偏态，说明火灾普遍降低WUE。针叶林火灾后WUE上升，阔叶林下降，且受气候带影响显著。机器学习归因分析表明，前火灾WUE水平、温度、蒸散势差、土壤湿度和降水是主要驱动因素。研究揭示了火灾扰动下不同植被类型WUE动态轨迹及关键驱动机制，为高纬度火灾景观碳-水协同管理提供理论依据。
徐慧鹏|王群明|彼得·M·阿特金森
同济大学测绘与地理信息学院，中国上海四平路1239号，200092
摘要
植被水分利用效率（WUE）是反映生态系统碳循环和水循环之间相互作用的关键指标。然而，北半球的快速变暖和野火活动的增加带来了显著的干扰，可能影响了火灾后WUE的动态变化。理解这些影响对于推进我们对生态系统对环境变化响应的认识至关重要。在这项研究中，我们利用去趋势化和去季节化的WUE数据以及来自中分辨率成像光谱辐射计的火灾强度数据，分析了北半球生长季节期间WUE的火灾后变化轨迹和响应机制。研究结果表明，自2001年以来，北半球生长季节的植被WUE总体上呈下降趋势（-0.016 g C m?2 mm?1 yr?1），并在2011年左右出现了一个明显的转折点，这可能与大规模气候异常（如强烈的拉尼娜现象）有关。火灾发生后的五年内，74.2%的?WUE（定义为火灾后的WUE减去火灾前的WUE）值介于-0.5至0.5 g C m?2 mm?1之间，并且明显偏向负值，表明火灾干扰对WUE产生了不利影响。值得注意的是，针叶林在火灾后的WUE呈上升趋势，而阔叶林则呈下降趋势，其变化轨迹进一步受到气候区的影响。基于机器学习的归因分析表明，火灾前的WUE水平是影响火灾后WUE变化的关键因素。此外，温度、蒸气压亏缺、土壤湿度和降水量等气候变量也发挥了重要作用，这些气候驱动因素在局部尺度上具有显著影响。我们的研究揭示了不同植被类型火灾后的WUE变化轨迹，并确定了主要驱动因素。这些发现为理解北半球植被对火灾干扰的碳-水循环耦合响应提供了重要见解。
引言
水分利用效率（WUE）是指植物吸收的碳与消耗的蒸腾水分之比，反映了特定水资源条件下的植被生长能力，是评估陆地生态系统对碳、水和能量循环综合响应的关键指标（Ito和Inatomi，2012；Huang等人，2015；Yang等人，2020）。因此，WUE的动态变化及其控制机制一直是全球变化生态学研究的重点领域。早期研究表明，在自由空气CO?富集条件下，升高的CO?浓度增强了C3和C4植物的光合作用，同时降低了气孔导度，从而提高了WUE（Wand等人，1999；Bernacchi等人，2007）。近年来，利用遥感技术的大规模研究进一步表明，在植被绿化地区，WUE显示出显著上升趋势（Xue等人，2022；Hu等人，2024），为理解植被与水资源的关系提供了新的视角。然而，在干旱胁迫条件下，特别是在高蒸气压亏缺（VPD）和低土壤湿度环境中，植被通过气孔调节机制限制了光合作用和蒸腾过程，可能使WUE的进一步增加达到一个饱和水平（Li等人，2023）。最近的研究还表明，WUE及其驱动因素的时空变化表现出空间异质性和对极端气候事件的高度敏感性（Liu等人，2024）。尽管一些研究已经探讨了WUE对干旱胁迫的响应，但专门关注火灾干扰（尤其是在大空间尺度上）的研究仍然有限。在全球气候变化加剧的背景下，近年来极端火灾事件后的植被恢复时间越来越长（Lv等人，2025）。因此，有必要在大空间尺度上研究火灾后的WUE变化轨迹，并探讨火灾干扰影响WUE的机制。
野火的发生通常会对地表环境造成严重破坏，火灾前后干旱胁迫的叠加使植被生长轨迹更加复杂。现有研究表明，火灾可以在多个层面上影响生态系统的水循环和碳循环。在生物地球化学层面，火灾通过调节植物水分需求直接影响水分传输过程（Baur等人，2024）并改变土壤质地（Granged等人，2011）；在群落结构层面，火灾驱动植被覆盖类型的变化（Tyukavina等人，2022）并重塑生态系统韧性（Zheng等人，2024），间接影响碳和水的利用模式；在能量交换层面，火灾通过改变地表辐射通量和植被的蒸散能力重建区域地表能量和水平衡（Liu等人，2019；Zhao等人，2024）。
然而，北半球和南半球的火灾特征存在显著差异，特别是在火灾频率、面积、强度和天气季节方面（Jones等人，2022；Richardson等人，2022），因此在评估火灾对WUE的影响时需要仔细考虑区域背景和植被类型。北半球的陆地生态系统相比南半球的热带植被具有更高的环境敏感性。它们的光合作用-蒸腾耦合过程受到多维环境梯度的调节，包括季节性降水波动、温度梯度、物种差异和海拔效应（Zheng等人，2023）。特别值得关注的是燃料负荷异质性和物候周期性的协同作用，它们共同驱动了北方森林地区野火的时空模式形成。在更广泛的尺度上，这种相互作用塑造了北美和欧亚大陆之间的火灾类型差异：北美的北方森林主要以树冠火灾为主，而欧亚大陆则以地表火灾为主（Rogers等人，2015；De Groot等人，2013）。此外，与南半球（尤其是澳大利亚）容易发生野火的地区相比，北半球相对较长的火灾复发间隔具有重要的生态意义，因为高纬度地区的火灾通常是自然引发的。这些火灾制度的时间特征使北半球的植被能够展现出更完整的恢复和演替过程，为分析植被对火灾干扰的WUE响应提供了独特的时间框架。
近年来，北极放大效应加剧，导致高纬度地区的变暖趋势加剧和湿度增加，表现为燃烧面积扩大、火灾强度增加以及北方森林的生态恢复期延长。一项基于火灾后碳储量轨迹的研究表明，北美洲北部森林的生态系统碳储量恢复存在显著的时间滞后效应，恢复期超过10年（Yu等人，2023）。尽管如此，关于火灾干扰后WUE时空演变的研究仍然很少。了解火灾后WUE的动态响应机制对于阐明气候变化下生态系统中的水-碳耦合过程以及重建区域水文循环至关重要。
WUE的变化表现为受多种驱动因素影响的时间趋势，包括气候和干扰因素。因此，在分析干扰对WUE的单独影响时，去除气候变化等混淆因素以独立评估干扰效应是至关重要的。在之前关于火灾等干扰对植被生产力和恢复力影响的研究中，通常会去除长期趋势和季节性波动（Wang等人，2023；Xu等人，2024）。这种方法对于分析WUE非常相关。然而，专注于去趋势化WUE的研究——即去除长期趋势和季节性周期后的残余变异性，可以捕捉对干扰（如干旱、火灾）和年际气候极值的瞬态响应——仍然有限，这突显了理解短期生态系统脆弱性的关键空白。
鉴于上述现有知识空白，我们通过整合去趋势化WUE和火灾数据来探讨以下三个问题：
•自21世纪初（2001–2021年）以来，北半球的WUE发生了怎样的变化？
•火灾干扰后WUE如何变化？
•哪些因素影响火灾干扰后WUE轨迹的演变？
通过结合遥感诊断和基于机器学习的建模，我们旨在建立一个机制框架，将火灾后的植被再生策略与水文限制联系起来。研究结果将为平衡北方火灾景观中的碳封存和水资源可持续性提供适应性管理策略。
研究区域概述
研究区域位于北半球的自然植被区内（图1a），重点关注八种典型的植被类型，并排除了农业和工业活动的干扰，以尽量减少人为因素对结果的影响。植被的空间分布表现出显著的空间异质性。针叶林主导了西伯利亚和加拿大北部地区（北纬55°以北的比例显著），而温带草原则占据了...
去趋势化WUE的时空演变
我们系统地评估了过去二十年生长季节期间WUE的时空演变，重点关注八个在土地利用变化不显著的陆地覆盖类型。这种方法有效减少了土地利用变化对观察到的WUE动态的潜在混淆效应。去趋势化后的年平均WUE值分析显示，2011年出现了一个显著的拐点（图4c）。具体来说，从2001年到2011年，WUE...
影响WUE的环境因素
为了了解火灾后WUE变化的环境因素，我们基于2004年至2018年间超过70%的燃烧像素训练了一个XGBoost模型，以预测火灾后的?WUE（图7）。结果显示，在训练集上的R2值为0.87，在测试集上为0.67，表明所选指标解释了?WUE方差的相当大比例（图7a）。通过相对重要性分析，我们对前十个环境因素进行了排名和评估。
结论
本研究系统地分析了2001年至2021年的WUE时间趋势及其对火灾干扰的响应，基于2001年至2021年的WUE数据和2004年至2018年的火灾数据。通过去除长期趋势和季节性波动，我们能够研究火灾干扰后的WUE轨迹。结果表明，从2001年到2021年，北半球植被的WUE总体呈现...
资助
本研究得到了国家自然科学基金的支持，资助编号为42222108和42171345。
CRediT作者贡献声明
徐慧鹏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，正式分析，数据管理，概念化。王群明：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，方法论，资金获取，正式分析，概念化。彼得·M·阿特金森：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法论，正式分析，概念化。
