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本文整合了1985-2018年间全球4544个站点的土壤呼吸观测数据与高分辨率地上生产力数据，揭示了地上生态系统生产力（NPP、LAI等）稳定性与土壤呼吸稳定性之间存在显著的正向耦合关系。研究表明，这种耦合在干旱区尤为显著，而稳定的温度是维持该耦合关系的关键调控因子。该工作为理解全球变化背景下陆地生态系统的耦合稳定性和恢复力提供了新视角。
全球地上与地下生态系统稳定性的耦合
2 结果与讨论
2.1 全球范围内的地上-地下生态系统稳定性耦合
为探究地下生态系统稳定性及其与地上部分的耦合，研究团队生成了1985-2018年间高分辨率（1 km2）的全球土壤呼吸数据集。分析发现，以净初级生产力（NPP）和叶面积指数（LAI）为代表的植被变量，是预测土壤呼吸年际变化的最强驱动因子，其预测能力强于温度、降水和干旱指数等气候因子。这表明，长期土壤碳通量的主要驱动力是地上生产力，反映了光合产物向根际快速分配所导致的紧密功能耦合。
研究发现，土壤呼吸的年际稳定性与NPP和LAI的稳定性在全球尺度上呈显著正相关。通过使用归一化植被指数（NDVI）、增强型植被指数（EVI）、太阳诱导叶绿素荧光（SIF）和生物量周转率等多种植被指标进行交叉验证，该结论依然稳健。更重要的是，研究通过构建一个不包含任何植被相关预测因子的随机森林模型，独立重建了全球土壤呼吸数据集，结果依然显示土壤呼吸的稳定性与所有植被指标的稳定性存在强耦合。这为“地上生产力更稳定的生态系统，其地下稳定性也更强”这一观点提供了坚实的证据。
地上与地下生态系统高稳定性区域主要集中在热带地区，特别是亚马逊、刚果盆地和东南亚部分地区。在这些地区，稳定的热力与水文条件支持了高物种多样性和复杂的群落结构，共同增强了雨林应对环境波动的生物物理缓冲能力。然而，大规模森林砍伐、长期干旱和火灾等严重干扰会使这种稳定性变得脆弱，可能引发不可逆的系统状态转变。这表明，在极端气候事件（如严重干旱或热浪）期间，植物固碳和微生物活动可能同步受到抑制，导致地上与地下过程同时严重衰减，凸显了两者在功能上的紧密依存。
通过十年滑动窗口分析进一步证实，在过去四十年的研究期内，地上生产力稳定性与土壤呼吸稳定性的时间变化紧密同步。这种时间上的同步性在大多数生物群系和干旱梯度上都保持稳健，表明地上与地下稳定性的相互依赖不仅是一种空间格局，也是陆地生态系统一个持久的动态特征。持续的稳定性意味着恒定的地上生产力确保了稳定的碳固定速率，这又通过提供可靠的光合作用底物输入，稳定了土壤有机质的积累和周转。尽管温度稳定性是七个生物群系中五个的重要驱动因素，但有六个生物群系在生产力稳定性和土壤呼吸稳定性之间仍保持稳健的正相关关系，表明存在普遍存在的生物控制。这意味着植被的失稳会向下传播，扰乱土壤群落和碳循环，增加陆地碳动态对干扰的脆弱性。这种不稳定的反馈循环会进一步影响养分可利用性，降低地上生产力。综合来看，当将地上与地下部分分开评估时，由气候和人为干扰带来的风险被严重低估了。
值得注意的是，在湿地生态系统和高纬度地区，地上与地下稳定性的关联显著较弱。在湿地中，饱和条件施加了厌氧限制，使得水位波动而非植被成为决定土壤代谢速率的主要因素。同样，在俄罗斯北部和加拿大等高纬度地区，土壤呼吸主要受季节性冻土融化过程中的热动力学和古老有机质释放的调节。因此，这项工作提供了坚实的证据，证明地上与地下稳定性的紧密耦合是陆地生态系统的一个基本特征，同时也强调了在水力或热力驱动因素更强的湿地和高纬度地区，这种动态存在特殊性。
2.2 干旱环境中更强的地上与地下稳定性耦合
研究进一步发现，地上与地下稳定性的耦合在干旱环境中最强。这在中亚、澳大利亚中部、美国中西部和南部非洲等地区尤为明显，这些地区的地上生产力和土壤呼吸稳定性都较低，但两个领域之间的耦合却最强。干旱区对全球气候和人类福祉至关重要，占据地球陆地表面超过40%，支撑着约38%的全球人口，其中90%居住在发展中国家。时间窗口分析进一步证实，在更干燥的环境下，地下稳定性对地上生产力的依赖性增强。这种强化的耦合源于极端的水分和养分匮乏，迫使两个子系统进入一种强制性的相互依赖状态：地下异养生命完全依赖于短暂的植物碳输入，而植被则依赖微生物群落来维持土壤结构和促进水分保持。因此，在这些脆弱的生态系统中，即使是土地利用变化、过度放牧或长期干旱导致的小规模植被损失，也可能引发比其它生物群系更严重的土壤健康崩溃。随着气候压力加剧，这种紧密的依赖关系使得干旱区对未来干扰尤其脆弱。该工作强调，干旱区生态系统的系统性脆弱性被低估了。因为以往的研究常常忽略稳定性，并将地上和地下过程视为分离的实体，未能考虑到它们交织的命运和潜在功能崩溃的真实规模。迫切需要优先保护这些相互关联过程的策略，以保障生态系统恢复力。因此，整合植被和土壤的监测，特别是在干旱区，对于完善气候影响评估和指导基于证据的保护与恢复工作至关重要。
2.3 温度稳定性塑造地上与地下生态系统稳定性的耦合关系
全球综合分析揭示，温度稳定性是调节地上与地下稳定性及其耦合的主要因子。方差分解显示，地上生产力稳定性解释了土壤呼吸稳定性的最大独立份额（22%），而气候稳定性的交互效应共同解释了约18%的方差。这表明，植物生产力稳定性是连接土壤呼吸稳定性的主要直接链路，而气候影响主要通过调控植物-土壤相互作用的共享途径发挥作用。结构方程模型进一步支持了这一观点，表明温度稳定性主要通过间接稳定地上生产力来影响土壤呼吸稳定性。生物群系水平的结构方程模型也证实了这一点，表明这些关系在不同的生态区依然稳健。稳定的温度促进更稳定的光合作用，并减少植物碳输入到土壤的波动。通过限制蒸发性水分损失，这些机制有助于维持土壤水分和为微生物提供稳定的底物供应，从而加强了地上与地下稳定性之间的耦合。因此，这些结果强调了温度稳定性是生态系统可靠性的一个关键调节支柱，表明在全球变暖背景下日益加剧的气候变率，可能通过破坏地上与地下过程之间的内在耦合，从而削弱陆地碳循环的稳定性。
3 材料与方法
3.1 地上生态系统
3.1.1 地上生态系统生产力
研究使用卫星衍生的净初级生产力（NPP）和叶面积指数（LAI）作为地上生态系统生产力的指标，因为这些指标涵盖了支持生态系统稳定性的植被生长和结构容量的基本方面。NPP直接反映了生物量积累速率，是评估生态系统固碳能力和长期维持生产力的一项稳健指标。LAI量化了单位土地面积上的总叶表面积，与光合能力和能量平衡密切相关，这两者对于维持生态系统功能和恢复力都至关重要。这些特性使得NPP和LAI特别适用于评估地上生态系统稳定性，因为它们包含了长期生产力和环境相互作用所必需的碳动态和结构属性。研究从全球陆表卫星（GLASS）项目获取了1985年至2018年期间的8天NPP和LAI产品，将其聚合为年度值，并使用这些时间序列来量化地上生态系统生产力的时间稳定性。为了验证研究结果的稳健性，还量化了其他植被指标的稳定性，包括NDVI、EVI、SIF以及一个代表地上生物量周转率的代理指标。
3.2 地下生态系统
3.2.1 土壤呼吸数据库
全球土壤呼吸数据库（SRDB）汇编了来自超过1万项已发表研究的季节性和年度土壤呼吸记录。研究应用了多项过滤标准来优化该数据集，最终使用了1985-2018年间的4544条年度土壤呼吸记录，涵盖裸地、农田、草地、灌丛、针叶林、阔叶林、混交林和湿地等大多数生态系统类型。
3.2.2 环境预测因子
为模拟全球土壤呼吸，研究使用了28个环境变量，分为六类：气候、植被、土壤化学性质、土壤物理性质、土壤微生物性质和地形。气候变量包括年平均温度、平均年最高和最低温度、年平均降水量、入射太阳辐射、实际蒸散和潜在蒸散。植被变量通过NPP、LAI和植被覆盖度来表征。土壤化学性质包括0-1米土层的土壤有机碳、总氮和碳氮比。土壤物理性质由砂粒、粉粒、粘粒含量、容重、土壤体积含水量、pH值和阳离子交换容量代表。土壤微生物性质由微生物生物量碳、氮、磷代表。地形变量包括海拔、坡度和坡向。所有变量通过主成分分析整合为复合指数，并重采样至1公里网格。
3.2.3 非线性逐步回归模型
研究应用了一个跨不同生态系统类型的非线性逐步回归模型，使用气候、植被、地形、土壤微生物、土壤物理和土壤化学等复合指数，生成了高分辨率、长期的全球土壤呼吸数据集。
3.2.4 模型验证
通过严格的站点独立交叉验证策略，在全球尺度和不同生态系统类型上评估了模型性能。为确保空间自相关不会导致数据泄露，强制要求所有来自同一站点ID的记录只能出现在一个折叠中。该模型
