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本研究由Yakun Zhang（威斯康星大学麦迪逊分校土壤科学系）、Ankur R. Desai（威斯康星大学麦迪逊分校大气与海洋科学系）、Jingfeng Xiao（新罕布什尔大学地球系统研究中心）和Alfred E. Hartemink（威斯康星大学麦迪逊分校土壤科学系）合作完成，发表于《Global Change Biology》期刊2023年第29卷（DOI: 10.1111/gcb.16944）。研究基于美国本土（CONUS）2401个土壤剖面数据，结合36年（1986–2021）的生态系统总初级生产力（GPP, Gross Primary Productivity）观测，揭示了表土深度（topsoil depth）对不同气候区生态系统生产力的调控机制。
科学领域：本研究属于全球变化生态学与土壤科学的交叉领域，聚焦土壤属性对生态系统生产力的控制机制。
研究背景：
1. 陆地生态系统生产力对全球粮食安全和碳汇至关重要，但气候变化（如干旱、火灾）正威胁其稳定性。
2. 土壤是碳、养分和生物的核心储库，而表土深度（A层厚度）直接影响水文循环和植物生长。既往研究多关注农田，但自然生态系统（如草地、灌木林）中表土深度与生产力的关系尚不明确。
3. 土壤侵蚀导致表土流失，可能降低生产力，但不同气候区和生态系统类型的响应差异缺乏系统评估。
研究目标：
1. 量化表土深度与GPP的关系在不同生态系统（农田、森林、草地、牧场、灌木林）和气候区（干旱/湿润）的差异；
2. 评估表土深度对气候极端事件下生产力稳定性的影响；
3. 对比表土深度与其他环境因子（水、热、肥力）对GPP的相对贡献。
研究分为数据采集、配对分析、结构方程建模（SEM）和气候极端事件响应分析四个关键步骤：
1. 数据采集与处理
- 土壤数据：从美国国家土壤调查合作数据库（NCSS）获取2401个土壤剖面，筛选标准包括：
- 采样年份在1986年后（与GPP数据时间匹配）；
- 包含A层厚度、有机碳（SOC）含量和质地数据；
- 土地利用类型稳定（1938–2021年未变化）。
- 生产力数据：使用三套GPP数据集（Landsat GPP、GOSIF GPP、FLUXCOM GPP）进行交叉验证，通过Google Earth Engine提取样点数据。
- 环境变量：气候（TerraClimate）、地形（DEM）、土壤类型（USDA分类）、灌溉类型等。
2. 配对比较分析
- 在103个流域内，选择表土深度差异显著（>3–5 cm）但其他环境条件（气候、植被、母质）一致的样点对，比较其GPP差异。
- 采用线性混合效应模型（LMM）控制流域随机效应，分析深度与GPP的关系。
3. 结构方程模型（SEM）
- 构建六组潜变量（生产力、光照、热量、水分、肥力、表土），量化各因子对GPP的直接/间接贡献。
- 模型拟合指标（CFI、TLI、RMSEA）验证假设的合理性。
4. 气候极端事件响应分析
- 识别1986–2021年极端干/湿/热/冷事件，计算GPP变化百分比与表土深度的关系。
- 通过Levene检验比较深浅表土的GPP变异性。
1. 表土深度与GPP的关系
- 干旱区：表土深度与GPP呈显著正相关（r=0.33–0.45），每增加10 cm，GPP提升114–128 g C m⁻² yr⁻¹，尤其在草地（r=0.37）和灌木林（r=0.32）。
- 湿润区：相关性不显著（r=-0.09），因森林生产力受深层根系和水分充足缓冲。
- 配对分析：农田（73%配对支持）和灌木林（75%）中深层表土GPP更高，但差异统计不显著（p>0.05）。
2. 环境因子的相对贡献
- SEM显示，水分（系数0.07–0.87）对GPP的影响最大，表土深度（0.09–0.33）与热量（0.06–0.39）贡献相当。
- 肥力（SOC与黏土）在农田中促进GPP，但在牧场因压实效应呈负相关。
3. 气候韧性
- 干旱区深层表土显著降低GPP在极端干旱年的波动（方差减少），如灌木林GPP变化百分比趋近零。
- 湿润区表土深度对GPP稳定性无显著影响。
科学意义：
1. 首次在全美尺度揭示表土深度对生态系统生产力的调控具有气候依赖性，干旱区效应显著而湿润区不显著。
2. 提出土壤深度表征需纳入地球系统模型，以改进碳循环模拟。
应用价值：
1. 干旱区表土保护（如减少侵蚀）可增强生态系统气候韧性；
2. 农田管理中，深层表土结合水分保持措施可提升生产力稳定性。
此研究为全球土壤-气候-生态系统互作研究提供了关键实证，并为可持续土地管理策略奠定了科学基础。