我国是世界上喀斯特连片分布面积最大、发育最强烈的地区之一，出露地表的喀斯特总面积达1.3×106 km2，约占全国国土面积的13.5%，主要集中分布在西南地区。该区域水资源分布极度不均，形成了结构性缺水、水污染严重、土地贫瘠、生态脆弱的岩溶水土资源环境系统，对气候变化的响应更为敏感。近年来，西南地区干旱事件频发，如2009年秋季遭受了百年一遇的大旱，导致大面积的植被枯死和粮食减产，危及长江上游生态安全。而重大生态工程的实施对于改善区域生态系统结构、功能和服务具有明显的积极效应。以西南喀斯特生态脆弱区为研究区，汤旭光教授课题组综合集成多源数据及遥感产品，围绕喀斯特生态系统全球变化响应取得了系列进展。
（1）揭示了过去40年间，西南地区极端干旱事件爆发的频率和强度都在显著增加，且以春旱和夏旱为主；重点评估了2009/2010秋冬春连旱和2011年夏旱两次典型干旱事件对喀斯特生态系统碳水循环的影响，即2009/2010连旱导致早期WUE增加，之后显著低于正常年份，相比降低了约-18.2%，而2011年夏旱开始阶段，GPP和ET均高于正常年份，WUE显著低于平均，且随时间加剧减少，主要由ET的增加导致。在此基础上，阐明了不同干旱条件下喀斯特生态系统的响应与恢复机制。2021年3月，论文在环境与生态学国际知名期刊《Science of the Total Environment》（中科院1区，IF 7.96）在线发表，硕士研究生王敏同学为第一作者。
图1 西南喀斯特生态系统碳水循环对极端季节性干旱事件的响应差异
（2）评估了生态恢复工程时空动态格局及其对区域生态系统GPP的影响。本研究通过土地利用变化轨迹分析方法（Trajectory analysis），基于年尺度的土地覆被数据，有效提取了西南地区2001–2015年间生态工程驱动的主要土地利用活动。研究表明，造林和植草是西南地区主要的生态恢复措施，近96%的活动与二者相关；此外，与MODIS GPP相比，基于生态过程模型的BESS GPP 与西南地区站点GPP具有更好的一致性，能够较好地反映西南地区的GPP变化趋势；造林和植草面积不到西南地区总面积的1%，但该区域对全区域年GPP增加的贡献超过了1%。其中，造林贡献最为明显，其对生态恢复区GPP的增加贡献约为 14.94%（BESS GPP）和24.64%（MODIS GPP）。2021年3月，论文在遥感领域国际期刊《Remote Sensing》（中科院2区，IF 4.848）在线发表，博士后丁智为第一作者。
图2 2001–2015年间西南地区生态恢复工程时空动态
图3 2001–2015年西南区域造林和植草对GPP实际增长的贡献
（3）通过土地利用变化分析途径，重点探究了生态工程能否抵消城市扩张减少的GPP。结果表明：2001–2015，西南地区近52%的土地利用变化与造林相关，仅20%与城镇扩张相关。造林增加的累积GPP（5.26 Tg C）2倍于城镇扩张减少的GPP（2.52 Tg C），有效促进了生态恢复，且这种积极效应在喀斯特区域尤为明显。然而，城镇扩张速率（~15.01% per year）远大于造林增加速率（~0.13% per year），表明城镇扩张会进一步削弱植树造林的积极效应。因此需要重点关注该区域过度的城镇开发活动。2021年4月，论文在环境与生态学国际知名期刊《Ecological Indicators》（中科院2区，IF 4.958）在线发表，博士后丁智为第一作者。
图4 西南喀斯特和非喀斯特区域主要土地利用变化导致的多年累积GPP变化
图5 西南区域主要土地利用类型变化趋势
（4）喀斯特区域存在典型的结构性缺水问题，揭示生态工程对该区域生态系统水分利用效率的影响，对于该区域的生态恢复成效评估具有重要参考意义。研究表明：2001–2015期间，造林是西南地区主要的生态恢复措施；喀斯特区域年均生态系统水分利用效率（WUE）要低于非喀斯特区域，但其年增长率要高于非喀斯特区域；生态恢复措施（造林、植草）对喀斯特区域年均WUE增加的贡献略低于非喀斯特区域。但造林、植草等对多年累积WUE增加的贡献明显高于非喀斯特区域。因此，造林、植草等生态工程对于改善喀斯特区域碳汇的水分消耗具有积极效应。2021年7月，论文在环境与生态学国际知名期刊《Ecological Engineering》（中科院2区，IF 4.035）在线发表，博士后丁智为第一作者。
图6 2001–2015西南全区域（A）和生态工程区域（B）喀斯特和非喀斯特的生态系统水分利用效率（WUE）
图7 2001–2015 生态恢复措施区域生态系统水分利用效率年际变化率（A）和多年累积变化率（B）
以上科研进展得到了国家自然科学基金重点项目、重庆市巴渝学者资助计划及中国博士后科学基金等项目的支持。
相关论文列表：
Min Wang, Zhi Ding, Chaoyang Wu, Lisheng Song, Mingguo Ma, Pujia Yu, Bingqing Lu, Xuguang Tang*. Divergent responses of ecosystem water-use efficiency to extreme seasonal droughts in Southwest China. Science of The Total Environment. 2021, 760: 143427.
Zhi Ding, Hui Zheng, Ying Liu, Sidong Zeng, Pujia Yu, Wei Shi, Xuguang Tang*. Spatiotemporal patterns of ecosystem restoration activities and their effects on changes in terrestrial gross primary production in Southwest China. Remote Sensing. 2021, 13: 1209.
Zhi Ding, Hui Zheng*, He Li, Pujia Yu, Weidong Man, Mingyue Liu, Xuguang Tang*, Ying Liu. Afforestation-driven increases in terrestrial gross primary productivity are partly offset by urban expansion in Southwest China. Ecological Indicators. 2021, 127: 107641.
Zhi Ding, Ying Liu, Lunche Wang, Yanan Chen, Pujia Yu, Mingguo Ma, Xuguang Tang*, Effects and implications of ecological restoration projects on ecosystem water use efficiency in the karst region of Southwest China. Ecological Engineering. 2021, 170:106356.
