在国家自然科学基金项目（项目编号：41530750，41371101）资助下，中国科学院西北生态环境资源研究院（筹），即原中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，沙坡头沙漠试验研究站王新平研究员与合作者在荒漠生态系统生物量与土壤水分的动态耦合研究方面取得重要进展，相关研究成果以“Probabilistic model predicts dynamics of vegetation biomass in a desert ecosystem in NW China”（中国西北地区荒漠生态系统植被生物量动态变化概率模型预测）为题于2017年6月5日在PNAS上在线发表。论文链接：www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.1703684114。王新平研究员和美国普林斯顿大学Benjamin Eli Schaffer博士为论文的共同第一作者，与得克萨斯农工大学Ignacio Rodriguez-Iturbe教授为共同通讯作者。
生物量反映了生态系统尺度上植物对土壤水分的竞争力及适应干旱生境的能力，是表征植被稳定演替的理想指标，也是揭示未来气候（降水格局）变化情景下荒漠生态系统可持续性的基础，但是在生态系统尺度上准确模拟植被动态仍面临困境。一方面荒漠生态系统下垫面具有高度空间异质性，另一方面植物光合碳同化过程和植株个体生长涵盖了从小时到生长季的尺度转变。这种高度的时空异质性对准确刻画生物量与土壤水分的耦合关系带来很大挑战。因此，干旱区生态水文研究领域目前非常关注生物量与土壤水分动态的随机耦合关系研究。
基于沙坡头站对研究区降水、土壤水分、植物群落特征的长期观测资料，王新平研究员及其合作者在分析降水随机分布（泊松过程）、植物光合及气体交换特征的基础上，综合考虑冠层截留、土壤导水率及凋萎系数对水分传输及土壤有效水分的影响，确定了单位生物量碳增长、碳损失和蒸腾耗水等关键参数，刻画了具有高度时间依赖性的生物量动态概率分布特征（图1）。同时，利用试验观测的植物冠幅与群落盖度、根幅与冠幅的比例关系，在空间上对生物量-土壤水分动态耦合关系进行尺度转换，构建了耦合土壤水分的植被生物量动态微分方程，该方程解析了植物光合、呼吸和蒸腾作用对土壤水分的响应与反馈机理。对比分析表明，季节性稳态生物量累计概率分布与实测结果基本一致（图2），模型分析的生物量（平均值±标准差）与实测值也大体相当（湿润季分析值和实测值分别为：178.4 ± 44.4 g m-2，185.0 ± 37.6 g m-2；干旱季分析值和实测值分别为：62.6 ± 15.1 g m-2，68.4 g m-2（注：因干旱季仅有一次实测，无标准差））。在植物生长周期不变的前提下，当降水日数增加10%，降水日的日平均降水量也增加10%（Gao et al., 2012）时，模型预测的土壤水分未发生明显变化（图3），而生物量将增加约25%（图4），降水增加主要补偿了植被的蒸腾耗水（生物量增加）。因此，未来气候（降水格局）变化对植被的影响将大于对土壤水分的影响。
图1 经历不同时段干湿季交替的湿润季末(A)和干旱季末(B)生物量分布
图2 湿润季末生物量累积分布概率模型预测值与实际观测值比较
图3 降水变化情景下(Gaoet al., 2012)湿润季和干旱季末相对土壤含水量分布
图4 降水变化情景下(Gaoet al., 2012)湿润季末(A)和干旱季末(B)的生物量分布