内蒙古呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站干旱实验样地。受访者供图
■本报记者 李晨
“如果未来干旱的持续时间和强度继续增加，生态系统可能会发生根本性转变。”北京林业大学草业与草原学院教授庾强在接受《中国科学报》采访时表示，“这一发现具有重要警示作用。”
10月17日，《科学》发表了庾强团队的一项重要成果。这支由中国科学家主导的国际团队研究发现，当干旱达到极端程度时，全球草原和灌丛生态系统会从逐步适应转向生产力急速衰退，并有可能导致不可逆的生态系统转变。
区域性实验引出更大科学问题
“其实这篇论文是上一篇在《自然》发表的研究的延续。”论文共同通讯作者庾强说，故事要从2013年说起。当时，庾强还在美国从事博士后研究，得知博士后导师等人正在美国建设草原干旱观测点，觉得这项研究有合作空间。于是，他和自己的博士生导师、中国科学院植物研究所研究员韩兴国沟通，在中国也建设草原干旱观测点，并一起筹备中美合作的草原研究项目。
庾强的建议很快得到了双方团队的认可。“我们当时商量在中国和美国各选6个点进行干旱实验，对比两国草原对干旱的响应。”庾强回忆道，他在美国科罗拉多州立大学与Melinda Smith教授合作，决定共同发起这个国际合作项目。
2014年，实验正式启动。中美两国科研人员在12个草原站点建立了统一的干旱模拟设施，连续4年观察草原生态系统对干旱的响应。
论文共同作者、北京林业大学草业与草原学院讲师柯玉广告诉《中国科学报》，干旱模拟设施就是一种特制的遮雨棚。其采用钢管支撑，顶部搭建弧形拱棚结构，上方覆盖透明的聚碳酸酯板，在允许阳光透过的同时，将降水偏导到实验区外，减少地表接收到的降水量，从而模拟干旱。
结果令人惊讶，经历4年极端干旱后，中国草原的生产力受到的影响越来越大，呈现出明显的干旱受损“累积效应”，即草原生产力逐年下降；而北美草原的生产力到了第三、第四年却不再下降，甚至受影响程度减弱，表现出“适应效应”。
“我们发现北美草原的生物多样性提高了，所以有了很好的补偿效应。而中国草原的生物多样性是下降的。”庾强解释道，“就像锻炼身体一样，相同强度的锻炼，有的人越来越强，有的人可能吃不消。不同区域的植物对干旱‘锻炼’的承受能力不同。”
这一发现2025年发表于《自然》。但一个更宏大的问题随之而来——全球范围内的草原和灌丛生态系统如何响应干旱。
“关于干旱时长与强度如何影响陆地生态系统，此前的研究多聚焦于特定区域，全球性影响尚不明确。”论文共同通讯作者Melinda Smith说，这使他们产生了在全球范围内对这一问题作出系统性解答的想法。
建全球网络探寻干旱响应规律
为了回答这个全球性问题，研究团队发起了一个前所未有的国际合作项目——在全球建立干旱联网实验站点。“我们发起全球干旱联网实验的初衷是探求一个基本的科学问题——干旱强度和时间如何共同影响全球生态系统。”庾强强调，“我们完全是以问题为导向，规划实验并发起合作的。”
这个国际合作的诞生完全基于自愿原则，所有参与者都没有报酬，纯粹出于科学兴趣自发加入。“我们通过邮件联系全球同行，邀请他们加入项目。”庾强说，“令人惊喜的是，国际上的科学家积极响应，最终有接近30个国家100多家单位的近200位科研人员参与进来。”
这个全球性实验网络最终涵盖了全球六大洲的100多个草原和灌丛生态系统。“我们制定了详细的手册，包括棚子怎么建、挖多深，用什么材料隔水等。”庾强说，每个站点都遵循统一的实验设计和方法标准，确保了数据的可比性。
2016年底，庾强决定回国，并很快着手建设中国的实验站点。最终，他带领团队在内蒙古呼伦贝尔、锡林郭勒，西藏那曲等地建立了12个站点。
然而，研究过程并非一帆风顺。团队最初期望从地域分布上找到规律，比如每个洲是否有统一的响应模式。庾强回忆道，“结果没找到。实际上，一个洲内部区别也非常大。”
转折点出现在团队调整分析思路后。当他们将站点按干旱程度而非地理位置重新分组时，规律终于浮出水面。“我们将站点按干旱程度分组后，通过区分达到极端干旱和未达到极端干旱的站点，我们才发现了清晰的模式。”庾强说。
方法论上的精进是另一个关键突破。团队意识到，早期发表在《自然》上的中美对比研究采用了统一的极端干旱标准（所有站点都减少66%的生长季降水），但在全球尺度上，由于各地降水的历史差异巨大，必须调整方法。
论文共同作者、中国农业科学院农业资源与农业区划研究所博士后徐翀介绍，在发表于《科学》的论文中，他们根据当地百年降水数据，定义了基于统计学的极端干旱标准（百年一遇或更严重的干旱）。这种统一的标准使得全球数据具有可比性，解决了跨区域研究的核心难题。
展望未来，这个全球网络将继续拓展研究维度。团队计划探索干旱后的恢复过程，并引入微生物、昆虫等新研究方向。“这个全球网络是一个开放平台，我们还将研究干旱遗留效应、生物多样性互作等问题。”论文共同通讯作者Timothy Ohlert表示，这种自愿协作模式已经催生了5个新的国际合作项目，展现了基础科学研究的持久生命力。
极端干旱的警示与应对
经过多年数据收集和分析，研究团队得出了令人警醒的结论。
科研人员通过国际干旱联网实验，在覆盖全球六大洲的74个草原和灌丛生态系统中采用统一的干旱处理实验模拟了连续3至4年的干旱，并使用一致的指标体系和测定方法。
“我们发现生态系统在多年干旱中总体上表现出一定的‘适应’能力，但当干旱达到极端程度，即百年一遇或更严重时，这种适应性便不复存在。”Smith说，连续4年的极端干旱造成的生态系统生产力损失比第一年增加了2.5倍。这一结果意味着，如果未来干旱的持续时间和强度继续增加，生态系统可能会发生根本性转变。
庾强举了个生动的例子：“就像跑步，每天适度锻炼会让跑步能力越来越强。但如果一天让你跑个不停，腿都抽筋了，第二天跑步能力就会下降。”
研究还揭示了生物多样性在应对干旱中的关键作用，提高生物多样性有助于增强生态系统对干旱的抵抗能力。该研究首次在全球尺度上系统揭示了干旱强度与持续时间的交互作用，突破了长期以来干旱生态学领域将二者独立考量的研究局限。
Smith强调，这项研究破解了全球气候变化研究中“强度更强、持续时间更长的干旱如何驱动生态系统功能变化”的核心科学难题。极端干旱会驱使生态系统从适应状态转向崩溃状态这一发现具有示警作用，即极端干旱会压垮生态平衡，导致生态系统退化风险骤增。
《科学》论文审稿人说，这项研究“通过全球联网实验量化这些关系，为未来干旱严重程度和持续时间的研究提供了基准”。
“我们要警惕连年极端干旱可能引发的灾难性突变，提前调整生态应对策略。”庾强说，研究成果不仅有助于预测未来气候变化背景下陆地生态系统对干旱的响应，还为草原和灌丛生态系统适应性管理、碳汇评估和干旱防灾等政策制定提供了科学依据。
这个全球性实验网络仍在不断扩大，今年已经发展到140多个站点。未来，该平台将继续为全球科学家服务，帮助人类更好地理解和应对气候变化带来的挑战。
相关论文信息：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads8144