氮素是维持陆地生态系统氮平衡与初级生产力的核心要素。生物固氮可将大气中的惰性氮转化为生态系统可利用的有效氮，虽能显著提升土壤养分水平、增强生态系统碳汇能力与抗逆性，但水资源状况依旧是调控生态系统固氮效率的关键限制因子。地下水补给作为地下水系统的核心过程，可通过稳定地下水文条件间接调控固氮微生物赖以生存的土壤微环境，是地下水依赖型生态系统（GDEs）结构与功能维持的核心支撑。有研究表明，未来气候变化下全球极端降水与干旱事件的强度、频率和持续时间将持续增加，必将持续改变地下水补给对生态系统的支撑能力。

GDEs覆盖全球约11.5%的陆地面积、36%的全球缺水区域，是干旱半干旱区的“生态岛”与生物多样性热点区，在维持全球生物多样性、提供生态系统服务、支撑旱区社会经济可持续发展中发挥着不可替代的作用。GDEs固氮过程高度依赖地下水系统的稳定供给，而地下水补给在GDEs固氮效率演变中的核心作用，在全球尺度评估中始终被忽视。全球范围内地下水超采已导致GDEs可利用水资源持续减少，生态系统脆弱性显著增加，面临严重的退化风险。以往大多数关于生态系统固氮驱动机制的研究，多聚焦于气温、降水、土壤理化性质等环境因子的影响，或是局地尺度地下水对植被固氮的调控效应，通常仅关注单一因子对固氮效率的独立影响，却对地下水补给这一核心水文过程对GDEs固氮效率的长期驱动效应考虑不足。迄今为止，在全球尺度系统揭示不同气候变化情景下，地下水补给对GDEs固氮效率的驱动效应演变、贡献占比与内在作用路径，仍是水文学与全球变化生态学交叉领域的关键挑战。

中国科学院东北地理与农业生态研究所联合长春工程学院、中国科学院沈阳应用生态研究所、中国农业科学院和新加坡国立大学等单位科研人员，以全球GDEs为研究对象，在系统总结气候变化下水文过程与生态系统氮循环耦合研究进展的基础上，通过整合ISIMIP多模型、多驱动全球数据集，结合基于随机森林的可解释SHAP方法与偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM），系统评估了SSP126低排放与SSP585高排放两种未来气候变化情景下，全球及不同分区地下水补给对GDEs固氮效率的驱动贡献，厘清了多驱动因子对固氮效率的直接与间接作用路径，提出了GDEs保护与地下水管理的核心方向。研究结果表明：

（1）气候变化下，全球生态系统地下水补给与固氮效率呈协同增长趋势，且增幅与波动程度随排放情景的极端化显著提升。在SSP126情景下，全球生态系统地下水补给与固氮效率较历史时期分别上升5.8%和29.56%，年际波动相对平缓；在SSP585高排放情景下，二者增幅进一步扩大至9.8%和46.64%，同时年际波动更为剧烈。相较于非 GDEs区域，GDEs区域的地下水补给与固氮效率对气候变化的敏感性更强，年际变异系数显著更高。

（2）地下水补给是GDEs固氮效率提升最核心的贡献因子。在整个全球范围内，在SSP126情景下，蒸散量、叶面积指数和土壤湿度等因素是生态系统固氮效率的主要驱动因素；而在SSP585情景下，太阳辐射和近地表气温则占据主导地位。相比之下，两种未来气候情景下地下水补给对固氮效率的贡献度均居所有因子首位，分别达到12.33%和8.25%。

（3）气候变化驱动下，地下水补给对GDEs固氮效率的作用发生了从“限制效应”到“促进效应”的根本性转变，且驱动效应强度随排放情景呈现显著差异。历史时期，水文过程对GDEs固氮效率表现为直接负向限制效应，路径系数为-0.16，其中地下水补给与地表径流是水文因子的核心载荷；在SSP126低排放情景下，该限制效应完全转变为强正向促进效应，水文过程对固氮效率的直接正向驱动效应达0.41，地下水补给依旧主导水文因子载荷；在SSP585高排放情景下，该正向驱动效应有所减弱，水文过程对固氮效率的直接影响系数降至0.16，但地下水补给仍是水文因子中的绝对主导载荷。

虽然本研究侧重于气候和水文因素对GDEs固氮效率的影响，但本研究仍存在一定局限性。土壤酸化、氧气供应、磷的有效性和土壤中微生物群落组成等均会影响生态系统固氮效率，因此将这些相互作用的生物地球化学控制因素纳入考量，将有助于在未来研究中更好地表征固氮过程。

该研究发表在国际顶级期刊《Water Research》上，由中国科学院东北地理所联合培养冯博硕士（第一作者）、长春工程学院聂思雨副教授（共同一作）、中国科学院沈阳应用生态研究所武海涛研究员（共同一作）、中国农业科学院温艳茹副研究员、王海庆博士、章光新研究员、姜明研究员、新加坡国立大学Xixi Lu教授和齐鹏副研究员（通讯作者）共同完成。研究得到国家重点研发计划（2022YFF1300900）、国家自然科学基金（42371037）和吉林省自然科学基金（YDZJ202401485ZYTS）共同资助。

论文信息及链接如下：

Bo Feng, Siyu Nie, Haitao Wu, Yanru Wen, Haiqing Wang, Guangxin Zhang, Ming Jiang, Xixi Lu and Peng Qi*. Increased groundwater recharge under climate change will enhance nitrogen fixation in groundwater-dependent ecosystems. Water Research, 2026.

https://doi.org/10.1016/j.watres.2026.125873

图1 在两种气候情景（SSP126和SSP585）下，全球自然生态系统、GDEs和Non-GDEs在历史时期（1970-2015年）和未来时期（2015-2100年）地下水补给和固氮效率的年际变化。a、c、e 分别代表全球、GDEs和Non-GDEs的地下水补给年均趋势。b、d、f 对应于固氮效率。斜率表示拟合曲线的斜率，反映总体变化趋势。CV 表示变异系数，反映时间波动。

图2 自然生态系统中历史时期，以及SSP126和SSP585情景下相对于历史时期地下水补给和固氮效率的绝对变化的空间分布格局。a代表历史时期地下水补给的空间分布。c和e表示在SSP126和SSP585情景下地下水补给相对于历史时期的绝对变化的空间格局。b代表历史时期固氮效率的空间分布。d和f表示在SSP126和SSP585情景下固氮效率相对于历史时期的绝对变化的空间格局。

图3 不同情景下地下水补给SHAP值百分比的空间分布，包括各子区域中各因素SHAP值的比例。a和c代表SSP126和SSP585情景下全球格局下地下水补给的SHAP值比例，以及各子区域中各因素的比例。b、d图显示了SSP126和SSP585情景下不同气候带中地下水补给的SHAP值比例。