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全球气候变化背景下，生态系统如何响应环境变化，尤其是温度和降水模式的改变，是生态学研究的热点问题。然而，长期观测实验中对照组的缺乏，使得传统生态学的相关分析无法解释变量间因果关系；同时，由于混杂因素的存在，控制实验也难以全面理解真实的因果关系。因此，采用因果分析方法揭示环境因子与生态系统结构和功能指标间的因果网络，对于应对气候变化和指导生态系统管理具有重要意义。
针对上述问题，国科大王艳芬教授团队开发了一个改进的因果模型，并应用于一项31年的温带典型草原长期野外监测数据集（包含气象、植被和碳通量数据），以确定该草原生态系统的因果网络。该研究在Ecological Indicators期刊上发表了题为“Causal analysis reveals that ecosystem structure and function are temperature-dominated but relatively independent”的论文。
论文主要结论包括：
（1）改进的因果模型在虚假因果关系检测和删除中效果显著。
研究发现，收敛交叉映射模型（CCM）和部分交叉映射模型（PCM）更适用于确定的动态系统，在随机系统的因果关系检测中表现不佳，虚假因果频繁出现。EcohNet模型在随机系统中应用良好，但仍然暴露出虚假因果。而改进的因果模型通过增加反向因果检测环节，明显提升了多变量间虚假因果关系的检测和删除。在改进的因果模型算法上，提出RCDI指数，计算变量间的相对因果强度。
（2）生长季温度而非降水成为生态系统结构和功能变化的主导因子。
研究发现，生长季温度驱动了所有生态系统结构和功能指标的变化，包括11条直接因果路径和7条间接因果路径。生态系统因果网络未显示降水与结构和功能指标的联系，这打破了以往关于降水作为关键驱动因子的经验论，强调了植物生长对温度变化的直接响应。
（3）土壤含水量在控制草原植被生物量变化中的重要性增强。
研究发现，土壤含水量是生长季温度控制生态系统结构和功能变化间接路径中的关键因子，决定了6条间接因果路径，占比86%。在干旱和半干旱地区，土壤含水量是植物水分利用的直接来源。尤其是随着气候变暖和极端干旱事件的发生，降水的作用被大幅度抵消，土壤含水量的重要性逐渐增强，已成为限制生态系统生物量和生产力变化的关键因子。
图2 温带典型草原生态系统因果网络。
（4）生态系统结构和功能的弱因果联系由生态系统稳定性调节。
研究发现，仅广旱生植物功能群与生态系统总初级生产力存在微弱因果联系。气候变化通过植被群落组成结构对生态系统功能的影响存在缓冲。
该研究所开发的改进因果模型，为生态系统因果网络构建以及相对因果强度的确定提供了途径。内蒙草原生态系统中的应用表明因果分析对于预测和应对气候变化对草原生态系统的潜在影响具有重要意义。随着全球变暖和极端干旱事件的增加，我们需要加强对干旱和半干旱地区植物可利用水分的关注，并采取进一步的缓解措施。
中国科学院大学郝彦宾教授、赵彤教授为该论文通讯作者。中国科学院大学罗文杏、杨俊祺为该论文共同第一作者。该研究得到魏桥国科低碳技术开发专项（GYY-DTFZ-2022-006）、国家自然科学基金（42041005）和中央高校基本科研基金（E1E40607）的资助。
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