木本植物入侵加剧深层土壤干旱：从日际到年代际的多尺度生态水文响应

《Ecosystems》：Woody Encroachment Intensifies Deep Soil Drying at Daily, Seasonal, and Decadal Scales

本研究针对木本植物入侵对草地生态系统的深层土壤水分动态影响机制不明的问题，通过整合高频土壤湿度监测、电阻率成像和长达37年的中子探针数据，揭示了灌木通过深层根系加剧50-200 cm土层水分耗竭的现象。结果表明：入侵区60 cm深处暴雨后土壤湿度降幅比草地高20%，电阻率显示季节性干燥深度增加2倍，长期数据证实>1 m土层持续干旱化。该研究为预测 woody encroachment 对碳循环及地下水补给的影响提供了关键证据。

　　

在全球气候变化和人类活动影响下，原本以草本植物为主的草原和稀树草原正经历着剧烈的生态系统演变——木本植物不断扩张入侵草地生态系统，这一现象被生态学家称为"木本植物入侵"。尤其在水热条件较好的半湿润地区，灌木和乔木的蔓延速度惊人。然而，这种植被格局的转变如何影响地下水资源分配，特别是深层土壤水分的动态变化，长期以来缺乏系统性的研究。

传统观点认为，木本植物相比草本植物具有更发达的根系，能够将水分引导至更深土层，可能有利于地下水补给。但实际情况可能更为复杂：木本植物同时具备更高的蒸腾速率，可能大量消耗深层土壤水分。这种矛盾使得准确预测木本入侵对区域水循环的影响充满挑战。美国堪萨斯州的康扎草原作为典型的半湿润高草草原，自1980年代以来经历了显著的木本植物入侵，为研究这一科学问题提供了理想天然实验室。

研究人员在《Ecosystems》发表的最新研究中，创新性地从日际、季节性和年代际三个时间尺度系统揭示了木本植物入侵对土壤干旱化的影响。通过布设高精度土壤传感器网络，团队每30分钟记录一次不同深度的土壤湿度变化；运用电阻率层析成像技术绘制地下水分分布图；并分析了长达37年的中子探针监测数据。这种多尺度、多技术的综合研究方法，使得团队能够捕捉从单次暴雨事件到长期气候变化的完整土壤水分动态。

研究发现，木本植物入侵导致的土壤干旱化具有明显的垂直分异特征。在日际尺度上，灌木下方60厘米深处土壤湿度下降幅度比草地高20%，而15厘米浅层则无显著差异。季节性监测显示，入侵区域的土壤干燥深度是草地的两倍。最令人惊讶的是长期趋势：与每年火烧的草地相比，20年火烧周期（木本入侵严重）的流域深层土壤（>1米）湿度持续下降，且干旱化趋势随时间加剧。

关键技术创新方面，研究团队主要采用了三种核心技术：高频土壤湿度监测系统（TEROS-12传感器）每30分钟记录15-60厘米深度土壤水分动态；电阻率层析成像（ERT）通过46个电极测量季节性土壤干燥深度变化；中子探针每月监测1984-2021年间25-200厘米深度土壤水分含量。所有数据均来自康扎草原生物站的长期生态研究网络。

事件尺度干旱分析

通过对2021-2024年暴雨事件后土壤干燥曲线的解析，研究发现灌木下方深层土壤水分损失更为显著。在60厘米深度，持续7-34天的干燥事件中，灌木下土壤湿度下降幅度比草地高3-12%；当干燥期延长至34-42天时，差异扩大至14-20%。这种差异源于粗糙叶山茱萸（Cornus drummondii）等入侵灌木能够同时利用浅层和深层水源，而C₄禾草主要依赖0-30厘米浅层土壤水分。

季节性干旱模式

2022年生长季（6-10月）的电阻率成像揭示了明显的空间分异。木本入侵区域上部2米土层电阻率增加441%，显著高于草地的271%。特别在1-2米深度，入侵区域的土壤干燥程度最为突出，表明灌木根系在深层土壤中的水分吸收活动更为活跃。

年代际干旱趋势

37年的中子探针数据证实了木本入侵对深层土壤水分的长期影响。与每年火烧的参照流域相比，4年火烧和20年火烧流域的土壤干燥趋势随入侵程度加重而增强。在175厘米深度，20年火烧流域的干燥趋势斜率是4年火烧流域的1.5倍，表明木本覆盖度与深层土壤干旱化存在剂量效应关系。

研究还发现了一个有趣现象：木本入侵虽然加剧了土壤干燥，但同时也改善了深层土壤的通气条件。土壤氧气监测数据显示，灌木下方60厘米处氧气浓度波动更为剧烈，表明根系形成的大孔隙促进了土壤-大气气体交换。这种"水分鞭甩"效应——即极端干旱与强降雨的快速转换——可能深刻影响深层土壤的碳循环过程。

这项研究通过多尺度证据链证实，木本植物入侵不仅改变地表植被格局，更通过深层根系的水分利用策略重构了地下水文过程。在气候变化导致极端降雨和干旱事件频发的背景下，这种深层土壤干旱化趋势可能进一步加剧，影响草原生态系统的碳储存功能和地下水补给能力。研究为理解植被-水分反馈机制提供了新视角，对草原生态系统管理和气候变化适应策略制定具有重要指导意义。