半干旱地中海山区地下水依赖植被：风化硬岩含水层的隐藏作用

本研究针对半干旱地中海山区地下水依赖植被(GDV)分布机制不明确的问题，通过Sentinel-2 NDVI生态水文指标（干季NDVI、干湿季NDVI差、年际NDVI变异系数）识别了西班牙内华达山脉三种含水层区（高山、碳酸盐、风化硬岩）的潜在GDV(pGDV)。研究发现风化硬岩含水层维持了最大比例的Likely GDV(31.8%)，显著高于碳酸盐(14.9%)和高山含水层(1.3%)，揭示了浅层地下水对干旱期植被功能维持的关键作用。该研究为气候变化背景下山地生态系统保护提供了重要科学依据。

　　

在地中海半干旱山区，山脉如同天然的"水塔"，为下游生态系统和人类社会提供着不成比例的水资源份额。然而，与地表水循环过程备受关注形成鲜明对比的是，山区地下水对植被的支撑作用长期以来未被充分认识。随着气候变化导致降水格局改变和积雪减少，地下水补给面临严重威胁，这一认知缺口变得尤为紧迫。特别是在以西班牙内华达山脉为代表的半干旱地中海山区，理解不同含水层类型如何调控植被的水分可获得性，对于保护这些生物多样性热点区域至关重要。

传统上，对地下水依赖植被(Groundwater-Dependent Vegetation, GDV)的研究多集中于识别和分布制图，往往忽略了不同含水层类型对其持久性和功能的影响。山区含水层类型多样，包括岩溶含水层、硬岩含水层和高山含水层等，它们在水文地质特性上存在显著差异。例如，岩溶含水层虽然支持深层区域性水流，但其异质性结构导致储水和排泄动态极不规则；而硬岩含水层尽管储水能力有限，却可能因其低渗透性而维持较浅的地下水位，反而更易被植被利用。这种差异如何具体影响GDV的分布和功能，至今尚不明确。

在此背景下，由J. Cabello领衔的研究团队在《Journal of Hydrology: Regional Studies》上发表了一项创新性研究，首次系统评估了西班牙内华达山脉不同含水层类型对GDV分布的影响。研究人员利用2019-2023年的Sentinel-2卫星影像，基于NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)开发了三项生态水文指标：干季NDVI(8月)、干湿季NDVI差(5/6月与8月之差)和年际NDVI变异系数(CVi)。通过将这三种指标分为四个等级并组合成64个生态水文类别，再经层次聚类分析简化为三个地下水依赖水平：Unlikely GDV(不可能GDV)、Moderate GDV(中度GDV)和Likely GDV(可能GDV)。

研究团队将研究区划分为三个含水层带：高山含水层带(Alpine Aquifer Zone, AAZ)，位于海拔2300米以上，与第四纪冰川和冰缘沉积物相关；风化硬岩斜坡含水层带(Slope Weathered Hard-rock Aquifer Zone, SAZ)，发育于中风化区域的薄层风化带；碳酸盐含水层带(Carbonate Aquifer Zone, CAZ)，由强烈褶皱的三叠纪碳酸盐岩构成。通过交叉分析pGDV分布与植被类型图，并结合标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index, SPEI)与NDVI的相关性分析，深入探讨了不同含水层类型下植被与气候的关系。

主要技术方法

研究采用了多步骤分析方法：首先利用Google Earth Engine平台处理2019-2023年Sentinel-2影像，计算月度NDVI并应用云雪掩膜；其次基于干季NDVI、干湿季NDVI差和年际NDVI变异系数三个指标建立64类生态水文分类系统；然后通过层次聚类将类别简化为三个GDV水平；最后结合植被类型图和SPEI干旱指数进行空间统计分析和相关性验证。验证数据来源于野外验证的泉水点和嗜湿植物物种分布记录。

3.1 生态水文指标和pGDV在不同含水层带的分布

三项NDVI衍生的生态水文指标揭示了不同含水层带间的明显空间差异。干季NDVI显示，AAZ的干旱期绿色度普遍较低，高值仅限于源头区域；SAZ在夏季保持了最高绿色度，尤其是在中山地区；CAZ呈现中等条件，较绿植被集中在西部。

季节性绿度变化方面，AAZ大多数植被在干湿季间经历了中度到大幅下降；SAZ表现出更强的恢复力，近三分之一植被在夏季保持绿度；CAZ则以中度下降为主。

年际NDVI变异系数强调了植被稳定性的差异。AAZ的变异性在稀疏植被区和河流源头最高；SAZ是最稳定的区域，北坡变异性低；CAZ呈现异质性模式，东部集中高变异性，高海拔地区更稳定。

简化的pGDV分类反映了这些梯度：AAZ中Likely GDV几乎不存在(<2%)，局限于泥流舌和源头洼地；SAZ支持了最广泛的Likely GDV(约32%)，特别是在松林、沟谷和地下水排泄区；CAZ中Likely GDV较为有限(约15%)，主要沿变质岩接触带分布。卡方检验证实带间差异高度显著。

3.2 pGDV的年度NDVI动态

不同pGDV水平的年度平均NDVI动态在三个含水层带呈现一致模式，但在幅度和季节性上存在显著差异。AAZ的NDVI系统性地低于SAZ和CAZ，并表现出最高的年内季节性。 across all aquifer zones, the Likely GDV (pGDV3) consistently maintained the highest NDVI values throughout the year, including in the driest months, followed by the Moderate GDV (pGDV2), which remained greener than the Unlikely GDV (pGDV1).

在AAZ，Likely GDV表现出明显的季节性，6月达到峰值；Moderate GDV曲线更平滑，夏季值最高；Unlikely GDV在5月更早达到峰值。SAZ中，Likely GDV全年保持高于其他两个依赖水平的NDVI；Moderate GDV和Likely GDV的夏季NDVI峰值出现在6月，而Unlikely GDV在5月更早达到峰值。CAZ中，夏季NDVI值略低于SAZ，而冬季NDVI值高于AAZ。

3.3 不同pGDV水平和含水层带的植被分布

在AAZ，Likely GDV主要由杜松-金雀花灌丛(50.4%)和高山草甸(30.7%)组成；Moderate GDV以杜松-金雀花灌丛(70.8%)和多年生草地(18.4%)为主；Unlikely GDV主要包括杜松-金雀花灌丛(48.8%)、多年生草地(31.3%)和岩屑植被(17.7%)。

SAZ中，Likely GDV主要包含松树人工林(65.1%)和圣栎林(13.6%)；Moderate GDV组成更多样，包括松树人工林(27.1%)、杜松-金雀花灌丛(21.2%)、圣栎林(16.9%)和金雀花灌丛(11.6%)；Unlikely GDV主要与杜松-金雀花灌丛(24.6%)、多年生草地(17.2%)、百里香灌丛(14.1%)和金雀花灌丛(12.2%)相关。

CAZ中，Likely GDV主要由松树人工林(71.7%)和百里香灌丛(16.6%)组成；Moderate GDV以松树人工林(46.2%)和百里香灌丛(37.5%)为主；Unlikely GDV主要与百里香灌丛(68.3%)、多年生草地(14.2%)和松树人工林(9.2%)相关。

对应分析显示了pGDV水平与植被类型间的显著关联：AAZ与高山草甸；SAZ与河岸林、落叶林、栗树林和松树人工林；CAZ与河岸林和落叶林。卡方检验支持这些关联。

3.4 不同pGDV水平和含水层带的SPEI-NDVI相关性

在AAZ，Likely GDV在所有SPEI时间尺度上保持低相关值，特别是5月至9月，冬季值较高。SAZ中，它也全年显示低而稳定的相关性。CAZ中，相关值从4月到10月保持低位，SPEI-1在夏季急剧下降。

总体而言，Moderate GDV与SPEI的相关性高于Likely GDV。AAZ中，它在5月至9月达到最大值，特别是SPEI-1和SPEI-3。SAZ中，观察到全年中度相关性；CAZ中，最高相关性出现在2月至4月，夏季下降。

在所有单元中，Unlikely GDV显示与SPEI的最高相关性。AAZ中，在冬季和春季观察到最大值，特别是SPEI-1和SPEI-3。SAZ中，相关性中等到高，特别是短期(SPEI-1)。CAZ中，SPEI-12的值从6月起逐步增加，最高敏感性记录在春末至秋季。

研究结论与意义

本研究揭示了含水层类型在塑造半干旱山区GDV分布中的关键作用。研究发现风化硬岩含水层在维持GDV方面发挥着意想不到的重要作用，尽管其储水能力有限，却支撑了最大比例的Likely GDV(31.8%)，主要包括河岸林、落叶林和高山草甸。相比之下，碳酸盐和高山含水层分别仅支撑了14.9%和1.3%的Likely GDV。

这种看似矛盾的重要性源于其低水力传导性：地下水流动缓慢，有利于浅层测压面和近地表的地下水储存。相反，在高渗透性的岩溶含水层中，水通过管道迅速排泄，导致地下水位较深，对植被的可用性更不规则。这些发现强化了关于半干旱山区生态系统依赖浅层风化硬岩含水层的新兴证据。

从保护角度看，应优先保护积雪区和维持增强含水层补给的传统水管理实践。基于自然的解决方案，如未衬砌灌溉渠和漫灌，可以增加渗透并缓冲干旱影响。遥感工具（如NDVI监测）提供了一种经济有效的方法来检测衰退的早期迹象，并支持对地下水依赖植被的适应性管理。

这项研究的方法学创新在于将遥感技术与水文地质分类相结合，为半干旱山区生态系统管理提供了新视角。研究结果挑战了山区是纯粹降水驱动系统的传统观点，证明了风化硬岩含水层中储存的地下水在调节生态系统结构和功能中的基本作用。通过强调植被在何处以及如何依赖地下水，该研究为指导连接地下水动态与保护和土地利用规划的未来研究提供了框架，特别是在面临日益增加的气候压力的半干旱山区区域。