基于植被-土壤水分适宜性指数的黄土高原土壤水分可持续性评估及其对生态恢复的启示

《Ecological Indicators》：Soil moisture sustainability assessment based on the vegetation-soil moisture suitability index

本研究针对干旱半干旱区生态恢复中植被耗水与降水补给失衡导致的土壤水分可持续性争议，以黄土高原北洛河流域为典型案例，开发了植被-土壤水分适宜性指数(VSMI)，集成多源遥感与气象数据(1990-2019)系统评估了生态修复下土壤水分时空动态。结果表明：近30年流域VSMI呈显著下降趋势(?0.0106 a?1)，不可持续区域(VSMI<1)从11.74%增至26.57%，林地水分亏缺最严重(31.79%区域不可持续)，且呈现明显季节异质性(夏季VSMI 1.250显著低于冬春季1.343)。研究揭示了植被类型、土壤质地与地形对水分适宜性的关键约束，为优化植被格局、提升干旱区生态系统韧性提供了新量化工具。

　　

在全球气候变化和人类活动的双重压力下，干旱半干旱地区的生态系统面临着严峻挑战。黄土高原作为我国水土流失最严重、生态最脆弱的地区之一，自1999年实施退耕还林工程以来，植被覆盖度显著提升，生态环境得到改善。然而，大规模的植被恢复如同一把双刃剑，在带来生态效益的同时，也引发了新的科学问题：高耗水的林木种植是否超出了区域水资源的承载能力？植被恢复的长期可持续性如何？这些问题的核心在于如何平衡植被水分需求与土壤水分补给之间的关系。

传统的生态评估方法多关注植被覆盖变化或土壤侵蚀控制，而对土壤水分这一关键生态因子的动态关注不足。尤其是在降水有限的干旱半干旱区，土壤水分是植物生长、生态系统稳定和生态恢复成功的决定性因素。当植被的耗水速度超过降水的补给能力时，就会导致土壤干层的形成，威胁植被生存和生态系统健康。因此，开发能够量化植被-土壤水分平衡关系的指标，对于评估生态恢复的可持续性、优化植被配置模式具有重要的理论和实践意义。

在此背景下，窦申堂、简晟旗和孔丽琳等研究人员在《Ecological Indicators》上发表了关于基于植被-土壤水分适宜性指数的土壤水分可持续性评估研究。该研究以黄土高原的北洛河流域为典型案例，创新性地提出了植被-土壤水分适宜性指数(VSMI)，系统分析了1990-2019年间生态修复背景下土壤水分的时空动态变化规律。

为了回答上述科学问题，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，基于分布式生态水文模型RHESSys(Regional Hydro-Ecologic Simulation System)模拟流域尺度的水分、碳和能量通量，该模型整合了FOREST-BGC、MT-CLIM等多个过程模型，能够模拟Penman-Monteith潜在蒸散发、实际蒸散发和土壤水分运移等关键生态水文过程。其次，利用多源遥感数据(包括30米分辨率DEM、土地利用数据、植被类型数据、NDVI数据等)和气象观测数据(1990-2019年)构建模型输入，所有空间数据统一为1公里分辨率。第三，通过蒙特卡洛方法对模型参数进行率定，并使用上游刘家河和中游交口河水文站的月径流观测数据以及气象站点实测土壤水分数据对模型进行验证，确保模拟结果的可靠性(Nash系数大于0.6)。最后，运用Mann-Kendall趋势分析法和全局敏感性不确定性分析(GSUA)评估VSMI的时空变化趋势及其对环境驱动因子的敏感性。

3.1. 北洛河流域植被水分适宜性时空变化特征

通过对1990-2019年流域植被-土壤水分适宜性指数的分析发现，流域整体VSMI呈现显著下降趋势(平均年下降率?0.0106 a^?1)，从1990年的1.449下降至2019年的1.164。不可持续区域(VSMI<1)的比例从退耕还林工程实施前(1990-1999年)的11.74%扩大到工程实施中期(2010-2019年)的26.57%，空间上从南部逐渐向中部扩展。不同植被类型的VSMI变化差异显著： farmland(VSMI)呈现显著上升趋势(0.0111 a^?1)，而灌木林(?0.00726 a^?1)和草地(?0.0157 a^?1)则显著下降，林地虽未达到统计显著性水平但也呈下降趋势(?0.0135 a^?1)。

3.2. 不同植被类型的土壤水分可持续性分析

林地表现出最严重的水分亏缺，其VSMI从1990年的1.218下降至2019年的1.117，不可持续面积比例达到31.79%。灌木林在北部黄土台塁区保持中等可持续性(VSMI=1.213)，但2000年后开始退化。草地的VSMI下降显著，特别是在与林地交错的区域，受到邻近林地水分竞争的影响明显。农田的VSMI在人为灌溉和管理措施下有所改善，但在南部沙质土壤区仍面临持续退化压力。

3.3. 不确定性、敏感性和概率评估

全局敏感性分析表明，降水对VSMI方差的贡献最大(42%)，其次是土壤质地(27%)和植被类型(18%)。概率密度函数分析显示，北部黄土台塁区的VSMI分布窄而对称，生态水文条件相对稳定；而南部丘陵区则呈现宽而偏斜的分布，具有较高的生态风险和不确定性。

研究结论表明，北洛河流域的土壤水分可持续性面临严峻挑战，特别是在大规模植被恢复的背景下，水分供需失衡问题日益突出。VSMI指数有效识别了不同植被类型的水分适宜性和可持续性，揭示了生态恢复的水文风险和空间异质性。讨论部分强调，在干旱半干旱区实施生态恢复工程时，必须充分考虑区域水资源承载力与植被类型的匹配关系，构建"以水定绿"的恢复策略。未来需要加强生态水文过程的长期监测，提升植被配置、水分调控和气候适应的协同管理能力，实现生态系统服务提升与水资源可持续利用的双重目标。

该研究的重要意义在于提供了一个量化评估植被-土壤水分平衡的新工具，为优化黄土高原及类似生态脆弱区的植被格局、增强生态系统韧性提供了科学依据。VSMI框架不仅适用于黄土高原，也可推广到其他干旱半干旱地区的生态恢复评估中，对全球变化背景下的生态系统适应性管理具有重要参考价值。