根系-土壤水分关系作为植被管理的可持续性指标：以中国黄土高原的Caragana korshinskii为例

《Ecological Engineering》：Root-soil moisture relationships as sustainability indicators for vegetation management: Evidence from Caragana korshinskii in China's Loess Plateau

基于黄土高原地区24年生的Caragana korshinskii林，本研究量化了根系分布至2380厘米深度，揭示其与土壤水分的三层功能区域（0-200cm活跃层、200-520cm过渡层、520-2380cm深层提取区），并通过replanting实验验证其作为植被可持续性预测指标的有效性，提出干旱层深度（320-2160cm）作为关键阈值指标指导生态恢复管理。

　　

Bing Ma | Yuhong Zhou | Wenhao Chen | Xiao Yu | Xing Wang | Asim Biswas

宁夏大学林学与草原科学学院，中国宁夏银川

摘要

有效的生态恢复需要可靠的指标来评估水资源受限环境中的植被可持续性。本研究利用中国黄土高原上24年生的Caragana korshinskii林地，开发并测试了新的根系-土壤湿度指标。我们量化了根系结构，达到了前所未有的深度（2380厘米），并建立了根系分布模式与土壤湿度动态之间的直接关系作为生态指标。我们的指标框架揭示了三个功能区：一个浅层活跃区（0–200厘米），包含61.5%的根生物量，水分消耗处于中等水平；一个关键过渡区（200–520厘米），27.0%的根表现出严重脱水；以及一个深层提取区（520–2380厘米），根系稀疏，导致系统性的水分抽取。这些模式转化为可测量的生态指标：Caragana林地的储水量比参考农田少1019毫米，表明每年的水分消耗超出了降水量输入42.5毫米。一项受控的重新种植实验表明，这些根系-土壤湿度关系可以作为预测指标——新种植的植物在四年内迅速发展出类似的模式，验证了指标框架的可靠性。从320厘米到2160厘米深度的持续干燥层成为植被可持续性的关键阈值指标。这些发现为管理者提供了实用的生态指标：根系分布模式可以预测长期的水资源可持续性，而土壤湿度阈值可以指导恢复决策。我们的指标方法为全球干旱地区恢复项目中的植被可持续性评估和管理提供了一个可靠的框架。

引言

开发可靠的植被可持续性生态指标是全球干旱地区恢复工作面临的关键挑战。随着气候变化导致水资源短缺加剧，恢复实践者需要可靠的指标来评估种植的植被是否能够长期存在，或者最终因水资源限制而退化（Abbasi等人，2020年；Feng等人，2016年）。中国的黄土高原为开发此类指标提供了理想的自然实验室，那里的大规模恢复计划创造了多样的植被响应，可以为指标开发提供依据。

通过“退耕还林”计划，中国的黄土高原植被覆盖率在1999年至2013年间从31.6%增加到了59.6%（Chen等人，2021年）。然而，这一成功故事掩盖了潜在的可持续性问题，因为许多种植的森林显示出水分压力的迹象和衰退。挑战在于区分可持续的植被建立和不可持续的水分抽取——这对开发有效的生态指标至关重要。

在恢复物种中，Caragana korshinskii由于其广泛的用途和在该地区的不同表现而显得尤为重要。虽然Caragana表现出卓越的耐旱性和土壤保护效益（Chai等人，2019年），但越来越多的证据表明，在某些地点其水分消耗可能超过了可持续限度。先前的研究记录了Caragana下方7–22.4米深度的土壤脱水现象（Cheng等人，2005年；Wang等人，2009年），但缺乏指标开发所需的系统方法。

人工植被下方形成的持续土壤干燥层（SDLs）是一个关键的生态阈值指标，可以作为早期预警信号。这些层的特征是水分水平长期低于稳定渗透点，表明植被的水分需求长期超过了当地的水资源供应（Li，2001年；Shao等人，2016年）。了解SDL的形成机制及其与根系结构的关系可以为恢复规划提供实用的指标。

目前的干旱地区植被生态指标框架主要关注地上特征，如冠层覆盖度、叶面积指数或生物量生产。然而，地下过程——特别是根系结构及其与土壤湿度的关系——可能提供更敏感和更具预测性的长期植被可持续性指标（Fan等人，2017年）。黄土土壤的高孔隙度和相当的深度为在前所未有的尺度上研究这些关系提供了机会。

现有指标方法的一个根本缺陷是缺乏实验验证。虽然许多研究记录了当前的植被状况，但很少有研究测试观察到的模式是否能够预测未来的植被响应或指导管理决策。这一限制限制了潜在指标在恢复规划和适应性管理中的实际应用。为了解决这些挑战，我们基于成熟Caragana林地的根系-土壤湿度关系开发并测试了一个全面的生态指标框架。我们的方法结合了前所未有的深度根系采样（达到2380厘米）、详细的土壤湿度特征以及通过重新种植试验进行的实验验证。该框架旨在提供实用的指标，帮助恢复管理者评估植被可持续性并指导恢复决策。我们的具体目标是：（1）量化根系结构模式作为植被水分利用的潜在生态指标；（2）建立根系分布与土壤湿度动态之间的关系，作为综合的可持续性指标；（3）通过实验重新种植验证这些指标，测试它们对植被建立和持续性的预测能力。

研究地点特征

研究地点特征

我们的指标开发研究在宁夏回族自治区彭阳县的王洼小流域进行（106.65°E，36.10°N，海拔1882米）（图1）。选择这个地点是因为它代表了半干旱环境，这种环境中最需要生态指标来确保恢复工作的成功。该地区的气候属于半干旱大陆性季风气候，季节性水资源可用性明显，这影响了指标的表现。年降水量平均为450毫米，

根系结构作为生态指标

根系结构指标揭示了明确的职能区域，为恢复管理提供了实用指导。我们24年生的Caragana林地根系生长到了2380厘米的深度——这是该物种记录到的最深深度——并显示出明显的垂直分层模式，这些模式作为关键的生态指标。

根系结构指标在恢复中的指导作用

我们的根系结构指标通过揭示不同根系策略的功能重要性，为恢复管理提供了前所未有的见解。2380厘米的深度表明了Caragana卓越的水分吸收能力，而明显的分层模式提供了更实用的管理见解，显著扩展了我们对深黄土沉积物中耐旱植被最大根系潜力的理解。

结论

本研究开发并验证了一个基于根系-土壤湿度关系的全面生态指标框架，为干旱地区植被可持续性的评估提供了实用工具。研究表明，根系结构和土壤湿度动态共同提供了预测长期恢复成功的有力指标。

我们对24年生Caragana korshinskii林地的研究显示，根系发展出了不同的功能区域

CRediT作者贡献声明

Bing Ma：撰写——原始草稿、方法论、数据管理、概念化。Yuhong Zhou：方法论、正式分析、数据管理、概念化。Wenhao Chen：软件、方法论。Xiao Yu：方法论。Xing Wang：撰写——审稿与编辑、调查、概念化。Asim Biswas：撰写——审稿与编辑、概念化。

利益冲突声明

无。

致谢

本研究由宁夏回族自治区海外人才引进计划项目（关于改善宁夏黄土地区流域水资源管理的土壤-植物-水分传输与调节的研究）资助。