灌木入侵与退化对高寒草甸水平衡的影响机制及水文效应

本研究针对全球性生态问题——高寒草甸(AM)的灌木入侵(SM)与退化(DM)，通过野外实验与稳定同位素(δ2 H, δ18 O)技术，首次系统揭示了二者对蒸发(ER)、蒸腾(TR)、入渗及地下水/河流补给的多重影响。发现SM使土壤蒸发降低21.4%，但优势植物蒸腾率提升33.6%-39.0%；DM与AM的地下水补给量均增至2.4倍，为青藏高原(QTP)水资源保护与生态修复提供理论依据。

　　

在全球变暖与人类活动加剧的背景下，被誉为"亚洲水塔"的青藏高原正面临高寒草甸生态系统的双重威胁：灌木疯狂扩张与草地严重退化。这些变化不仅导致"黑土滩"等生态灾难，更可能通过改变水循环过程影响整个亚洲的水资源安全。然而，现有研究多聚焦植被群落或土壤养分的单一变化，对关键水文通量如蒸发-蒸腾平衡、地下水补给等机制的认识仍存在巨大空白。

为破解这一难题，青海大学等机构的研究团队选取原生高寒草甸(AM)、严重灌木入侵草甸(SM)和严重退化草甸(DM)三类样地，采用稳定水同位素示踪(δ²
H, δ¹⁸
O)结合野外监测，首次系统量化了不同生态状态下水通量的变化规律。研究通过测定土壤蒸发比(ER)、优势植物蒸腾速率(TR)、水分入渗速率等参数，结合同位素混合模型解析水源贡献，揭示了灌木入侵与退化对水循环的重构机制。

关键方法
在青藏高原达日县智科河谷(海拔4200米)设置三类样地，采集土壤/植物/水体样本：①使用离心法提取土壤水，通过同位素质谱仪分析δ²
H和δ¹⁸
O组成；②采用Li-6400光合仪测定优势植物(如矮生嵩草Kobresia pygmaea、黄帚橐吾Ligularia virgaurea)的TR；③通过双环入渗仪测定土壤饱和导水率；④应用IsoSource模型计算不同水源对地下水/河流的补给比例。

研究结果

蒸发与蒸腾的变化
SM的土壤ER(平均16.7%)显著低于AM(21.2%)(P<0.05)，而DM(20.8%)与AM无显著差异。但SM中优势灌木的TR达3.9-4.2 g H₂
O h^?1
g^?1
，比AM草本高33.6%-39.0%；DM中黄帚橐吾的TR(3.7 g H₂
O h^?1
g^?1
)显著低于矮生嵩草(P<0.05)，揭示灌木通过深层根系加剧水分消耗的生态策略。

入渗与补给机制
SM和DM的饱和导水率分别比AM提高2.1倍和1.8倍，这与灌木根系形成的大孔隙及退化导致的草毡层(Mattic epipedon)破坏直接相关。同位素示踪显示，SM和DM使地下水补给量均增至AM的2.4倍，河流补给量分别增加1.4倍和2.2倍，证实地表水转化路径的改变。

讨论与意义
研究发现灌木入侵通过"低蒸发-高蒸腾"组合加速深层土壤水流失，而退化主要通过破坏草毡层增加入渗。二者均导致更多降水转化为地下水而非地表径流，这可能解释近年来青藏高原部分流域径流减少的现象。研究为"退牧还草"工程提供了科学依据：在SM区域需控制灌木扩张以保持土壤水，而在DM区域修复草毡层是关键。论文发表于《CATENA》，其创新性在于将同位素水文学与生态过程耦合，为高海拔地区水-植被关系研究树立了新范式。