植被恢复对温带水资源受限地区土壤水分动态的影响

《Journal of Hydrology》：Impact of vegetation restoration on soil moisture dynamics in temperate water-limited regions

植被恢复对半干旱区土壤湿度的影响及阈值机制研究，采用1981-2020年NDVI、气象和土壤湿度数据，结合PLS-SEM模型，揭示植被与气候交互作用导致土壤湿度相位变化。结果表明，1981-1999年植被扩张与土壤湿度正相关，而2000年后NDVI增长加速但土壤湿度下降，NDVI阈值0.27以上时植被促进水分消耗。研究提出区域分异管理策略，强调阈值监测与适应性管理。

　　中国北方温带干旱地区植被恢复对水文效应的影响研究，揭示了植被恢复过程中土壤水分（SM）变化的复杂性。这些地区面临着沙漠化和生态退化的问题，因此，植被恢复成为应对这些挑战的重要手段。然而，植被恢复对土壤水分的影响仍然存在争议，尤其是在其导致土壤干燥还是湿润的问题上。本研究旨在量化植被恢复与水文过程之间的动态关系，评估植被恢复过程中土壤水分变化的阶段特性，并区分植被中介效应、气候影响以及植被-气候相互作用对土壤水分变化的贡献。

植被恢复的两个阶段（T1：1981-1999；T2：2000-2020）呈现出不同的趋势。在T1阶段，归一化植被指数（NDVI）在73%的区域显著增加，平均增长率为0.0025/年（p=0.05），同时，土壤水分也呈上升趋势，61%的区域在平均速率0.001 m3/m3/年（p=0.5）的情况下显著增加。然而，在T2阶段，NDVI的增长速度加快，达到0.006/年（p=0.03），在75%的区域显著上升，而土壤水分则在59%的区域显著下降，平均下降速率为-0.0007 m3/m3/年（p=1.0）。这一发现表明，植被恢复对土壤水分的影响并非单一的，而是随着植被恢复阶段的不同而变化。此外，部分最小二乘法结构方程模型（PLS-SEM）被用来识别土壤水分变化的时空驱动因素，结果显示，T1阶段中，气候与植被的相互作用主导了土壤水分的增加，覆盖了60.3%的研究区域。而在T2阶段，NDVI成为主要驱动因素，覆盖了60.7%的区域，与土壤水分的广泛下降相一致。

研究还表明，植被恢复对土壤水分的影响具有非线性特征。NDVI在特定阈值（0.23-0.30）后，对土壤水分的响应从正向变为中性或负向。这表明，植被的扩张在达到一定密度后，可能会导致土壤水分的过度消耗，从而引发生态退化。这种植被与土壤水分之间的相互作用关系，为理解植被恢复的生态水文效应提供了新的视角。

在具体地区，土壤水分的变化与气候条件密切相关。例如，T1阶段中，SNS（松嫩平原）地区的土壤水分下降与降水减少和历史上耕地扩张有关，而其他地区则表现出土壤水分的上升趋势。T2阶段中，SNS地区由于降水增加和蒸发量减少，土壤水分有所恢复。然而，在其他干旱地区，如MWSD（毛乌素沙地）、KBQD（库布齐沙漠）、HSDKS（浑善达克沙地）和KEQS（科尔沁沙地），植被恢复导致土壤水分显著下降。这可能与这些地区降水较少、蒸发量较高以及植被根系对深层土壤水分的消耗有关。

植被恢复过程中，NDVI与土壤水分的互动关系也因阶段不同而有所变化。在T1阶段，NDVI的增长与土壤水分的增加呈正相关，而在T2阶段，这种关系转变为负相关。这说明，在植被恢复的初期阶段，土壤水分的增加可能更多地依赖于气候条件的改善，而在恢复的后期阶段，植被扩张可能加剧了土壤水分的消耗。因此，理解植被恢复的阶段特性对于制定科学的生态恢复策略至关重要。

研究还强调了植被恢复过程中可能存在的阈值效应。当植被覆盖度超过一定阈值时，其对土壤水分的正向效应可能减弱甚至逆转。这种非线性响应模式表明，植被恢复并非总是有益的，其效果可能受到多种因素的影响，包括植被类型、土壤特性、气候条件和恢复策略。因此，为了确保生态恢复的可持续性，需要综合考虑这些因素，并采取针对性的管理措施。

在干旱地区，植被恢复可能导致土壤水分的显著下降。例如，在T2阶段，NDVI的增长与土壤水分的减少存在显著相关性，表明植被恢复可能加剧了区域干旱。这种现象可能与植被对深层土壤水分的消耗有关，因为植被的根系可以吸收深层土壤水分，从而减少其可利用性。此外，植被恢复可能改变了地表微气候，增加了蒸发量，进一步加剧了土壤水分的消耗。

在湿润地区，植被恢复可能对土壤水分的保持具有积极作用。例如，在SNS地区，植被恢复促进了土壤水分的增加，这可能与该地区较高的降水和较低的蒸发量有关。然而，植被恢复在湿润地区的积极效应可能受到其他因素的限制，如灌溉和土地利用方式。因此，在制定植被恢复策略时，需要综合考虑这些因素，以确保生态恢复的可持续性。

此外，研究还指出了植被恢复过程中可能存在的时空异质性。不同地区的植被恢复对土壤水分的影响可能有所不同，这可能与区域的气候条件、土壤特性、植被类型和恢复策略有关。因此，为了更准确地评估植被恢复对土壤水分的影响，需要结合高分辨率的观测数据和空间异质性分析。

研究的局限性在于，其使用了ERA5-Land数据集，但该数据集可能无法准确反映植被根系与土壤水分之间的复杂相互作用。此外，由于植被恢复过程中可能涉及多种因素，如灌溉和土地利用，因此，需要进一步研究这些因素对土壤水分变化的影响。未来的研究应更加关注植被恢复的阶段特性，并结合多尺度数据，以更全面地评估植被恢复对土壤水分的影响。

综上所述，本研究揭示了植被恢复过程中土壤水分变化的阶段特性和区域异质性。在T1阶段，植被恢复对土壤水分的增加具有显著的正向效应，而在T2阶段，这种效应转变为负向。这一发现对于制定科学的生态恢复策略具有重要意义，表明在植被恢复过程中需要动态调整恢复强度，以防止土壤水分的过度消耗。此外，研究还强调了植被恢复的阈值效应，指出在植被覆盖度超过一定水平后，其对土壤水分的正向效应可能减弱甚至逆转。因此，在植被恢复过程中，需要综合考虑气候条件、土壤特性、植被类型和恢复策略，以确保生态恢复的可持续性。