在巴西半干旱地区用牧场替代卡廷加（Caatinga）植被所带来的生态水文后果

《Science of The Total Environment》：Ecohydrological consequences of the replacement of Caatinga with pasture in the semiarid of Brazil

巴西半干旱区原生卡廷加森林与退化牧场生态水文功能对比研究。通过分析13.1公顷原生植被流域（MBC）与2.6公顷退化牧场流域（MBP）的植被指数、径流及土壤温湿度数据，发现牧场流域地表径流量增加4.8倍，土壤温度升高，湿度降低，且植被NDVI值显著低于原生森林。研究揭示了土地用途转换对半干旱区水文循环和植被生理活动的关键影响。

　　

何塞·拉利乌松·伊纳西奥·席尔瓦（Jose Raliuson Inacio Silva）| 罗多尔福·索萨（Rodolfo Souza）| 埃杜阿多·索萨（Eduardo Souza）| 艾伦·塞扎尔·贝泽拉（Alan Cezar Bezerra）| 埃韦拉多·瓦拉达雷斯·德·萨·巴雷托·桑帕约（Everardo Valadares de Sa Barretto Sampaio）| 丹尼扎德·奥雷斯卡（Denizard Oresca）| 何塞·罗穆阿尔多·德·索萨·利马（Jose Romualdo de Sousa Lima）| 罗穆洛·西蒙斯·塞扎尔·梅内塞斯（R?mulo Sim?es Cezar Menezes）| 安东尼奥·塞尔索·丹塔斯·安东尼诺（Ant?nio Celso Dantas Antonino）| 苏珊娜·玛丽亚·吉科·利马·蒙泰内格罗（Suzana Maria Gico Lima Montenegro）

巴西伯南布哥州塞拉塔尔哈达市（Serra Talhada）的佩尔南布科联邦大学（Rural Federal University of Pernambuco）学术单位，邮编56909-535

摘要

季节性干旱热带森林（SDTF）覆盖了世界大片区域，在水文和生态方面发挥着重要作用。其中一部分森林，包括被称为“卡廷加”（Caatinga）的巴西热带森林，已被农作物和牧场所取代。这种土地利用变化可能会影响生态水文动态，尤其是在气候条件恶劣的情况下，由于管理不善导致牧场退化时。关于从SDTF转变为牧场的影响的研究很少，尤其是在巴西半干旱地区，这阻碍了利益相关者和政策制定者做出适当的决策。我们比较了巴西半干旱地区卡廷加（MBC）和退化牧场微流域（MBP）的生态水文过程的季节性特征。MBC流域面积为13.1公顷，主要被树木植被覆盖；而MBP流域面积为2.6公顷，植被为退化的Urochloa mosambiensis。MBC的植被指数（NDVI和LAI）值高于MBP，径流量低4.8倍，这归因于其更强的雨水缓冲能力以及更好的水分渗透和再分配作用。此外，MBC还具有更好的温度调节能力，表现为更低的土壤温度和更高的土壤湿度。因此，将SDTF替换为牧场会在半干旱环境中引起显著的水文响应和生物物理变化。

引言

季节性干旱热带森林（SDTF）对区域和全球水文调节至关重要（Jiang等人，2022年）。尽管它们非常重要，但SDTF却经历了大规模的森林砍伐和土地利用变化，主要是被转化为牧场（Miles等人，2006年）。SDTF的原始范围尚不清楚，但估计有48.5%的SDTF面积已被转化为其他用途（Hoekstra等人，2004年）。在巴西，卡廷加是主要的SDTF类型，仅分布于半干旱地区，该地区的气候和水文条件具有明显的季节性和高度的空间变异性（Marengo等人，2017年；Zeri等人，2022年）。 卡廷加提供了多种生态系统服务，包括食物供应、碳封存和水资源调节（Andrade等人，2020年；Silva等人，2017年）。然而，土地利用的集约化使其原始植被覆盖率下降到不到50%（Silva等人，2019年）。过度放牧和不可持续的农业实践导致了土壤退化、微气候条件的改变以及该地区的土地退化加速（Silva等人，2021b）。 将原始植被替换为牧场会改变土壤-植物-大气连续体中的水分流动（Alcantara等人，2021年）。这些变化的发生是因为水分可用性和植被结构紧密相关：植被依赖水分，同时又影响水分的渗透和保持（Andrade等人，2018年）。生态水文学为分析这些相互作用和量化水文过程与生态过程之间的反馈提供了有价值的框架（Sutapa等人，2021年）。 综合监测水文变量（如土壤湿度、地表径流）、土壤水力特性（如水分保持曲线、水力传导性）和植被生物物理指标（如NDVI、反照率、蒸散量）对于理解土地利用变化对水文和碳循环的影响至关重要（Kazemzadeh等人，2021年；Montenegro等人，2019年）。在预测的气候变化情景下，这种理解变得更加紧迫，因为半干旱地区预计会出现更高的温度和更低的降水量，从而增加其生态脆弱性（Freitas等人，2021年；Marengo等人，2017年）。 这些发现有助于我们理解水流，并支持制定旨在保护该地区原始植被和水资源可用性的政策。我们假设将卡廷加原始植被替换为退化牧场会改变生态水文过程的季节性和强度，在缺水期间降低生态系统的韧性，改变水文循环的组成部分，并影响微气候条件和植物生长。在这项研究中，我们评估了在巴西半干旱地区将卡廷加原始植被替换为退化牧场所带来的生态水文影响。我们分析了具有卡廷加和牧场覆盖的配对微流域中水文过程的季节性动态、土壤物理和水力特性以及植被活动的生物物理指标。

微流域特征

这两个微流域位于巴西伯南布哥州塞拉塔尔哈达市的帕杰乌河流域（Pajeú River watershed），坐标为7° 59′ 31” S, 38° 17′ 59” W，海拔430米（图1）。该地区属于半干旱气候类型（BShw’），特点是炎热干燥，降雨主要集中在12月至5月之间，年平均降雨量为642毫米。 牧场微流域（MBP）面积为2.55公顷，最初种植了Urochloa mosambiensis（Hanck）草，但后来因管理不善而退化。

降雨分布和蒸气压差（VPD）

研究期间的每日降雨量表明，该地区经历了五个湿润期、四个湿润-干燥期、四个干燥期和五个干燥-湿润期（图2a）。大约80%的日降雨量低于30毫米，仅有六次降雨量超过60毫米，其中一次极端降雨量达到142毫米（图2b）。2018年和2019年的年降雨量低于历史平均水平，而2020年和2021年的年降雨量分别高出37%和69%（图2c）。

降雨分布和蒸气压差（VPD）

年内的降雨分布差异显著，对调节植物生理反应和生态系统水分动态起着关键作用。先前的研究表明，降雨分布（而不仅仅是总降雨量）对季节性干旱热带森林中的植物物候和生产力至关重要（Souza等人，2020年；Marques等人，2020年）。在我们的研究中，降雨量低的时期与较高的蒸气压差同时发生。

结论

本研究表明，将卡廷加原始植被替换为退化牧场会显著改变半干旱微流域的生态水文功能。在牧场微流域（MBP）中，我们观察到地表和土壤温度升高，整个土壤剖面的土壤湿度降低，地表径流量也大于卡廷加微流域（MBC）。这些变化与土壤结构退化、表土渗透能力下降有关。

CRediT作者贡献声明

何塞·拉利乌松·伊纳西奥·席尔瓦（Jose Raliuson Inacio Silva）： 负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、数据整理、概念构建。 罗多尔福·索萨（Rodolfo Souza）： 负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、研究实施、数据分析、概念构建。 埃杜阿多·索萨（Eduardo Souza）： 负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、监督工作、资源协调、方法论设计、研究实施、概念构建。 艾伦·塞扎尔·贝泽拉（Alan Cezar Bezerra）： 负责写作、审稿与编辑、监督工作。

关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本论文的过程中，作者使用了ChatGPT工具来辅助翻译初稿。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了“卡廷加生物群落国家水与碳动态观测站”（NOWCDCB）的支持，该观测站得到了FACEPE（项目编号：APQ-0296-5.01/17、APQ-0498-3.07/17、APQ-0532-5.01/14）和CNPq（项目编号：435508/2018–0、312984/2017–0）的资助。同时，我们也感谢CNPq对INCT ONDASeadapta项目的支持（项目编号：406919/2022-4）。