在两种水分供应情景下，通过生物恢复和植被功能类型（PFTs）的再野化（BRR）来模拟土壤稳定化过程

《Journal of Environmental Management》：Modeling soil stabilization via biological restoration and rewilding (BRR) of plant functional types (PFTs) under two water availability scenarios

锡斯坦脆弱干旱区中，基于植物功能类型（PFTs）和空间多准则决策分析（SMCDA），研究揭示了不同水文情景下土壤稳定措施的适宜性。结果显示生物稳定区在洪水情景中大幅缩减，而物理稳定需求持续存在，强调需综合生物恢复与物理干预进行生态治理。

　　

作者：Malihe Erfani、Mahdieh Ebrahimi、Zohreh Barichi

伊朗锡斯坦-俾路支斯坦省扎博尔大学自然资源学院环境系

摘要

在干旱地区恢复和重新引入野生植被在很大程度上依赖于有限的水资源。情景规划可以在不确定性下支持决策制定，尤其是在土壤稳定方面。根据植物的生态需求，可以将它们分为不同的功能类型（PFTs），从而使模型能够关注功能组而不是单个物种。本研究确定了伊朗锡斯坦地区适合这些功能类型的区域，该地区面临严重的土壤侵蚀和水资源供应不稳定的问题。基于稳定土壤所需的植物特性对PFTs进行了分类。通过空间多标准决策分析（SMCDA），我们在水文退化和恢复两种情景下绘制了适合每种功能类型的地点地图。分析中考虑了关键的土壤特性以及环境限制因素。结果表明，哈蒙湿地的洪水扩大了水生和盐生植物的潜在生长区域，但减少了多种植物群的生长面积。将适宜性地图与侵蚀敏感性叠加后发现，在两种情景下都需要进行物理稳定处理的区域分别为139,993公顷（HDS情景）和67,356公顷（HRS情景），而在洪水条件下适合生物稳定处理的区域则显著减少至99,131公顷至24,412公顷。这些结果表明，在侵蚀敏感区域，仅依靠生物方法是不够的。本研究为生态管理和生物多样性保护提供了可行的见解，并对全球退化干旱地区的植被恢复和重新引入野生植被具有实际应用价值。

引言

干旱和半干旱系统占据了地球上约41%的植被覆盖面积，面临着植被丧失、土壤侵蚀和荒漠化的严重威胁（Liu等人，2023年；Maestre等人，2021年）。这些地区居住着全球38%的人口，他们的生计依赖于畜牧业、牧场和雨养农业（Burrell等人，2020年）。这些地区的主要问题是水资源稀缺且不稳定，这通过气候变化和降雨量的变化影响了植被覆盖的稳定性（Liu等人，2023年）。政治和社会经济问题进一步加剧了这些挑战（Erfani等人，2021年）。然而，由于水资源的时空波动性，基于情景的方法对于战略规划和政策制定至关重要（Wu等人，2025年）。

恢复干旱和沙漠土地最有效的方法之一是通过植树造林进行生物修复，这种方法被称为近自然修复（Zheng等人，2021年）。虽然修复旨在将特定物种重新引入生态系统，使其尽可能接近原来的理想状态，但重新引入野生植被则侧重于在经历了重大且通常是不可逆变化的地区恢复生态系统的功能和过程。与修复相比，重新引入野生植被在分类学上的忠实度较低（du Toit和Pettorelli，2019年）。在本研究中，我们将这两种方法结合起来称为生物修复和重新引入野生植被（BRR）。选择适应当地气候和土壤条件的本地植物物种至关重要。这些物种具有多样的功能特性，包括对干旱、盐分等环境压力的耐受性以及资源利用效率。植物功能特性是与生长、繁殖和生存相关的可测量属性（Liu等人，2024年）。相比之下，植物功能类型（PFTs）是根据这些功能特性对物种进行的非系统发育分类（Poulter等人，2015年）。

通常，PFTs是根据特定特征（如物种形态、生理特征或生活史）划分的，这些特征根据研究目标和规模进行定制（Duckworth等人，2000年）。在建模和确定适合植被发展的区域时使用PFTs可以简化生态复杂性，并解决基于物种特定方法的许多局限性（Liu等人，2023年）。通过关注功能特性，PFTs避免了详细的分类需求，可能更深入地了解植物对环境变化的响应（Cranko Page等人，2024年）。此外，PFTs概念允许研究人员使用有限的功能类型进行工作，而不是管理许多单独的物种（Ustin和Gamon，2010年）。此外，PFTs在大空间和时间尺度上更高效，比传统的分类方法更为实用（Poulter等人，2015年；Ustin和Gamon，2010年；Wullschleger等人，2014年）。总之，为了理解生态系统功能和响应，基于植物功能的分类比基于植物分类的方法更为实用（Cranko Page等人，2024年）。

尽管PFTs相比单个物种具有优势，但其应用情况有所波动。最初，PFTs被广泛用于简化气候和生态模型中的植物多样性（Bonan等人，2002年；Smith等人，1997年），并在20世纪90年代到21世纪初成为许多全球生态系统模型的基础（Bonan等人，2002年；Sitch等人，2003年）。后来出现了批评意见，指出宽泛的PFT分类无法捕捉到环境压力下的生态多样性（Díaz等人，2016年；Violle等人，2007年），这促使人们转向基于特征的方法（Funk等人，2017年）。自2020年以来，通过对混合方法（如基于谱系的功能类型（Griffith等人，2020年）的兴趣以及重新使用传统的PFT模型来改进区域和全球地球系统研究中的预测（Cranko Page等人，2024年；Li和Prentice，2024年），人们对PFTs的兴趣再次兴起。

PFTs的这种反复应用表明，它们作为一种生态上可行且可扩展的方法具有价值，特别是在生态数据较少、全球数据库不完整且野外采样困难的干旱和半干旱地区。PFTs允许在没有详细物种特定信息的情况下进行功能分类，从而加快区域层面的决策过程。可以根据研究目的调整功能特性。例如，已经定义了16个全球PFT组，这些组基于生长策略、繁殖和生存适应性，用于研究地理模式及其与气候的关系（Li和Prentice，2024年）。这些组有助于预测生态系统功能，如碳、水和能量交换，利用叶型、叶形、植物类型、生长形式和生理特征等特性（Cranko Page等人，2024年）。

鉴于植被在减少土壤侵蚀、增强生物稳定性和恢复生态功能方面的关键作用，许多研究旨在识别和优先考虑适合植物建立的区域。这些研究可分为两类：

1- 针对特定物种的研究。这类研究可分为三个子组：a) 不使用物种存在数据的研究，仅限于少数植物物种（Abbasi Khalaki等人，2020年；Alayan和Lakner，2024年；Leblanc等人，2025年；Rossi等人，2023年；Sahraei等人，2023年；Sa?di等人，2018年；Shojaei等人，2018年；Utama等人，2020年；Yadav等人，2024年）。b) 基于物种存在数据和生态位建模方法的研究，针对少数植物物种（Fernández和Morales，2016年；Jian等人，2022年；Xiao等人，2019年；Zhao等人，2025年；Zheng等人，2021年）。c) 同时模拟多种物种适宜位置的模型，以决策支持系统的形式（Leblanc等人，2025年；Yadav等人，2024年）。在这类研究中，研究的物种主要是受威胁物种（Fernández和Morales，2016年）、防止土壤侵蚀的覆盖物种（Jian等人，2022年；Shojaei等人，2018年；Xiao等人，2019年；Zhao等人，2025年；Zheng等人，2021年）、具有多种功能的多用途物种（如为人类和牲畜提供燃料、木材和食物（Rossi等人，2023年），或具有特殊生态重要性的物种（Sahraei等人，2023年）。

2- 不针对特定物种的研究，而是确定适合建立饲料灌木（Sa?di等人，2018年）、恢复牧场（Abbasi Khalaki等人，2020年）或重新造林（Alayan和Lakner，2024年）等目的的区域。这类研究更侧重于生态系统功能的恢复，特别是在受到火灾、雨养农业或过度放牧影响的地区。在这两组研究中，土地利用、人类威胁指数、气候条件、地形和土壤特征、地质以及侵蚀指数等变量被最广泛地用于建模（Abbasi Khalaki等人，2020年；Fernández和Morales，2016年；Jian等人，2022年；Rossi等人，2023年；Sahraei等人，2023年；Sa?di等人，2018年；Shojaei等人，2018年）。

对以往研究的分析表明，大多数研究都是基于评估一种或少数植物物种。这些研究经常使用仅基于存在的生态位模型，这可能存在偏见，并且无法检测到许多潜在的适宜地点（Botella等人，2020年）。这个问题在由于人类活动和牲畜放牧而遭受严重退化的干旱地区尤为明显，即使进行了适当的采样工作。因此，在干旱和退化地区进行的研究中，生态位建模方法往往没有被应用。

此外，只有少数研究考察了更广泛的物种集合，但没有一项研究根据生态角色和特性将植物分类为PFTs。此外，干旱地区的一个关键因素——水资源的不确定性很少被考虑。本研究通过使用PFTs并定义两种水资源可用性情景，解决了这些空白，以确定伊朗最干旱地区之一（锡斯坦）适合生物修复和重新引入野生植被的区域。风蚀和变化极大的希曼德河流量是该地区的主要环境挑战（Barichi等人，2025年），这些因素在定义情景和土壤稳定方法时被考虑在内。本研究使用了四种具有土壤稳定能力的PFTs，并绘制了易受侵蚀地区的适宜和不适宜生物修复和重新引入野生植被的区域地图，从而明确了需要生物稳定与物理稳定干预的区域，支持了明智的土地管理决策。

研究区域

锡斯坦-俾路支斯坦省位于伊朗东南部，是该国最大的省份，面积为187,502平方公里（占伊朗总面积的11.5%），与阿富汗和巴基斯坦接壤，边界长度为1210公里。本研究重点关注该省的北部地区——锡斯坦地区（15,197平方公里），包括扎博尔、扎哈克、哈蒙、希曼德和尼姆鲁兹（图1）。从生态学角度来看，该地区属于伊朗内部干旱平原，是最脆弱的干旱地带之一。气候属于炎热沙漠型（BWh），年降水量低于60毫米，平均气温为28摄氏度。

哈蒙湿地淹没条件的约束标准

约束标准以布尔层的形式呈现，用于两种情景：HRS和HDS（图S1）。水的存在可以防止土壤侵蚀；然而，即使在水量较大的时期，水深也较低，适合种植如Phragmites australis和Typha latifolia等植物。因此，在这种情景下，无需在水生区域进行植被种植。因此，哈蒙湿地区域在图中用代码“零”表示

讨论

本节的前两个小节讨论了方法论方法，接下来的两个小节讨论了主要发现；两者都与以往的研究进行了比较，以强调所应用框架的稳健性和相关性。

结论

本研究使用SMCDA方法，在两种水资源可用性情景（HRS和HDS）下，确定了希曼德-锡斯坦流域易受侵蚀区域适合种植PFTs的地点。缺乏生物修复和重新引入野生植被潜力的侵蚀敏感区域被指定为需要物理稳定处理的区域。同时考虑了恢复和重新引入野生植被，其中哈蒙湿地高度退化的部分适合重新引入野生植被，而变化较小的区域则可以进行恢复。通过这种方式，之前有植被覆盖的区域

作者贡献声明

Malihe Erfani：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、项目协调、方法论设计、调查实施、数据分析、概念化。Mahdieh Ebrahimi：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、项目协调、方法论设计、调查实施、数据分析、概念化。Zohreh Barichi：撰写——审稿与编辑、软件使用、方法论设计

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究部分基于一篇硕士论文。我们向扎博尔大学表示最深的感谢，感谢他们在非财务和后勤方面的宝贵支持，这对项目的成功起到了重要作用。与本研究相关的资助编号为IR-UOZ-GR-4956。