中国黄土高原植被恢复力与水文气候关联：林草恢复速率的非单调动态、干旱梯度分异及土壤水分主导作用

《Journal of Environmental Management》：Hydroclimatic associations with vegetation resilience in China's Loess Plateau

　　

中国黄土高原植被恢复力的水文气候关联。森林和草地恢复力表现出显著不同的非单调时间动态。像元尺度上植被恢复力与绿度变化呈弱同步。植被恢复力与水分可利用性和温度相关。土壤水分是森林和草地中排名最高的预测因子。

研究背景方面，干旱和半干旱生态系统对水文气候变异高度敏感，因为植被生长与恢复受到水分可利用性的强烈约束。在中国黄土高原（Loess Plateau, LP），退耕还林工程（Grain-for-Green Program, GFGP）等大规模生态恢复提高了植被覆盖和绿度，并改善了土壤保持和碳固存等功能。但绿度增加并不必然代表生态系统稳定性增强，较密植被可能改变土壤水分可利用性并增加对气候波动的脆弱性。因此，评估恢复后旱地生态系统的可持续性不能仅依赖植被绿度，还需考察与恢复相关的植被恢复力（vegetation resilience）在不同水文气候条件下的表现。既有研究表明，恢复相关植被恢复力在气候梯度上差异明显，水分可利用性通常限制植被恢复，降水变异、温度条件及气候变率会通过蒸散需求、土壤水量平衡和植物生理过程改变恢复力；然而，这些关系在不同生态系统间并不一致，全球跨生物群研究可能掩盖区域内部的情境依赖关系。LP是气候过渡带，大规模恢复导致明显绿化，但可能增强蒸散需求并消耗土壤水分。此前LP研究主要关注恢复力的时间变化及其与部分气候因子的关系，长期恢复相关恢复力的空间水文气候背景仍不清楚，尤其土壤水分、降水、潜在蒸散（potential evapotranspiration, PET）、温度、干旱指数（aridity index, AI）及气候变率不同维度与局地恢复力的关系，以及这些关系在森林和草地或干旱梯度上的差异仍不明确。

研究人员使用MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）植被指数时间序列，在LP稳定森林和草地生态系统中估计2000—2023年AR1导出的恢复速率λ，并分析恢复相关植被恢复力与局地气候要素的关联。研究目标为：表征恢复相关植被恢复力的空间分布和时间动态；量化其与局地水文气候条件在植被类型和干旱梯度上的关联。该研究有助于识别与较高或较低恢复相关稳定性相联系的水文气候情境，为旱地生态系统气候适应型管理提供依据。

关键方法概括不超过250字：研究人员采用MODIS MOD13Q1产品的增强植被指数（Enhanced Vegetation Index, EVI）和归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index, NDVI）（250 m、16 d）以及MOD15A2H产品的叶面积指数（Leaf Area Index, LAI）（500 m、8 d），时间覆盖2000年2月至2023年12月；使用中国土地覆盖数据集（China Land Cover Dataset, CLCD）提取2000—2023年稳定森林和草地；气候数据来自National Tibetan Plateau Data Center，土壤水分数据来自Song et al.。基于临界慢化（critical slowing down, CSD）理论，以去趋势和去季节残差计算AR1和方差导出的恢复速率λ，采用5年移动窗口估计长期恢复力，使用Kendall τ评估趋势，随机森林（Random Forest, RF）与Shapley加性解释（Shapley additive explanations, SHAP）评估预测重要性，局部加权散点平滑（locally weighted scatterplot smoothing, LOWESS）分析非线性关系，并按AI分区分析；EVI为主，NDVI和LAI用于稳健性检验。

研究结果中，3.1 植被恢复力的空间分布与时间趋势：LP森林约占四分之一，主要分布于东南山地；草地约占四分之三，主要分布于中部。EVI在南部最高，东部和西部次之，中部草地最低。森林和草地恢复速率的绝对值随植被绿度增加而增大，即绿度较高区域恢复力较高。研究人员按各植被类型内部分位数定义相对低恢复力（森林|λ|≤0.6861，草地≤0.2738）和高恢复力（森林|λ|≥0.9271，草地≥0.5542），各约占相应类型有效像元的20%。森林高恢复力集中于其中心部分，低恢复力主要位于边缘；草地高恢复力主要分布于LP中东部和西部高地，低恢复力主要位于两者之间。2000—2023年，AR1导出恢复速率显示森林和草地恢复力呈非单调变化：森林恢复力先增加，约2008年后波动，约2014—2015年后总体下降；草地恢复力增加至约2010年后总体下降，方差导出的估计呈类似格局。像元尺度Kendall τ分析表明，恢复力整体相对稳定，42%像元为正Kendall τ，但经错误发现率（false discovery rate, FDR）校正后仅0.76%像元显著下降，4.4%显著增加，94.8%无显著趋势。EVI区域平均在森林和草地均持续增加，99%像元为正Kendall τ，其中81.9%显著绿化，0.1%显著褐化。显著绿化像元中，4.3%同时恢复力显著增加，0.6%恢复力显著下降；恢复力与绿度变化总体弱同步，但在两者均显著变化的像元中，绿化与恢复力增强同时出现占87.6%。

3.2 不同植被生态系统中植被恢复力与气候要素的关系：RF模型对森林和草地恢复力的预测性能分别为池外折叠R²=0.415和0.778。生长季平均土壤水分是两类植被的主导单预测因子，分别占森林和草地平均绝对SHAP重要性的23.2%和33.6%。森林其余预测因子重要性较分散且在bootstrap间不稳定，但月最低温年内变率和年最高温有贡献。草地的土壤水分年际变率为稳定的第二预测因子，占16.4%，其后为年均温年际变率、年最高温和年均AI。水分相关变量方面，较高土壤水分和较高年降水，即较高水分可利用性，与较高恢复力相关。AI从干旱到半湿润区与恢复力正相关，但在湿润区该关系反转，草地尤为明显。温度相关变量方面，年内温度变率增加与区域恢复力负相关，该格局在最高、最低和平均温度变率中均一致；草地较低年内温度变率下该关系更明显。年最高温总体与恢复力负相关。草地特定响应中，土壤水分年际和年内变率较低区域恢复力较高，但PET年际变率较高和降水年内变率较高区域草地恢复力也较高。

3.3 沿干旱梯度的植被恢复力与气候要素关系：按AI分区，因干旱区植被像元过少，研究聚焦半干旱、干半湿润和湿润区。年最高温与森林恢复力的负相关在半干旱区最强。仅在年最高温较低的湿润区，较高最高温与较高草地恢复力相关；半干旱区最高温与草地恢复力关系较弱；干半湿润区在约23 °C以下，拟合曲线提示年最高温与草地恢复力负相关。湿润且季节性强（WLSI>0.6）区域，草地恢复力与PET年内变率呈强负空间关联。其他气候要素与恢复力关系沿干旱梯度大体一致。

讨论部分，4.1 植被绿度与恢复力：恢复力总体上在绿度较高区域更高，但时间变化仅弱同步。较高绿度通常反映更强生产力、较密冠层和更活跃碳同化，可增强抗环境波动和扰动后恢复能力；在水分受限生态系统中，较高植被覆盖还可能改善微气候缓冲、土壤结构和保水，从而支持恢复力。但持续绿化可能增加蒸散和植被耗水，加剧土壤水分消耗，并增强对大气水需求和VPD的敏感性。林龄、物种组成、放牧管理等也可在无土地覆盖转换情况下改变恢复力。因此，绿度和恢复力是不同生态系统属性，管理不应只维持或最大化植被覆盖，还应平衡植被状况与区域水承载力并提高干旱适应性。

4.2 水文气候关联：水分可利用性是植被恢复力关键决定因素。土壤水分在RF中重要性最高，高于降水；土壤水分年内和年际变率较高与较低恢复力相关。但土壤水分与降水、PET和AI密切相关，其高重要性可能反映综合水文气候水分条件，不应解释为独立因果效应。AI与恢复力呈单峰关系，先增后降，拟合峰值森林约0.76，草地约0.82。干端受水分限制，湿端可能受云覆盖、辐射、较高植被密度和耗水等影响。近期LP降水和AI增加，干旱侧可能向较高恢复力条件转变，湿区受益不明显。水文气候变率在某些情况下与较高恢复力相关，尤其干半湿润区草地：较高PET年际变率和较高降水年内变率与较高恢复力相关，可能反映对干湿交替的耐受和土壤水缓冲。温度也是重要关联因子：湿润区较低最高温范围内草地恢复力随年最高温增加，约15 °C以上正关联减弱；过高增温与森林和草地恢复力下降相关，尤其半干旱森林和干半湿润草地。年内温度变率增加通常与较低恢复力相关，可能破坏季节同步并增加生态压力。森林和草地λ基线不同，森林λ范围较窄且RF解释比例较低，可能反映根系深度、冠层结构、生物多样性和根区储水差异。

4.3 稳定生态系统管理意义：气候变化加剧水文气候变率和升温，LP还叠加大规模恢复遗留和地形异质，导致植被结构、水需求和局地水承载力空间差异显著。恢复力并非区域均匀增强或退化，而受气候基线，尤其温度和干旱条件组合，以及植被类型调节。尽管恢复力评估空间分辨率为250 m—1 km，这些大尺度格局仍可指导识别需重点监测和管理区域。研究人员提出“动态监测—分区干预—迭代调整”的适应管理框架，持续监测土壤水分、VPD、植被绿度和恢复力指标，设计地点特异恢复路径，并根据气候趋势和极端事件调整物种组成与管理强度。这些管理启示适用于长期稳定森林和草地，不应直接外推至土地覆盖转换或活跃恢复区。

4.4 恢复力评估不确定性：研究假设单一生态系统稳定状态和均值回复动态，但旱地可能在不同水文气候条件下存在多稳定状态，CSD指标应谨慎解释为恢复相关生态系统稳定性指标，而非整体生态恢复力或临界转变证据。研究仅分析2000—2023年始终保持森林或草地的像元，结论主要适用于长期稳定林草生态系统，而非整个LP恢复区；未处理物种级响应，混合像元可能影响估计；将250 m恢复力聚合至1 km气候网格可能平滑局地异质性；模型土壤水分数据在旱区可能存在不确定性；空间自相关可能影响RF和LOWESS关系强度与精度。

研究结论翻译：研究人员利用卫星衍生植被指数，基于AR1导出的恢复速率指标，评估了2000—2023年LP恢复相关植被恢复力。EVI、NDVI和LAI导出的恢复力指标一致，支持评估框架的稳健性。植被恢复力通常随绿度增加，而各植被类型内部空间差异模式不同：森林呈内部—边缘对比，草地呈更广泛的区域对比。研究期间植被绿化广泛，但像元尺度恢复力总体相对稳定：仅0.76%像元显著下降，4.4%显著增加，94.8%无显著趋势。恢复相关植被恢复力空间格局与多个水文气候条件相关。生长季土壤水分是森林和草地最高排名单预测因子，但其重要性可能反映综合水分条件而非独立因果效应。在干旱至半湿润区，恢复力通常随水分可利用性增加，并与AI呈单峰关系；其与水文气候变率关系沿干旱梯度不同。较高温度通常与较低恢复力相关，草地气候敏感性高于森林。这些发现突出气候适应型生态系统管理的重要性，并支持对旱地生态系统大规模恢复力指标进行更情境依赖的解释。