斑块碎片化通过改变土壤水分运移加速高寒草甸退化

《CATENA》：Patch fragmentation accelerates alpine meadow degradation through altering soil water migration

　　**摘要**- 碎片化加剧了土壤水分状况和迁移的异质性。- 侧向土壤水分流动由孤立植被（IV）和相邻裸土驱动。- IV斑块通过过度蒸散发加剧了水分损失。- 应优先恢复IV周围裸土上的植被。**引言**土壤水分是根系吸水的主要来源，并触发植被演替，在水分和养分循环中起关键作用，决定着生态系统景观格局（Humphrey et al., 2021; Rahmati et al., 2024）。同时，景观格局通过调节土壤水分及其空间再分布，反过来调节生态系统的结构和功能稳定性。因此，对土壤水分及其动态迁移过程和景观格局的深入研究，对于阐明生态系统退化机制和支持生态恢复具有重要的理论意义和实际应用必要性（Seneviratne et al., 2010; Zhao et al., 2026）。高山草地生态系统广泛分布于全球的高山和高原地区（Rundel and Millar, 2016）。其功能动态深刻影响全球水文循环、碳循环和生物多样性（Immerzeel et al., 2010; Fu et al., 2021; Zhang et al., 2023）。然而，由于气候条件恶劣，高山草地构成了一个独特而脆弱的生态系统（K?rner, 2007; Wang et al., 2022）。外部干扰导致全球约30%的高山草地出现不同程度的退化（Du et al., 2015; Na et al., 2025）。青藏高原（QTP）是全球高山草地的核心分布区，其约16.5%的高山草地退化为植被覆盖率低于30%的"黑土滩"，其生态系统服务价值降至原来的5%–10%（Liu et al., 2025a）。长期过度放牧导致的牲畜践踏、小型啮齿动物掘洞以及人为工程扰动侵蚀了泥皮层，导致该层局部开裂和塌陷，进而形成分散的裸斑块。在持续扰动以及冻融、风蚀和水蚀作用下，这些裸斑块逐渐向外扩展，最终在草地景观中形成碎片化的斑块格局（Maestre et al., 2016; Zhang et al., 2021a）。不同类型的斑块及其空间组合改变了植物群落结构、生物量和土壤物理化学性质（Rossi and Ares, 2016; Shang et al., 2018; Qin et al., 2024）。这种生物和土壤变化进一步导致了大气、地表和土壤之间能量和水通量交换的差异，从而影响了土壤水分迁移过程——包括垂直入渗、侧向地下流动和蒸散发——并最终驱动水资源的重新分配，加剧土壤水分的空间异质性（Zhang et al., 2024; Xu et al., 2025; Wang et al., 2026）。由此产生的生态水文效应可能会诱发和加剧高山草地退化。值得注意的是，高山草地斑块具有规模小、密度高和几何形状不规则的特征。这种小尺度碎片化斑块格局及其相关的土壤水分迁移过程难以通过遥感和实地测量进行重复性研究。获取高时空分辨率数据的困难阻碍了现有研究全面整合表征关键土壤水分迁移过程的参数。因此，斑块格局、土壤水分迁移和草地退化之间的耦合路径仍不清楚，这阻碍了退化高山草地的精确恢复和高效管理。QTP包含了全球4000米海拔以上陆地生态系统的83%（Miehe et al., 2019）。高山草地是QTP的优势植被类型，覆盖其总面积的约一半，在维护高原生态安全屏障功能方面起着重要作用（Dong, 2023; Gao et al., 2025）。近几十年来，QTP上三分之一的高山草地经历了显著退化，伴随着碎片化斑块格局的形成（Du et al., 2015; Zhang et al., 2021a）。现有研究表明，原始植被斑块（OV）、孤立植被斑块（IV）和各种类型的裸土斑块（BP）在土壤水分和蒸散发方面存在显著差异（Zhang et al., 2020）。此外，IV已被确定为一种水分敏感型斑块类型，具有高土壤含水量和强烈蒸散发的特征（Zhang and Zhang, 2025）。基于上述发现，我们提出以下假设：IV通过水势梯度驱动的饱和流从周围BP吸收水分。该过程维持了较高的土壤含水量，为可能诱发或加剧高山草地退化的强烈蒸散发提供了基本先决条件。为验证该假设，本研究结合多相机航空摄影和实地观测，阐明了碎片化对高山草地土壤水分迁移过程的影响及其潜在机制，旨在为退化草地的恢复和管理提供理论支持和实践指导。具体目标包括：(1) 分析关键土壤水分迁移过程中植被-裸土过渡带典型斑块类型的异质性；(2) 阐明IV在土壤水分迁移过程中的调控作用；(3) 揭示碎片化对高山草地退化的潜在机制及其对生态恢复和管理的启示。**章节摘要****研究区域**研究区域位于QTP东北部的疏勒河流域源头区（图1a、b）。该地区具有典型的大陆性干旱沙漠气候，年均气温为?4°C，年降水量为200至400毫米（Qin et al., 2019; Zhang and Zhang, 2025）。主要土壤类型为高山寒漠土和高山草甸土，植被以典型的高山草甸物种为主，主要是细柄茅（*Kobresia capillifolia*）和苔草（*Carex moorcroftii*）（Yi et al...）。**植被-裸土过渡带的土壤含水量异质性**在0–10厘米、10–20厘米和20–30厘米土层中，OV、IV、IV-BP和BP的土壤含水量存在显著差异（图4）。总体而言，植被斑块的土壤含水量明显高于裸土。沿植被-裸土过渡带，土壤含水量呈逐渐下降趋势，从OV依次下降到IV、IV-BP和BP（图4）。具体来说，OV在所有组中具有最高的土壤含水量，0–10厘米、10–20厘米和...**高寒草地碎片化对土壤含水量垂直入渗的影响**高寒草地碎片化产生了不同类型和大小的植被和裸土斑块（图1c），改变了土壤物理性质（如孔隙结构、颗粒密度和容重）以及地表截留-径流条件。这些变化加剧了土壤水分垂直入渗能力的空间异质性，尤其是在根系集中的0–20厘米土层中（图6）。植被斑块具有发达且相互连接的根系，...**结论**通过实地测量和基于无人机的航空摄影，我们研究了碎片化高山草地中控制土壤水分迁移的关键水文过程。结果表明，植被斑块格局通过三个相互关联的过程调节土壤水分迁移：土壤水分垂直入渗、水平侧向流动和蒸散发。在土壤水分输入方面，斑块格局通过改变土壤物理化学...**CRediT作者贡献声明****Wei Zhang（张伟）：** 撰写——初稿，方法学，调查研究，资金获取，正式分析。**Jinglin Zhang（张静林）：** 撰写——审阅与编辑，项目管理，资金获取，概念构思。**Yu Qin（秦玉）：** 验证，资源，调查研究，概念构思。**Yi Sun（孙毅）：** 验证，方法学，调查研究。**Hanjian Xu（徐汉建）：** 软件，调查研究，数据整理。**Han Gao（高翰）：** 可视化，软件，数据整理。**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能已经影响或可能影响本文所报告的工作。**致谢**本研究由中国国家自然科学基金（42301146）、安徽省高校青年和中年教师培养行动计划——青年骨干教师培养重点项目（YQZD2025086）以及滁州大学人才启动项目科研发展基金（2023qd01）联合资助。**作者：** Wei Zhang | Jinglin Zhang | Yu Qin | Yi Sun | Hanjian Xu | Han Gao