中国黄土关键带中由人类活动引发的土壤水分同步干旱化

《Journal of Hydrology》：Simultaneous aridification of soil moisture driven by anthropogenic activities in China’s loess critical zone

　　

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  树轮δ¹⁸O记录反映了中国黄土高原的历史土壤水分变化情况。
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  自工业革命以来，土壤水分一直处于同步下降的趋势。
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  人类活动是导致土壤水分同时出现干旱化趋势的主因。

引言

尽管土壤水分仅占全球淡水总量的0.05%（Robinson等人，2019），但它对维持陆地生物生存以及调节陆地水循环起着至关重要的作用（Vereecken等人，2022）。地球的临界带——从植被冠层顶部延伸到地下水层的广阔区域——涵盖了大气圈、生物圈、土壤圈、水圈和岩石圈等多个圈层（Lin，2010）。这一区域对于维持生态系统功能以及支持人类生活至关重要（Richter和Mobley，2009）。作为贯穿整个临界带的介质，土壤水分在其中的能量与物质迁移和转化过程中发挥着关键作用（Kumar等人，2018）。土壤水分的时空动态变化会深刻影响陆地生态系统的生产力以及气候变化（Li等人，2025a；Humphrey等人，2021；Liu等人，2020a）。尤其是0–10厘米深度的表层土壤水分，它是陆气相互作用中的重要界面（Liu等人，2020a）。它不仅直接影响植被生长和作物产量（Su等人，2021），还会通过调控径流与下渗的平衡来影响区域水文过程（Qiu等人，2024），因而具有重要的生态学和水文学意义。然而，随着全球气候变化和人类活动的加剧，自20世纪中叶以来，世界大部分地区的土壤水分一直在持续下降，尤其是在干旱和半干旱地区（Wang等人，2024；IPCC，2021）。这一趋势对粮食安全、水资源管理以及生态系统稳定性构成了严重威胁。在此背景下，深入研究表层土壤水分的历史演变规律及其与气候和人类活动的相互作用机制，对于预测未来变化并制定适应策略而言极为重要。遗憾的是，由于缺乏长期的实地土壤水分观测记录，现有研究主要依赖于1950年之后的仪器数据以及再分析数据集（Wang等人，2024；Zhu等人，2022；Tong等人，2020）。这一限制严重阻碍了人们对土壤水分历史变化特征的全面理解。为了系统地揭示土壤水分的演变规律，当务之急是寻找高分辨率、长时序的代用指标来重建土壤水分的历史变化情况。这样的重建工作对于准确捕捉年度间的波动与极端事件、确定干湿转变的精确转折点，以及区分自然变率与人为因素的相对贡献具有重要意义（Zhang等人，2020）。

树轮具有年代测定准确、分辨率高且连续性好的优点，因此是用于长期土壤水分重建的有效方法（Kosti?等人，2021；Zhang等人，2020；Williams等人，2020）。尤其是树轮中的稳定氧同位素δ¹⁸O，其数值主要受树木吸收的土壤水δ¹⁸O值以及叶片蒸腾过程中的同位素分馏作用的影响（Liu等人，2015；McCarroll和Loader，2004）。后者主要是由水汽压差和气孔导度驱动的，而这两者都与大气相对湿度密切相关（McCarroll和Loader，2004；Roden等人，2000）。至关重要的是，这两种控制因素都与土壤含水量紧密相关（Liu等人，2020a）。因此，树轮δ¹⁸O是捕捉土壤水分变化的理想代用指标（Wang等人，2023；Zhu等人，2012）。尽管树轮δ¹⁸O已被广泛用于重建亚洲过去几个世纪的水文气候变化情况（Xu等人，2024），但大多数研究都集中在重建降水量和大气相对湿度上（Cai等人，2026；Liu等人，2025；Yang等人，2021）。相比之下，那些明确利用这一代用指标来量化历史土壤水分变化的研究仍然相对较少。目前基于树轮δ¹⁸O的土壤水分重建工作大多集中在湿润地区（Wang等人，2023、2022），而在干旱和半干旱地区则极为罕见。然而，在干旱和半干旱地区重建长期的土壤水分变化情况，对于了解该地区的生物多样性及植被动态、评估土壤碳汇功能及其对气候的反馈作用，以及识别农业生态干旱风险而言具有至关重要的意义（Li等人，2025a；Wang和Liu，2024；Humphrey等人，2021；Zhang等人，2020）。

中国黄土高原拥有世界上最为广阔且深厚的黄土沉积层，同时也拥有最丰富的古环境记录，是研究地球临界带的典型区域（Wang等人，2024）。自1999年中国政府实施“退耕还林”工程以来，该地区的植被覆盖度显著提升（Li等人，2017）。然而，由此带来的高强度土地利用变化也加剧了植被的蒸散耗水，导致了严重的土壤水分不足，进而威胁到了区域生态系统的稳定性和水资源安全（Wang等人，2024；Qiu等人，2021）。虽然基于树轮宽度和树轮δ¹⁸O，人们在黄土高原的古气候重建方面已经取得了显著进展，比如温度和降水的重建（Li等人，2025b；Liu等人，2019a；Chen等人，2013；Fang等人，2012），但在长期土壤水分重建方面仍存在较大的知识空白。此外，黄土高原的东北部和西南部在气候背景、植被类型以及人类活动强度方面也存在显著的空间异质性（Chen等人，2025）。因此，在黄土高原开展土壤水分重建及相关比较研究，不仅能揭示土壤水分的时空演变规律，阐明不同环境背景下生态恢复对土壤水分的不同影响，还能为全球其他面临类似土地利用挑战的干旱和半干旱地区的生态恢复以及干旱风险评估提供科学依据。另外，近期的一些研究表明，自工业革命以来，人类活动可能通过多种途径加剧了黄土高原的干旱化趋势，比如硫酸盐气溶胶排放（Liu等人，2019a）、温室气体浓度上升（Li和Zhang，2021）以及大规模的土地利用变化（Bai等人，2023）。然而，这些人为因素和自然变率是如何共同驱动黄土高原长期土壤水分变化的，以及它们之间的相对贡献和协同作用机制，目前仍不清楚。

因此，本研究基于这两个区域各两个监测点的树轮δ¹⁸O序列，重建了东北部和西南部夏季土壤水分的历史变化情况。本研究旨在解决以下关键问题：（1）揭示东北部和西南部夏季土壤水分的变化特征，并分析两者之间的区域相似性与差异性；（2）分析工业革命前后土壤水分的差异；（3）探究土壤水分变化的驱动机制，包括自然外部强迫、人类活动以及内部气候变率。研究结果将为理解黄土高原长期的生态干湿变化提供重要的古气候证据，同时为生态风险评估以及制定兼顾生态恢复与水资源可持续发展的策略提供重要的科学依据。

章节要点

研究区域与树轮δ¹⁸O数据

中国黄土高原位于中国西北部，是中国典型的黄土临界带，深受亚洲夏季风的影响，属于生态敏感且脆弱的区域（图1）。我们选择了以下四组已发表的树轮δ¹⁸O序列，分别是来自黄土高原东北部的宁武（北纬38°50′，东经112°05′）（Li等人，2011）和鄂尔多斯（北纬39°22′–39°26′，东经110°42′–110°45′）（Liu等人，2019b）；以及石门山（北纬34°27′，东经106°09′）（Liu等人，2020b）和翠峰山（北纬33°47′，

树轮δ¹⁸O与土壤水分及气候因素的皮尔逊相关性分析

我们对东北部和西南部各两个综合树轮δ¹⁸O序列以及单个树轮δ¹⁸O序列与0–10厘米深度土壤水分进行了相关性分析（图3和S3）。东北部两个树轮δ¹⁸O序列与0–10厘米深度土壤水分的相关模式较为相似，其中7月至8月的关联度最强（图S3）。具体而言，宁武地区的树轮δ¹⁸O序列与7月至8月的土壤水分的相关系数为-0.717（p值小于0.001），这一数值与

树轮δ¹⁸O如何记录夏季土壤水分变化？

树轮δ¹⁸O能够反映水文变化，这与δ¹⁸O的分馏机制有关（McCarroll和Loader，2004）。树轮δ¹⁸O主要取决于树木吸收的土壤水的δ¹⁸O值（Liu等人，2015）。土壤水被根部吸收后，其δ¹⁸O信号会通过木质部传输到叶片，在那里经过蒸腾和光合作用，最终固定在树轮中（Liu等人，2015）。至关重要的是，没有显著的同位素

结论

基于东北部和西南部各两个监测点的树轮δ¹⁸O序列，本研究首次重建了东北部（公元1675–2012年）和西南部（公元1556–2015年）0–10厘米深度夏季土壤水分的变化情况。这些重建结果分别解释了仪器记录中53.3%和43.8%的变异量。自工业革命以来，东北部和西南部的土壤水分都呈现出明显的同步干旱化趋势，其下降速度分别为

CRediT作者贡献说明

任萌：撰写——初稿、监督、方法论、研究、正式分析、概念构建。刘宇：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、研究、概念构建。宋慧明：撰写——审阅与编辑、方法论、研究。蔡秋芳：撰写——审阅与编辑、研究。李强：撰写——审阅与编辑、方法论。孙长风：撰写——审阅与编辑、正式分析。段向宇：方法论、正式分析。胡泽坤：

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：42371073、42502179、42361144712、42472251）、中国科学院的战略重点研究计划、山东省基金（编号：LSKJ202203300）、陕西省自然科学基础研究计划（编号：2024JC-ZDXM-17、2023-JC-QN-0307）以及中国科学院（编号：XAB2021YN04）的支持。

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