《Journal of Arid Environments》：Ground substrate properties are associated with contrasting health conditions of
Populus euphratica forests in the lower Tarim River, China
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摘要在干旱生态系统中，地面基质的异质性可能影响植被动态。沿塔里木河下游，我们调查了浅层黏土层是否与胡杨林的生长对比有关。我们整合了微动勘探、20 厘米间隔的高分辨率土壤剖面分析和根系调查，采用配对样地设计，在每种林分类型中设置了三个重复样地。在衰退林分中识别出了一致的 180
摘要
在干旱生态系统中，地面基质的异质性可能影响植被动态。沿塔里木河下游，我们调查了浅层黏土层是否与胡杨林的生长对比有关。我们整合了微动勘探、20 厘米间隔的高分辨率土壤剖面分析和根系调查，采用配对样地设计，在每种林分类型中设置了三个重复样地。在衰退林分中识别出了一致的 180–240 厘米深度的浅层黏土层，但在生长良好的林分中缺失。在此层内，容重达到 1.38 g/cm3，粗根重量密度比生长良好的林分减少了 88%。根区（0–180 厘米，浅层黏土层之上）的土壤水分保持在 7% 以下，而该层下方（240–300 厘米）的水分约为 11–12%，数值与相同深度的生长良好林分相似。浅层黏土层还积累了比上层更高的总有机碳（0.37 g/kg）、总氮（225 mg/kg）、总磷（535 mg/kg）和总盐分。这些模式表明，浅层黏土层可能限制根系穿透，并减少根区与深层水分源之间的垂直水分连通性。这种地下视角表明，局部地面基质特性可能有助于优化干旱地区的生态输水规划。
引言
干旱生态系统正在全球范围内扩张，对沙漠河岸森林造成越来越大的压力。胡杨是干旱内陆河流域的关键种，对地下水和基质条件的变化高度敏感（Peng 等，2025）。中国拥有最大的胡杨林分布区，占全球总量的 61%，其中塔里木河流域占国家总量的 91% 以上（Chen 等，2025）。
塔里木河是中国最长的内陆河，发源于山区支流的汇合，流经极度干旱的塔克拉玛干沙漠。其流量制度历史上主要由夏季冰川和融雪洪水主导，洪水曾定期淹没泛滥平原并沉积异质性的细沙、粉砂和黏土层（Jiang 等，2025）。然而，过去几十年来，上游水资源分流和水库调节的综合作用大大减少了自然洪水的频率和范围。如今的洪水主要限于管理的生态输水（EWC），向特定河段输送脉冲地表水。因此，当代泛滥平原土壤由复杂的、横向不连续的沉积地层组成——包括局部的黏土透镜体和埋藏黏土层——继承自过去的河流动力学。在其他干旱泛滥平原，如内盖夫沙漠，也记录了类似沉积控制对河岸植被的影响，其中细粒地下层限制了水分入渗和根系访问，从而塑造了植被斑块性（Kidron 等，2025）。这些地下异质性可能作为不透水屏障，阻碍根系穿透并破坏垂直水分运动， potentially 塑造森林健康空间模式。然而，此类洪积黏土层与胡杨衰退之间的明确联系尚未量化。
塔里木河沿岸的胡杨林是中国最大的自然分布区（覆盖全国总量的 91% 以上），作为对抗塔克拉玛干沙漠扩张的生态屏障（Aishan 等，2025）。在实施天然林保护工程（NFPP）等主要生态恢复项目后，塔里木河流域的胡杨林呈现出“整体恢复但局部退化”的趋势（Arkin 等，2025）。目前关于胡杨衰退的研究主要集中在地下水动态上，大量研究证实地下水深度是决定其生长状况的关键因素（Liu 等，2025；Guo 等，2024a）。一些学者提出了"5 米阈值定律”，建议当地下水深度超过 5 米时，存活率会显著下降（Thomas 等，2017）。中国研究人员普遍认为地下水位的持续下降是胡杨退化的主要驱动力（Wang 等，2023；Zhao 等，2018）。此外，研究还探讨了适应土壤盐分压力的机制，揭示了选择性离子吸收和深根策略等使该物种能够耐受干旱和盐碱环境的策略（Mo 等，2024）。
尽管主要关注地下水，越来越多的证据强调了浅层细粒土壤层在调节植物水分有效性和根系分布中的作用。在农业和半干旱生态系统中，致密黏土硬磐、钙质层和盐渍亚土层已被证明会在物理上阻碍根系伸长（Colombi 等，2017），创造毛细屏障使浅层土壤水分与深层储备脱耦（Rossi and Nimmo, 1994），并积累可能使植物胁迫或营养受益的盐分和养分（Setia 等，2013；Six 等，2002）。然而，这些见解很少被转移到沙漠河岸森林中。目前尚不清楚内陆河流泛滥平原中的浅层埋藏黏土层是否能同时充当深根地下水生植物如胡杨的机械和液压屏障，以及由此产生的根区限制是否会在区域地下水深度稳定的情况下引发森林衰退。解决这一问题对于理解塔里木河流域观察到的局部退化模式至关重要。
然而，实地调查表明，即使在地下水深度相似的区域，生长差异也显著，这表明仅地下水深度并不能完全解释胡杨生长分化（Amme 等，2020）。值得注意的是，在我们的研究区域内，衰退和生长良好的林分均表现出远超报道的 5 米阈值的地下水深度（约 8.4 米 vs. 8.2 米），这表明除了区域地下水动态之外的因素——可能是局部地下异质性——参与其中。
为了填补这一空白，本研究调查了塔里木河下游（Jiang 等，2025）在相似条件下（例如，水、温度）胡杨林的生长差异。我们使用“地面基质”一词来涵盖包括土壤层和 underlying 未固结地质材料在内的整个地下基质（Zhu 等，2024）。通过整合微动勘探、土壤剖面测量和根系调查，我们表征了退化和生长良好林分的地下组成差异。具体而言，我们测试了以下假设：（1）浅层黏土层通过物理限制直根穿透而改变了胡杨根系的垂直分布；（2）该黏土层充当液压屏障，造成尖锐的水分不连续性，使根区与更深、更潮湿的土壤隔离；以及（3）这些综合生物物理限制与观察到的林分衰退有关。了解地面基质特性如何影响根系发育和资源可及性，对于解释斑块状森林衰退和改进干旱河岸生态系统的生态输水策略具有重要意义。
章节片段
研究区
研究区位于中国新疆巴音郭楞蒙古自治州塔里木河下游（39°40′N–40°40′N, 87°20′E?88°20′E）。该地区是中国最干旱的地区之一，具有暖温带大陆性沙漠气候。年平均降水量约为 40 毫米，而潜在蒸发量达到 3000 毫米（Zheng and Li, 2025）。地形总体平坦，高程变化极小，呈现南北微缓
结果
尽管衰退和生长良好的林分之间地下水深度相似（8.4 ± 0.1 米 vs. 8.2 ± 0.1 米，表 2），但这两种林分类型在地下地层结构、土壤水分剖面和根系分布上存在差异。以下章节描述这些差异。
讨论
仅地下水深度不能完全解释我们研究区域内相邻胡杨林分健康状况的对比，该区域地下水深度相似（~8.2–8.4 米），但林分状况差异显著（表 2）。我们的数据表明，衰退林分中存在但生长良好林分中缺失的浅层黏土层（180–240 厘米深度）可能促成这种差异。我们考察了该黏土层是否可能通过两种机制起作用：对直根的机械限制
结论
我们的数据表明，地面基质内存在浅层黏土层（180–240 厘米深度），存在于衰退的胡杨林分中但缺失于生长良好的林分中，与改变的根区特性和根系分布有关。在此浅层黏土层内，容重达到 1.38 g/cm3，黏土含量为 42–48%，同时粗根重量密度减少 88%，且该层正上方的细根和中等根系增加 22%——这些模式与一致
CRediT 作者贡献声明
刘景玉: 概念化，数据整理，形式分析，调查，方法学，写作 – 原稿。 殷志强: 概念化，数据整理，方法学，监督，写作 – 审阅 & 编辑。 郭帅: 形式分析，调查，方法学。 彭玲: 数据整理，形式分析，调查，方法学。 卫东格尔: 数据整理，调查。
资助
本研究由地质调查项目 中国地质调查局（项目编号 DD20240100811）、国家自然科学基金（项目编号 U2344227）、中国科技部（项目编号 2022xjkk0302）以及自然资源要素耦合过程与效应重点实验室 自然资源部开放基金（项目编号 2024KFKT019）共同资助。
竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些可能被认为影响了本论文中报告的工作。
致谢
作者感谢乌鲁木齐自然资源综合调查中心的工作人员协助进行野外采样和实验室分析。我们还感谢巴音郭楞蒙古自治州当地林业当局的支持，为进入研究场地提供了便利。
刘景玉 | 殷志强 | 郭帅 | 彭玲 | 卫东格尔
中国地质调查局乌鲁木齐自然资源综合调查中心，乌鲁木齐，830057，中国
