黄土高原植被恢复过程中的土壤碳-水权衡：一项Meta分析

《Journal of Environmental Management》：Soil carbon–water trade-offs during vegetation restoration on the Loess Plateau: a meta-analysis

　　土壤有机碳（SOC）和土壤含水量（SMC）是评价恢复生态系统中碳固存和土壤水分可持续性的重要指标（Horwath和Kuzyakov，2018；Lal，2004）。在水分受限地区，SOC和SMC不仅是恢复效果的指标，也代表了两个可能相互冲突的恢复目标：碳积累和土壤水分可持续性。植被恢复可以增强有机碳输入，但更强的植被生长也可能增加土壤水分消耗，导致SOC和SMC响应不同步（Feng等，2020；Nan等，2025）。因此，识别能够增强SOC固存而不过度消耗土壤水分的恢复路径，对于生态恢复和可持续土地管理至关重要。在中国，退耕还林等大规模恢复项目已大幅增加昔日农地的植被覆盖（Chang等，2011；Xin等，2008）。黄土高原是一个主要恢复区域，在该区域水分强烈受限的条件下发生了大规模农地转化（Bai等，2024；Sun等，2014；Wang等，2024）。由于黄土高原的恢复跨越了森林、灌丛和草甸，该区域为评价恢复诱导的碳收益是否伴随土壤水分损失提供了代表性研究区。这些对比性的恢复类型也使研究SOC-SMC分化是否反映了广泛的植被路径而非对恢复的均一响应成为可能。许多野外研究和定量综合表明，植被恢复显著改变了黄土高原的SOC和SMC（Wang等，2012；Xu等，2023）。然而，当前的核心关注点已不再是恢复是否单独改变了SOC或SMC，而是碳固存收益是否以牺牲土壤水分安全为代价。现有证据表明，植被恢复往往在增强SOC积累的同时增加土壤水分消耗，凸显了依赖背景的碳-水失衡（Jia等，2017；Jian等，2015）。这种失衡可能在土壤深度、降水梯度、恢复年龄、植被类型和物种身份之间有所变化（Chen等，2022；Lan等，2021）。这种背景依赖性在造林后的深层土壤水分开采以及黄土高原的气候依赖性碳-水响应中也显而易见（Li等，2023；Meng等，2025）。然而，这些空间、时间和生物维度在很大程度上是分别研究的，限制了对碳收益最可能与土壤水分成本同时出现的空间位置、时间阶段和恢复背景的系统理解。因此，需要一种整合多种恢复背景的元分析，以超越对碳-水权衡的普遍认识，转向对关键风险维度的系统识别。相应地，本研究旨在：（1）量化SOC和SMC对植被恢复的响应；（2）识别SOC恢复与SMC维持不匹配的空间和时间条件；以及（3）刻画物种层面的碳-水响应倾向。我们假设：（H1）与草甸恢复相比，木本恢复下的碳-水失衡更强；（H2）碳-水失衡随土壤深度增加而加剧，并随恢复年龄发生系统性变化。使用Web of Science（WOS）和中国知网（CNKI）数据库进行了全面的文献检索，以识别2025年3月27日前可用的合格出版物。使用了以下关键词的各种组合："黄土高原"或"中国黄土高原"，"植被恢复"、"生态恢复"、"植被重建"或"造林"，"土壤水分"、"土壤湿度"、"土壤含水量"、"土壤碳含量"或"土壤有机植被恢复在黄土高原产生了SOC和SMC的分化响应。总体而言，SOC增加了39.2%，所有植被类型均呈正响应（图2a）。SOC增幅最大的是灌丛（52.4%），其次是森林（38.3%）和草甸（33.7%）。相比之下，SMC总体减少了10.7%（图2b）。SMC损失在灌丛（-19.9%）和森林（-19.6%）中更大，而草甸的SMC略有增加但无显著性（4.1%）。本综合分析将碳-水权衡从一般性的恢复结果推进为一种依赖植被且结构分异的模式。SOC和SMC在土壤中本质上是耦合的：SOC可以改善土壤结构和持水能力，而土壤水分可用性调节植物生长、有机质输入、分解和碳稳定化（Chen等，2022；Hao等，2025）。然而，植被恢复并不一定同时增强碳积累和土壤水分在黄土高原，农地植被恢复使SOC增加了39.2%，同时使SMC减少了10.7%。这种失衡反映了不同的响应模式：SOC恢复与土壤条件和恢复持续时间关系更密切，而SMC损失对植被路径和土壤深度更为敏感。关键的错配是垂直方向上的：表层SOC增益与深层土壤水分消耗同时出现，尤其是在木本恢复下。碳-水失衡最为显著马跃文：撰写–初稿，可视化，软件，方法论，数据整理，概念化。张宇欣：撰写–审阅与编辑，验证，方法论，形式分析。马克明：撰写–审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。作者声明他们不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。我们感谢陈玉清女士协助进行文献筛选和数据提取。本研究得到国家重点研发计划（2023YFF1305102）的资助。马跃文 | 张宇欣 | 马克明中国科学院生态环境研究中心，区域与城市生态安全重点实验室，北京，100085，中国