《Water》：Spatiotemporal Dynamics and Driving Factors of 0–200 cm Soil Water Storage on the Loess Plateau During 2000–2024
编辑推荐：
为阐明大规模生态恢复背景下黄土高原土壤水分的长期变化及驱动机制，本研究分析了2000–2024年0–200 cm剖面土壤储水量（SWS），并结合降水、气温及归一化差异植被指数（NDVI）数据。采用Theil–Sen趋势估计、Mann–Kendall检验、偏相关
为阐明大规模生态恢复背景下黄土高原土壤水分的长期变化及驱动机制，本研究分析了2000–2024年0–200 cm剖面土壤储水量（SWS），并结合降水、气温及归一化差异植被指数（NDVI）数据。采用Theil–Sen趋势估计、Mann–Kendall检验、偏相关分析及残差趋势分析，系统研究了土壤储水量的时空变化、其对气候与植被因素的响应，以及气候与非气候因素的相对作用。结果表明，2000–2024年间黄土高原土壤储水量表现出显著的空间异质性和总体增加趋势。显著增加与非显著增加区域分别占研究区的52.22%和41.25%，而减少区域仅占6.53%。土壤储水量总体与降水及NDVI呈正相关，显著正相关区域分别覆盖研究区的80.4%和90.6%；相比之下，土壤储水量与气温总体呈负相关，显著负相关区域占研究区的92.3%。残差呈增加趋势的区域占研究区的85%。气候与非气候因素对土壤储水量变化的平均相对贡献分别为47%和53%，表明土壤储水量动态受水热气候条件与植被恢复、土地利用变化等非气候因素的共同影响。总体而言，过去25年间黄土高原0–200 cm土壤剖面水分状况有所改善，但局部水分受限地区仍面临土壤储水量下降的风险。因此，生态恢复应兼顾区域水资源承载力，优化植被类型与种植密度，以促进生态系统恢复与水资源安全的协调发展。
黄土高原0–200 cm土壤储水量时空动态与驱动因素研究解读
一、研究背景与意义
土壤水分是连接大气降水、地表径流、地下水补给、植被蒸腾和土壤蒸发等过程的关键水文变量，在陆地水循环、能量平衡和生态系统生产力中发挥着重要作用。通过调节潜热与感热通量的分配，土壤水分能够影响近地表气温、边界层稳定性及降水反馈过程。在干旱和半干旱地区，土壤水分是植被生长和生态系统抗旱能力的主要限制因子。相较于表层土壤水分，剖面土壤储水量（SWS）综合反映了降水入渗、水分垂直再分配、根系吸水及蒸散发的累积效应，因此特别适用于识别区域水资源可用性的长期变化，并评估生态恢复的水文效应。
黄土高原位于半湿润向半干旱和干旱气候的过渡地带，降水有限且年内分布不均，土壤水分是植被恢复和生态系统稳定性的关键制约因素。该区域黄土堆积疏松、地形破碎、土壤侵蚀严重，自1999年退耕还林工程实施以来，植被覆盖显著增加，土壤侵蚀得到有效控制，区域生态系统服务明显改善。然而，植被恢复与水资源可用性之间的权衡关系已成为水分受限地区可持续生态恢复的核心科学问题。尽管已有大量关于黄土高原植被恢复与土壤水分变化的研究，但仍存在以下重要知识空白：第一，气候变化与生态恢复背景下剖面土壤储水量的长期区域尺度变化尚不充分明确；第二，土壤储水量对气候和植被因素的滞后响应及记忆效应有待深入研究；第三，气候与非气候因素对土壤储水量变化的相对贡献在区域尺度上难以区分。因此，该研究利用2000–2024年黄土高原0–200 cm剖面土壤储水量数据，结合降水、气温和归一化差异植被指数（NDVI）数据，旨在阐明土壤储水量的长期时空变化特征，量化其对气候和植被因素的响应及滞后效应，并区分气候与非气候因素的相对贡献。该论文发表在《Water》期刊。
二、主要技术方法
研究人员采用Theil–Sen中位数斜率估计与Mann–Kendall非参数检验相结合的方法，在像元尺度上量化各变量的长期趋势及其统计显著性。利用二阶偏相关分析，在控制其他变量影响的条件下，分别计算土壤储水量与降水、气温和NDVI之间的独立统计关联，并开展0–3个月滞后窗口的滞后偏相关分析。通过基于降水和气温的多元线性回归建立气候预测模型，以观测值与气候预测值之差定义残差，采用残差趋势分析区分气候与非气候因素的相对贡献。数据来源方面，土壤储水量数据取自GLDAS Noah陆面模型L4月尺度0.25°×0.25° V2.1数据集，气象数据来自国家青藏高原科学数据中心，NDVI数据来自NASA的MOD13A3产品。
三、研究结果
3.1 气候因素与NDVI的时空变化
2000–2024年间，黄土高原降水总体呈增加趋势，非显著增加区域占81.72%，显著增加区域主要分布在东南部和西南部边缘，占18.14%。气温整体呈上升趋势，大部分区域升温速率为0.03–0.06 °C/年，显著增温区域占80.74%。NDVI在超过95%的研究区呈增加趋势，显著增加区域占主导地位，仅1.04%的区域出现显著下降。
3.2 土壤储水量的时空变化
0–200 cm土壤储水量表现出显著的空间异质性，高值区主要集中于东部和南部部分地区，局部超过700 mm；低值区广泛分布于中北部和西北部干旱半干旱地区，局部低至约200 mm。研究期间土壤储水量总体呈增加趋势，显著增加和非显著增加区域分别占52.22%和41.25%，减少区域仅占6.53%。
3.3 土壤储水量对气候和植被因素的响应
偏相关分析表明，土壤储水量与降水总体呈正相关，显著正相关区域占80.4%；与气温总体呈负相关，显著负相关区域占92.3%；与NDVI总体呈正相关，显著正相关区域占90.6%。滞后分析显示，土壤储水量对降水的响应以1个月滞后为主，占66.64%；对气温的响应以同期和1个月滞后为主；对NDVI的响应以同期为主，占58.01%。
3.4 气候与非气候因素的相对作用
残差分析表明，残差呈增加趋势的区域占85%，其中显著增加占17.88%。气候因素和非气候因素对土壤储水量变化的平均相对贡献分别为47%和53%。按驱动类型分类，气候主导的土壤储水量增加占28.9%，非气候因素主导的增加占42.11%，共同驱动的增加占19.39%；减少区域中，气候主导占3.42%，非气候因素主导占5.04%，共同驱动占1.14%。
四、讨论与结论
讨论部分指出，土壤储水量的总体增加趋势与同期降水广泛增加相一致，降水累积增加通过增强入渗和剖面补给改善了区域土壤水分状况。偏相关分析结果反映了半干旱–半湿润过渡带强烈的陆气耦合特征：降水是土壤水的主要来源，而升温通过增强大气蒸发需求和蒸散发加速土壤水分消耗。植被恢复对土壤储水量的影响具有双向性，一方面通过增加地表覆盖、减少径流、改善土壤结构而增强水源涵养功能，另一方面高蒸腾需求的乔木和深根灌木可能过度消耗深层土壤水分。残差分析表明，降水和气温无法完全解释土壤储水量的长期动态，植被恢复、坡面管理、梯田建设和土地利用调整等非气候因素贡献显著，但部分水分受限地区仍面临植被耗水加剧土壤水分消耗的风险。
研究结论可归纳为以下三点：第一，黄土高原0–200 cm土壤储水量具有显著空间异质性，研究期间总体呈增加趋势，显著和非显著增加区域分别占52.22%和41.25%，减少区域仅占6.53%，表明过去25年间土壤水分状况总体改善，但局部下降仍然存在。第二，土壤储水量对降水与NDVI总体呈显著正相关，与气温呈显著负相关；对降水的响应以1个月滞后为主，对气温的响应以同期或1个月滞后为主，与NDVI的关联以同期为主，反映了降水入渗、土壤水分垂直再分配和蒸散发耗水的时间尺度差异。第三，气候与非气候因素的平均相对贡献分别为47%和53%，非气候因素主导的增加区域占42.11%，表明植被恢复、土地利用调整和水土保持措施可能对区域土壤水分改善有重要贡献；但非气候因素主导的减少区域仍占5.04%，说明在部分水分受限地区，植被耗水和土地利用活动可能加剧土壤水分消耗。因此，生态恢复应充分考虑区域水资源承载力，优化植被类型和种植密度，促进生态系统恢复与水资源安全的协调发展。
