PNAS：地球環境所揭示中國季風黃土關鍵帶土壤水分減少的主控因素

地球關鍵帶是指植被冠層頂部至地下水底部的區域，位於大氣圈、生物圈、土壤圈、水圈、岩石圈的交匯地帶，它的提出爲理解地球表層系統提供了一個統一的框架。土壤水分僅佔全球淡水的0.05%，但在維持地球關鍵帶結構、功能與服務方面扮演着重要角色。土壤水分穿越並連接地球關鍵帶的多個圈層，是關鍵帶物質能量遷移轉化的重要載體。

已有研究表明，人類大規模的植樹造林對全球變綠和生態服務功能改善做出了突出貢獻，但往往以過度消耗土壤水分爲代價。隨着人類活動（如，從耕地到森林/草地的土地利用轉換）和氣候變化（如，季風降水增加）的不斷增強，地球關鍵帶中的土壤水分（特別是植被根系可以利用的深層土壤水分）正在發生深刻變化。然而，在地球系統科學領域，由於長期原位觀測數據的缺乏，如何區分人類活動和氣候變化對深層土壤水分變化的相對影響，仍然是一個艱鉅的挑戰。

鑑於此，中國科學院地球環境研究所“黃土關鍵帶與生態環境安全”研究團隊王雲強研究員課題組聯合國內外同行專家，以大規模人類活動和季風氣候深刻影響的黃土高原地球關鍵帶爲研究對象，整合1985-2021年期間的土壤水分實地觀測數據（包括29個監測點的土壤水分數據），從兩個尺度上對中國季風黃土關鍵帶過去37年的土壤水分動態進行分析，評估了土地利用轉換和氣候變化對深層土壤水分動態的影響。

樣地尺度結果顯示，土地利用類型的轉變（農地退耕爲林地/草地）是導致深層土壤水分減少的主要原因，使0-18 m深度的土壤水分減少了18%，並且這種減少隨時間加劇。在區域尺度上，黃土高原0-10 m深層土壤儲水量在1985-2021期間呈顯著下降趨勢，1999年是該顯著下降趨勢的拐點，這與退耕還林/草工程開始實施的時間相吻合；自1999年開始的植樹造林活動對土壤儲水量的減少起到了108%的作用，而氣候變化僅對土壤儲水量的減少起到了-8%的作用，表明土地利用轉換是土壤儲水量下降的主要原因。這種下降趨勢使黃土高原總面積的18%處於危險狀態，且主要分佈在半乾旱區，進而威脅區域土壤水分安全。爲了減輕這種風險，未來的土地管理政策應充分認識土地利用轉換的主導過程及其與氣候變化的相互作用，這對保障土壤水分安全和維持黃土關鍵帶服務功能至關重要。

此外，考慮到全球對於通過植樹造林增強碳封存的需求，尤其是在追求碳中和的目標下，可能會增加半乾旱地區的土壤水分安全風險。因此，未來的土地管理方案應兼顧植樹造林和水分利用的關係，不僅要考慮適當優化造林，而且要考慮實施一些有針對性的措施（如，節水灌溉、植被管理和土壤保持技術），以實現有限土壤水資源的可持續利用。這些研究不僅提供了對黃土關鍵帶土壤水資源管理中社會系統與自然系統相互作用的理解，而且是區分地球系統科學研究中人爲活動和自然過程貢獻的典型案例。

上述成果於近期發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上，王雲強研究員爲文章第一和通訊作者，安芷生院士爲共同通訊作者。該研究得到中國科學院戰略先導專項（XDB40020203）、國家重點研發計劃（2019YFA0607303）、國家自然科學基金（41971045、U2243204、42177306）、中國科學院創新交叉團隊等的共同資助。

相關文獻：

Wang Y*, Hu W, Sun H, Zhao Y, Zhang P, Li Z, Zhou Z, Tong Y, Liu S, Zhou J, Huang M, Jia X, Clothier B, Shao M, Zhou W, An Z*. 2024. Soil moisture decline in China’s monsoon loess critical zone: More a result of land-use conversion than climate change. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121 (15) e2322127121, https://doi.org/10.1073/pnas.2322127121.

圖1 黃土高原0-10 m土壤儲水量和相關環境因子的時間變化規律

圖2 1999年退耕還林/草前後土壤水分變化的空間分佈與統計特徵