地球環(huán)境所在典型人工林土壤水文過程研究方面取得新進展

過去幾十年，隨著三北防護林、退耕還林草等工程的實施，黃土高原植被覆蓋度大幅提升，土壤侵蝕得到有效控制，生態(tài)環(huán)境明顯改善。然而，人工植被的建設和演替，增強了地表植被利用土壤水分的深度和強度。已有研究表明，90%的人工林區(qū)土壤水分虧缺嚴重，最終形成土壤干層。刺槐由于具有較強的適應性和抗逆性，是黃土高原生態(tài)建設中應用最典型、分布最廣泛的人工林樹種。刺槐種植會導致土壤干旱已成共識，但關于其深剖面土壤干旱過程的精細刻畫、不同生長階段土壤水分消耗規(guī)律等尚不清晰。基于此，中國科學院地球環(huán)境研究所王云強研究員團隊，依托陜西黃土高原地球關鍵帶國家野外科學觀測研究站，利用光纖、中子儀等進行長期原位觀測，取得如下進展：

1）刺槐林深層土壤干旱演變規(guī)律及環(huán)境控制：采用光纖布拉格光柵（FBG）傳感器，對0-30 m剖面土壤水分進行了3年的高頻、高分辨率連續(xù)觀測，發(fā)現(xiàn)土壤干旱的分布和演化存在顯著的分層特征：0-0.4 m土壤水分受溫度、降水等上邊界條件的直接影響，劇烈波動，但并未出現(xiàn)干旱；0.4-1.8 m土壤干旱動態(tài)變化最為頻繁；1.8-30 m存在持續(xù)而穩(wěn)定的土壤干旱。土壤有機碳含量、容重和根系分布是影響土壤干旱空間分布的主控因素；對于干旱的時間變化，溫度、風速和相對濕度的影響超過了降水；且這些影響存在普遍的協(xié)同作用和滯后效應。基于此，團隊提出了“土壤特性層識別-分層治理”的干旱調控策略（圖1），強調在生態(tài)修復過程中充分考慮土壤干旱的分層特性及其異質性，從而實現(xiàn)植被恢復與土壤干旱調控之間的水分需求權衡（Tong et al., 2025）。這一研究深化了對深層土壤干旱時空演化及其環(huán)境驅動機制的理解，也為土壤干旱調控和生態(tài)修復提供了科學參考。

圖1?深層土壤干旱時空演變規(guī)律及其環(huán)境控制研究

2）不同林齡刺槐林土壤水分消耗特征：通過對不同林齡（6年，16年，20年，35年和45年）刺槐林0-5 m土壤水分進行原位監(jiān)測，獲得2019-2022年間月尺度的土壤水分數(shù)據(jù)，采用水量平衡方法，量化了刺槐林在不同生長階段的水分收支特征和土壤水分消耗規(guī)律。研究表明，與草地相比，不同林齡刺槐均消耗了大量深層土壤水分，2 m以下土層水分虧缺尤為嚴重；土壤儲水量的虧缺程度在6 ~ 20年林齡逐漸惡化，在35 ~ 45年林齡有所改善，整體上5個林齡的土壤儲水量呈顯著差異（p < 0.05）。隨著林齡增加，實際蒸散發(fā)的增加速率從125 mm yr-1大幅下降到29 mm yr-1。累積降水量與累積實際蒸散發(fā)的關系表明水分收支在中齡（~ 20年）達到平衡狀態(tài)，中齡之后水分收支呈現(xiàn)正反饋（圖2），表明刺槐林土壤水分消耗過程的轉折點發(fā)生在中齡階段（Zhao et al., 2025）。這些研究結果為人工刺槐林土壤水資源調控和森林優(yōu)化管理提供了重要參考。

圖 2 2019-2022 年不同林齡刺槐林累積降水量（ P ）和累積實際蒸散量（ AET ）分布（ a ）；不同林齡刺槐林 0-5 m 土壤儲水量虧缺分布（ b ）； 2019-2022 年不同林齡刺槐林累積 P-AET （ c ）。

上述系列成果發(fā)表于國際學術期刊Geoderma和Plant and Soil上，王云強研究員為唯一通訊作者。該研究得到國家自然科學基金（U24A20629、42177306）、中國科學院創(chuàng)新交叉團隊、陜西省自然科學基金等的共同資助。

相關文獻：

Tong, Y., Wang, Y.*, Zhou, J., He, M., Wang, T., Xu, Y., Guo, X., Sun, M., Li, Z., Shi, B., 2025. Deciphering the stratified distribution and evolution of deep soil drought and its environmental controls: New evidence from continuous fiber optic monitoring in 0–30?m profile. Geoderma 454, 117168.https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2025.117168

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Zhao, Y., Wang, Y.*, Li, R., Qi, L., Sun, H., Zhang, P., Li, Z., 2025. Water consumption turning point for Robinia pseudoacacia occurs at its middle stand age. Plant and Soil, 1-16.?https://link.springer.com/article/10.1007/s11104-025-07231-x

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