地球環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，生態環境明顯改善。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律等尚不清晰。基于此，中國科學院地球環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律及環境控制：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、高分辨率連續觀測，發現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，但并未出現干旱；0.4-1.8 m土壤干旱動態變化最為頻繁；1.8-30 m存在持續而穩定的土壤干旱。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境驅動機制的理解，也為土壤干旱調控和生態修復提供了科學參考。

圖1?深層土壤干旱時空演變規律及其環境控制研究

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測，獲得2019-2022年間月尺度的土壤水分數據，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的關系表明水分收支在中齡（~ 20年）達到平衡狀態，中齡之后水分收支呈現正反饋（圖2），表明刺槐林土壤水分消耗過程的轉折點發生在中齡階段（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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