西南地區(qū)長(zhǎng)期受高強(qiáng)度、高頻率人類活動(dòng)擾動(dòng)。近年來(lái)，通過大規(guī)模封山育林等生態(tài)修復(fù)政策，森林覆蓋度顯著提升。然而，該區(qū)域廣泛分布的喀斯特地貌具有土層淺薄、滲透性強(qiáng)等脆弱地質(zhì)特征，疊加季風(fēng)氣候周期性干旱的影響，導(dǎo)致大面積造林在提高植被覆蓋的同時(shí)，也可能引發(fā)土壤水分顯著下降。因此，在區(qū)域植被快速“變綠”的背景下，亟需辨析“變綠”后影響喀斯特區(qū)生態(tài)恢復(fù)可持續(xù)性與穩(wěn)定性的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。
針對(duì)上述問題，中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站王克林研究員團(tuán)隊(duì)，基于表層土壤水分、蒸散發(fā)、飽和水汽壓差等多源遙感水分?jǐn)?shù)據(jù)，系統(tǒng)分析了西南季風(fēng)區(qū)和東亞季風(fēng)區(qū)不同森林類型的碳-水關(guān)系區(qū)域分異。研究結(jié)果證實(shí)，桉樹和馬尾松等人工林相比天然次生林雖具有更高的生產(chǎn)力，但大規(guī)模集中造林確實(shí)會(huì)導(dǎo)致區(qū)域表層土壤水分的下降（圖1）。尤其在季節(jié)性干旱明顯的西南季風(fēng)區(qū)，桉樹林的表層土壤水分消耗速率達(dá)到東亞季風(fēng)區(qū)的2.42倍，特別當(dāng)表層土壤水分低于0.18m3/m3時(shí)，植被生產(chǎn)力開始受到抑制，表明水分供給已成為制約該地區(qū)植被恢復(fù)可持續(xù)性的關(guān)鍵因素。研究還發(fā)現(xiàn)，飽和水汽壓差在兩個(gè)氣候區(qū)均表現(xiàn)出對(duì)總初級(jí)生產(chǎn)力的顯著抑制作用，表明大氣干旱也是影響西南地區(qū)植被生產(chǎn)力的關(guān)鍵限制性氣候因子。
團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了地質(zhì)約束下長(zhǎng)期氣候水分虧缺狀況對(duì)植被生產(chǎn)力的影響機(jī)制，利用貝葉斯線性回歸方法，評(píng)估了西南地區(qū)氣候水分虧缺變化對(duì)植被生產(chǎn)力的影響。結(jié)果顯示，相比石灰?guī)r和碎屑巖地區(qū)，白云巖地區(qū)植被對(duì)氣候水分虧缺(Climate Water Deficit，CWD)更為敏感，這種敏感性主要受風(fēng)化層厚度與土壤厚度交互作用的調(diào)控，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤厚度超過0.57米時(shí)，植被生產(chǎn)力對(duì)干旱的敏感性顯著降低（圖2）。這一發(fā)現(xiàn)初步揭示了植被對(duì)水分虧缺敏感性的驅(qū)動(dòng)因素，為理解植被應(yīng)對(duì)氣候變化的恢復(fù)力提供了依據(jù)。
團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)上述水分限制矛盾在2022年西南地區(qū)破紀(jì)錄的極端干旱事件中得到進(jìn)一步印證。與森林和草地相較，西南地區(qū)灌叢在干旱后恢復(fù)最為緩慢，其整體恢復(fù)時(shí)間分別是森林和草地的1.39倍和1.32倍。喀斯特區(qū)，尤其是白云巖分布區(qū)，植被表現(xiàn)出更強(qiáng)的干旱脆弱性：干旱期間灌叢的總初級(jí)生產(chǎn)力損失為碎屑巖區(qū)的2.57倍，且恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)60%（圖3）。進(jìn)一步分析表明，溫度是非喀斯特區(qū)植被恢復(fù)的主要驅(qū)動(dòng)因子，而水分利用效率則是喀斯特區(qū)植被恢復(fù)的關(guān)鍵限制因素。具體而言，在經(jīng)歷極端干旱后的恢復(fù)階段，表層土壤水分受限時(shí)，喀斯特地區(qū)植被具有更高的水分利用效率；水分充足時(shí)，非喀斯特地區(qū)植被的水分利用效率更高。
上述研究系統(tǒng)揭示了西南喀斯特地區(qū)大規(guī)模造林可能面臨土壤水分與大氣干旱的雙重限制風(fēng)險(xiǎn)，強(qiáng)調(diào)了需結(jié)合區(qū)域水熱條件差異制定適應(yīng)性植被恢復(fù)與管理策略。相關(guān)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)基金、廣西重大科技專項(xiàng)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的資助，論文成果分別以Regional differences in carbon-water dynamics of various plantation forests in Southwest China、Lithology controls drought sensitivity in southwest China和Bedrock controls vegetation resilience: Dominant role of lithology in the 2022 southern China drought為題，發(fā)表在Journal of Hydrology、Progress in Physical Geography: Earth and Environment和Agricultural and Forest Meteorology等期刊。
圖1 不同季風(fēng)區(qū)水文變量對(duì)生產(chǎn)力響應(yīng)及2015-2020年SSM變化
圖2 土壤厚度與風(fēng)化層厚度交互作用的曲率分析及閾值確定
圖3 2022干旱后生產(chǎn)力損失和恢復(fù)時(shí)間的巖性和植被類型分異