西南喀斯特地區(qū)長期受到人類活動與氣候變化的雙重影響，是我國生態(tài)系統(tǒng)最為脆弱的區(qū)域之一。大規(guī)模生態(tài)保護與修復(fù)下，西南喀斯特地區(qū)近20年引領(lǐng)全球“變綠”，但地質(zhì)背景制約“變綠”的可持續(xù)性，人為破壞后自然恢復(fù)的石山灌草叢正向演替極為緩慢。一方面，歷史時期持續(xù)的人為擾動深刻改變了喀斯特地表景觀與植被結(jié)構(gòu)，并形成難以消除的生態(tài)遺留效應(yīng)；另一方面，近幾十年來極端干旱事件頻發(fā)，進一步加劇了區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性。然而，目前對人為擾動的起始時間、作用方式及其如何影響喀斯特森林對干旱脅迫的響應(yīng)仍缺乏系統(tǒng)認(rèn)識，制約了國家石漠化治理精準(zhǔn)還林還草及“變綠”后森林功能韌性提升。
針對上述問題，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所王克林研究團隊開展了從百年—年代際多時間尺度和洼地—區(qū)域多空間尺度的跨維過程整合研究，系統(tǒng)揭示了人為擾動的長期歷史遺留效應(yīng)及其對喀斯特森林干旱響應(yīng)的影響。相關(guān)成果近期分別發(fā)表于一區(qū) TOP 期刊Communications Earth & Environment和GIScience & Remote Sensing。
針對喀斯特區(qū)人為擾動的長期歷史遺留效應(yīng)，研究選取了輕度、中度和重度石漠化的三個典型喀斯特洼地，將長時間尺度的古生態(tài)分析與精細(xì)化空間尺度的衛(wèi)星監(jiān)測相結(jié)合，通過沉積物鉆孔采樣，綜合孢粉、植硅體與放射性同位素定年（14C、137Cs、210Pb），并集成美國QuickBird（0.6米）和國產(chǎn)高分二號（GF-2，0.8米）等亞米級高分辨率衛(wèi)星遙感影像及U-Net深度學(xué)習(xí)模型實現(xiàn)了對過去20年間單株樹木數(shù)量變化的精確計數(shù)，重建了500 年來喀斯特地區(qū)林草格局演變軌跡。
結(jié)果表明，18 世紀(jì)玉米孢粉和玉米植硅體的首次出現(xiàn)在三個洼地中高度同步，并伴隨著先鋒蕨類（以芒萁為代表）孢子顯著增加，同時喬木花粉比例明顯下降、草本花粉比例上升（圖1）。其中，重度石漠化洼地的樹—草比例變化最為劇烈，清晰指示出玉米引種及隨之而來的開墾活動是區(qū)域石漠化的重要觸發(fā)因素。
進一步結(jié)合長時序及高分辨率衛(wèi)星遙感影像與機器學(xué)習(xí)識別結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輕度和中度石漠化洼地中喬木數(shù)量呈恢復(fù)性增長趨勢，而重度石漠化洼地喬木數(shù)量幾乎保持不變（圖2），表明強烈且持續(xù)的人為干擾形成了難以逆轉(zhuǎn)的生態(tài)歷史遺留效應(yīng)，即使在近年人為活動顯著減少的背景下，生態(tài)系統(tǒng)仍難以自然恢復(fù)成林，這種喀斯特地區(qū)“有綠無林”的現(xiàn)象證明了，當(dāng)歷史退化超過一定程度后，森林自然更新能力可能會崩潰瓦解。
研究進一步揭示重建了500年來人類擾動對喀斯特地區(qū)林草格局演變軌跡的影響：16世紀(jì)前無人類擾動，喀斯特區(qū)以原始天然林為主；16世紀(jì)至18世紀(jì)，輕微人類擾動，仍以森林為主；18世紀(jì)至20世紀(jì)，高強度人類擾動開始并持續(xù)，發(fā)生林草轉(zhuǎn)換；2000年以后大規(guī)模生態(tài)保護與修復(fù)下的恢復(fù)期。?
上述研究通過整合古生態(tài)記錄與現(xiàn)代遙感技術(shù)，為理解人類干擾與生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的長期關(guān)系提供了新的視角。在理論層面，研究揭示了歷史土地利用變化如何通過改變物種組成和生境條件，將生態(tài)系統(tǒng)推向難以逆轉(zhuǎn)的替代狀態(tài)；在現(xiàn)實層面，該研究揭示了當(dāng)前喀斯特地區(qū)生態(tài)修復(fù)需考慮人類擾動的歷史遺留效應(yīng)制定差異化的生態(tài)建設(shè)空間優(yōu)化方案。
在區(qū)域尺度上，研究進一步聚焦于人為擾動強度差異如何調(diào)控喀斯特森林對干旱的響應(yīng)與恢復(fù)過程?；?2001–2022 年間西南喀斯特森林發(fā)生的 6 次區(qū)域性重大干旱事件，利用 500 m 分辨率的 GPP 數(shù)據(jù)和 1km分辨率的SPEI 干旱指數(shù)，系統(tǒng)比較了低擾動（無石漠化）與高擾動（石漠化）喀斯特森林的干旱抵抗力與恢復(fù)特征。
結(jié)果顯示，在相近干旱強度條件下，高擾動森林在干旱期間經(jīng)歷了顯著更大的最大 GPP 損失，差異最高可達(dá) 13%（圖3）。除干旱強度這一主導(dǎo)因子外，氣候條件（溫度與降水）和土壤因子（土壤有機碳、土層厚度）對高擾動森林干旱期 GPP 損失的調(diào)控作用顯著強于低擾動森林（圖4），表明人為擾動放大了森林生產(chǎn)力對氣候與立地條件的敏感性。值得注意的是，盡管高擾動森林在干旱中遭受了更大的生產(chǎn)力損失，其恢復(fù)時間并未顯著延長，在部分情形下甚至略短于低擾動森林，暗示喀斯特森林中可能存在“干旱抵抗力—恢復(fù)力”權(quán)衡關(guān)系。然而，更大的生產(chǎn)力損失幅度以及更高的氣候與土壤敏感性，仍表明高擾動森林整體抗旱能力較弱、對未來極端干旱和持續(xù)變干趨勢更為脆弱。
上述研究從歷史遺留效應(yīng)與當(dāng)代氣候脅迫雙重視角出發(fā)，系統(tǒng)揭示了人為擾動如何長期塑造喀斯特區(qū)恢復(fù)植被景觀，并削弱其對干旱事件的抵抗能力。研究結(jié)果為喀斯特石漠化精準(zhǔn)治理、因地制宜還林還草及森林韌性提升提供了重要科學(xué)依據(jù)，也強調(diào)了在生態(tài)恢復(fù)實踐中需正視歷史人類活動遺留效應(yīng)，考慮人為擾動后的森林可恢復(fù)程度、恢復(fù)基線及恢復(fù)周期，避免“一刀切造林”的生態(tài)修復(fù)模式。
圖1?近500年來不同石漠化程度洼地孢粉與植硅體記錄揭示的樹—草轉(zhuǎn)變過程。（a-c）18世紀(jì)玉米孢粉/植硅體的出現(xiàn)和芒萁孢子的激增保持一致。（d-e）三個洼地樹、草孢粉在玉米出現(xiàn)前后變化
圖2?基于高分遙感與機器學(xué)習(xí)的近20年洼地喬木數(shù)量變化。（a-c）三個洼地20年遙感影像前后對比。（d-e）喬木數(shù)量和冠幅面積變化
圖3?高擾動喀斯特森林在干旱期最大 GPP 損失高于低擾動喀斯特森林
圖4?環(huán)境因子對不同擾動強度森林干旱響應(yīng)的相對貢獻