文献笔记·陆拾伍 | 中国季风黄土关键带土壤水分下降：土地利用变化影响大于气候变化影响
Soil moisture decline in china's monsoon loess critical zone: More a result of land-use conversion than climate change
中国季风黄土关键带土壤水分下降：土地利用变化影响大于气候变化影响
第一作者：王云强，中国科学院地球环境研究所
由于密集的人类活动和不断升级的气候变化，土壤水分（SM）正在经历快速变化。随着这些活动和变化，绿水的边界（定义为土壤中的雨水资源）已被超越。这种越轨行为强调了理解地球关键带（CZ）中SM的动态演化及其相关作用力的必要性。然而，CZ的异质性和复杂性，以不同的地质、土壤、气候和植被背景为特征，继续带来挑战。越来越多的研究优先考虑深层土壤勘探，调查深层根系对土壤和碳循环的影响等方面，包括它们在8米以下的相互作用。而受季风影响的中国黄土高原（CLP）是一个非典型的季风区，具有鲜明的特征。1999年，中国政府启动了“退耕还林”（GFG）项目，大面积植树造林，使其成为一个敏感而有影响力的地区。有了如此大规模的项目，深根植物的广泛恢复很可能会提高中国季风黄土关键带内深层SM资源的利用率。该地区的降水量（P）、气温和潜在蒸散量（PET）变化加剧，这些都是季风气候变化的指示性代用指标。因此，中国季风黄土关键带成为全球范围内一个有价值的典范案例，为评估深层土壤水对土地利用转换和自然气候过程的响应及其效益和安全性提供了理想的环境。
中国黄土高原季风关键带（CLP-CZ）位于黄河中上游，属干旱/半干旱温带大陆性季风气候。整个区域的年平均气温各不相同，西北部为3.6℃，东南部为14.3℃。沿着同一梯度，年平均降水量从150毫米到700毫米不等，其中约60%至90%的降水量在夏季（6月至9月）为高强度暴雨，年潜在蒸散量始终超过1000毫米。地貌特征是典型的黄土地貌和地形，包括塬（侵蚀最小的平坦高地）、墚（黄土山脊）和峁（黄土丘陵和沟壑）。
通过开展实地测量和数据收集，本研究已获得了29个站点从2011到2023年监测深度为0-18米的土壤体积含水率监测数据；以及，4926个从1985年至2021年，采样深度为0-10米的土壤质量含水量的数据集。为了将土壤质量含水率转换为土壤体积含水率，本研究计算了子层（每隔1米）的平均土壤质量含水率，并通过乘以土壤容重（每隔1米）以得到区域尺度上的土壤体积含水率。之后，使用双积累曲线法量化气候变化和土地利用转换对黄土高原地区SMS 0-10 m时间变化的贡献，并采用随机森林方法，以实测的气候、植被、地形和土壤因子为协变量，得到了1999年前后整个黄土高原平均SM 0-10 m的空间分布模式。
在站点尺度上，我们从2011年到2023年在不同土地利用的29个点进行了原位SM监测。这些点分布在四个县（神木县、沽源县、安塞区和彰武县），包含所有典型的土地利用类型，包括耕地、天然草地、恢复草地、恢复灌木地、恢复森林和人工果园。使用中子管监测0-18米的土壤体积含水率。在区域尺度上，通过查阅电子文库和纸质书籍，收集了1985年到2021年4926个采样深度为0-10米的土壤质量含水率。
本研究在整个黄土高原上叠加了一个100千米×100千米的网格，并于2018年在每个网格的中心确定了共计67个采样点。在每个点上，使用SD-1型高频振动钻采集了0至5米深的土芯。采用烘干法测定每个样本的土壤容重，并在垂直方向的五个分层（0至1米、1至2米、2至3米、3至4米和4至5米）获取数据。之后使用回归克里金法将体积密度数据进一步插值到多土层的1/120°空间分辨率。随后，利用经纬度坐标将空间栅格体积密度与文献中收集的 4926个点进行匹配，并计算出这4926个点的SM储量。
双曲线累积法计算气候因子和人为因子贡献率：
在本研究中，双积累曲线是根据SMS 0-10 m和PET与P之间的差异计算得出的，PET-P代表气候因子。根据P检验，发现1999年曲线出现了明显的断裂。变化点年之后的SMS变化（ΔSMS）由气候引起的变化（ΔSMSclim）和土地利用变化（ΔSMShum）两部分组成。ΔSMS可用以下方法估算：
其中，SMS1obs和SMS2obs表示1999年前观测到的SMS(分别表示1999年之前（1985年至1999年，时期I）和1999年之后（1999年至2021年，时期II）观测到的SMS值。为了计算ΔSMShum，首先对第一期建立了累积PET-P和累积SMS 0-10 m之间的线性关系，然后对第二期重建了没有人为干预的SMS 0-10 m变化（图 3B）。因此，ΔSMShum和ΔSMSclim的计算公式为：
因此，土地利用转换（Contributionhum）和气候变化（Contributionclim）的贡献百分比计算公式为：
本研究采用随机森林方法，以实测的气候、植被、地形和土壤因子为协变量，得到了1999年前后整个黄土高原平均SM 0-10 m的空间分布模式。然后，根据相对于田间容量（FC）和永久枯萎点（PWP）的SM含量，将深层SM状态划分为三个等级：干旱区、湿润区和过渡区。并通过分析从第一期到第二期这些SM等级的时间变化，将黄土高原分为：增加区、稳定区和减少区。将状态增加或稳定的地区视为SM安全区；所有其他地区则被确定为SM安全风险区。
1.土壤深层缺水及其驱动因素：
在站点尺度上，我们观察到可耕耕地和恢复后的森林/草地（N = 29，图 2A）在0至18米深度（SM 0-18 m）的土壤水分含量和分布模式上存在显著差异（P < 0.05）。数据显示，与耕地相比，密集造林造成了更大的SM赤字，尤其是在深层土壤中。这种影响归因于造林对当地蒸散过程的影响，这种影响在半干旱气候中比半湿润气候中更为明显。在整个黄土高原，从4926个点中选取的37个配对数据点中，SM 0-10 m平均值呈现出耕地>草地>森林的显著顺序（图 2C）。这种模式随着时间的推移基本一致（图 2D）。
图 1 中国黄土高原季风关键带（CLP-CZ）分布图（A），以及站点（采样点 = 29 个，分布于中国黄土高原的四个亚区）和区域（B）尺度的土壤水分采样点。（B）中的蓝线指的是黄河。从文献中收集的数据集具有广泛的样本范围（C，N = 5009）和过去几十年的采样深度（D）。
图2 半干旱（左）和半湿润（右）地区耕地和恢复森林/草地下0至18米深度土壤水分含量的平均垂直模式（A），以及监测期间恢复森林/草地和耕地之间0至18米深度土壤水分缺失的时间变化（B）。整个黄土高原不同土地利用条件下37个配对土壤水分数据点的空间分布（C），以及1985至2021年三种土地利用条件下0至10米深度土壤水分含量的时间变化（D）。实线表示土壤水分有明显的增加或减少趋势（P < 0.05），虚线表示不明显（B）。k和P指的是回归的斜率和显著性水平（D）。(B)和(D)中的阴影区域表示回归的95%CI。（D）中的土壤水分亏损方程为：土壤水分亏损（cm3·cm-3）=恢复森林/草地的土壤水分含量（cm3·cm-3）-耕地的土壤水分含量（cm3·cm-3）。这里，0是土壤水分亏损的分界线。高于0时，土壤水分不亏缺；反之，则存在土壤水分亏缺。
本研究发现，从1985年到2021年，SM 0–10 m在区域范围内呈下降趋势，其中草原地区的变化最为显著。然而，在过去十年中，SM含量却有增加的趋势。这部分归因于降水的上升趋势和PET-P的下降趋势。在站点尺度上，随着时间的推移，SM赤字的扩大表明，在塑造SM动态方面，造林比气候变化起着更大的主导作用。并且本研究还发现更深的根源对应着更大的SM赤字。
2. 导致土壤水分下降的影响因子：
从1985年到2021年，中国季风黄土关键带0到10米深度（SM 0-10 m）的SM储量呈显著下降趋势。Pettitt检验（P = 0.003）和双积累曲线都表明，SMS 0-10 m的动态变化可分为两个时期，即1999年之前和之后。SMS 0-10 m的转折点主要归因于1999年在黄土高原启动的人类采取的GFG项目，第一和第二时期的SMS 0- 10 m相差很大（260.6毫米）。根据累积SMS 0-10 m和累积PET-P之间的双积累曲线，本研究发现，与第一期的SMS相比，土地利用转换是SMS 0-10 m下降的主要驱动因素，占SMS 0-10 m下降的108%（图 3B）。而气候变化导致两个时期的SMS 0- 10 m下降了-8%。
图 3 1985至2021年黄土高原地区4926个土壤剖面0至10米深度的土壤蓄水量的时间变化（A）。累计土壤水分储量与累计PET-P之间的关系，用于计算气候变化和土地用途转换对土壤水分储量下降的影响（B）。1985至2021年黄土高原地区气候因子的变化（C）。1985至2021年黄土高原地区归一化差异植被指数（NDVI）的变化和三种土地利用的面积异常（D）。（B）中的柱状图表示第一期和第二期森林面积异常值的拟合斜率(k)。(A)和(C)中所有拟合线的阴影区域表示回归的95%置信区间。(A)中的N分别表示第一期和第二期的土壤剖面数；(B和C)中的PET和P分别表示蒸散量和降水量。
3. 土壤水分安全评估：
本研究观察到，在整个黄土高原带的0至10米剖面上，土壤水分体系的空间模式在第一期（图 4A）和第二期（图 4B）之间存在很大差异。从第I期到第II期，干旱区和湿润区面积均有所减少。与此同时，过渡带面积以每年4400平方公里的速度迅速增加。干旱区面积的减少主要分布在黄土高原中部，而湿润区面积的减少则出现在半干旱地区。相反，过渡带面积的增加主要发生在半湿润地区。这两个时期的水文地质系统模式的变化表明，水文地质系统的变化在半干旱地区更为明显，尤其是在人类活动频繁的地区，如绿化（图 3D）和灌溉，从而影响了水资源的利用。
图 4 黄土高原第一期（A）和第二期（B）土壤水分系统的空间模式。从第一期到第二期土壤水分状况的变化（C）。地图中的蓝线表示黄河。1999年前后，半干旱（年平均降水量小于500毫米，黑色数字）和半湿润（年平均降水量大于500毫米，蓝色数字）地区面积减少、稳定和增加的比例变化（D）。
根据SM系统等级的时间变化，本研究发现，增加的区域主要分布在有灌溉条件的黄河周边地区（图4C）。而大部分减少的区域集中在半干旱地区和黄土高原南部。合计占黄土高原总面积的18%（图 4D）。与半湿润地区（3%）相比，半干旱地区的衰退面积比例较高，占15%。本研究结果证实，1999年后，土地管理安全更多地依赖于土地用途的转换。
随着时间的推移，中国黄土高原季风关键带的深层土壤水分储量显著下降，这主要是受到气候变化和土地利用转化加剧的影响。虽然气候变化略微导致了深层土壤储量的增加，但深层土壤水分储量的下降是由人类引起的土地利用变化造成的。值得注意的是，土地利用转换已导致土壤水分在更大区域的更深层下降，这加剧了以季风气候和密集土地利用转换为特征的黄土地区的土壤水分安全问题。全球对通过植树造林加强碳固存、实现碳中和的需求不断增长，预计这将加剧土壤安全风险，尤其是在半干旱地区。为有效降低这些风险，未来必须制定并实施稳健可行的土地利用管理政策。我们的研究结果不仅有助于理解黄土高原社会系统与自然系统之间的相互影响，促进SM资源管理，还可作为一个案例，说明如何在地球系统科学研究中定量区分人为影响和自然过程。
作者 | 王子涵
编辑 | 回毅滢
