PNAS：地球环境所揭示中国季风黄土关键带土壤水分减少的主控因素

地球关键带是指植被冠层顶部至地下水底部的区域，位于大气圈、生物圈、土壤圈、水圈、岩石圈的交汇地带，它的提出为理解地球表层系统提供了一个统一的框架。土壤水分仅占全球淡水的0.05%，但在维持地球关键带结构、功能与服务方面扮演着重要角色。土壤水分穿越并连接地球关键带的多个圈层，是关键带物质能量迁移转化的重要载体。

已有研究表明，人类大规模的植树造林对全球变绿和生态服务功能改善做出了突出贡献，但往往以过度消耗土壤水分为代价。随着人类活动（如，从耕地到森林/草地的土地利用转换）和气候变化（如，季风降水增加）的不断增强，地球关键带中的土壤水分（特别是植被根系可以利用的深层土壤水分）正在发生深刻变化。然而，在地球系统科学领域，由于长期原位观测数据的缺乏，如何区分人类活动和气候变化对深层土壤水分变化的相对影响，仍然是一个艰巨的挑战。

鉴于此，中国科学院地球环境研究所“黄土关键带与生态环境安全”研究团队王云强研究员课题组联合国内外同行专家，以大规模人类活动和季风气候深刻影响的黄土高原地球关键带为研究对象，整合1985-2021年期间的土壤水分实地观测数据（包括29个监测点的土壤水分数据），从两个尺度上对中国季风黄土关键带过去37年的土壤水分动态进行分析，评估了土地利用转换和气候变化对深层土壤水分动态的影响。

样地尺度结果显示，土地利用类型的转变（农地退耕为林地/草地）是导致深层土壤水分减少的主要原因，使0-18 m深度的土壤水分减少了18%，并且这种减少随时间加剧。在区域尺度上，黄土高原0-10 m深层土壤储水量在1985-2021期间呈显著下降趋势，1999年是该显著下降趋势的拐点，这与退耕还林/草工程开始实施的时间相吻合；自1999年开始的植树造林活动对土壤储水量的减少起到了108%的作用，而气候变化仅对土壤储水量的减少起到了-8%的作用，表明土地利用转换是土壤储水量下降的主要原因。这种下降趋势使黄土高原总面积的18%处于危险状态，且主要分布在半干旱区，进而威胁区域土壤水分安全。为了减轻这种风险，未来的土地管理政策应充分认识土地利用转换的主导过程及其与气候变化的相互作用，这对保障土壤水分安全和维持黄土关键带服务功能至关重要。

此外，考虑到全球对于通过植树造林增强碳封存的需求，尤其是在追求碳中和的目标下，可能会增加半干旱地区的土壤水分安全风险。因此，未来的土地管理方案应兼顾植树造林和水分利用的关系，不仅要考虑适当优化造林，而且要考虑实施一些有针对性的措施（如，节水灌溉、植被管理和土壤保持技术），以实现有限土壤水资源的可持续利用。这些研究不仅提供了对黄土关键带土壤水资源管理中社会系统与自然系统相互作用的理解，而且是区分地球系统科学研究中人为活动和自然过程贡献的典型案例。

上述成果于近期发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，王云强研究员为文章第一和通讯作者，安芷生院士为共同通讯作者。该研究得到中国科学院战略先导专项（XDB40020203）、国家重点研发计划（2019YFA0607303）、国家自然科学基金（41971045、U2243204、42177306）、中国科学院创新交叉团队等的共同资助。

相关文献：

Wang Y*, Hu W, Sun H, Zhao Y, Zhang P, Li Z, Zhou Z, Tong Y, Liu S, Zhou J, Huang M, Jia X, Clothier B, Shao M, Zhou W, An Z*. 2024. Soil moisture decline in China’s monsoon loess critical zone: More a result of land-use conversion than climate change. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121 (15) e2322127121, https://doi.org/10.1073/pnas.2322127121.

图1 黄土高原0-10 m土壤储水量和相关环境因子的时间变化规律

图2 1999年退耕还林/草前后土壤水分变化的空间分布与统计特征