概述
这篇文章通过37年的数据分析，探讨了中国黄土高原季风临界区（CLP-CZ）土壤水分动态的变化，重点分析了土地利用转换和气候变化的影响。研究显示，土壤水分的下降主要是由人类活动——特别是大规模的造林项目（如“退耕还林”计划）导致的，而非气候变化的直接影响。尤其在干旱和半干旱地区，土地利用的变化导致了深层土壤水分的显著减少，这不仅影响了土壤水分的可用性，也威胁到了当地生态系统的稳定性。本文还通过区域性数据，展示了不同土地利用类型对土壤水分动态的影响，强调了深层土壤水分的变化如何受到森林、草地及耕地之间转换的驱动。研究结果强调了制定可持续土地管理政策以应对未来气候变化的必要性。
结果与讨论
在研究的站点尺度上，结果显示土地利用转换从耕地到恢复的森林和草地，导致土壤水分0-18米深度区域显著减少，平均减少幅度为18%。尤其是在半干旱地区，土壤水分的减少幅度达到21%，这表明强烈的土地利用转换对土壤水分缺失起到了主要作用。此外，尽管气候变化带来了一些气候影响，如降水的增加，但其对土壤水分的影响远不如土地利用转换显著。
图1：中国季风黄土高原临界区（CLP-CZ）分布
在区域尺度上，过去37年里，黄土高原季风临界区0-10米深度的土壤水分存储总体呈现下降趋势，尤其是在1999年之后，随着“退耕还林”项目的实施，土壤水分出现了显著的下降。在1999年前，气候因素对土壤水分的影响较小，而土地利用转换则主导了这一时期的土壤水分变化。
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米深度的土壤水分内容的平均垂直分布
通过双重质量曲线分析，研究发现气候变化对土壤水分下降的贡献为-8%，而土地利用转换的贡献高达108%。这表明尽管气候变化略有增加土壤水分，但土地利用变化才是土壤水分下降的主要驱动因素。
图3
1985至2021年间，CLP-CZ区域4,926个土壤剖面在0至10米深度的土壤水分储量的时间变化（A）。B. 土壤水分储量累积值与累积的蒸散-降水（PET-P）之间的关系，用于计算气候变化和土地利用转换对土壤水分储量下降的贡献。C. 1985至2021年间CLP-CZ的气候因素变化。D. 1985至2021年间CLP-CZ三种土地利用的归一化植被指数（NDVI）变化及区域异常。图（D）中的插图条形图表示第一阶段和第二阶段森林区域异常拟合的斜率（k）。图（A）和（C）中的所有拟合线的阴影区域表示回归的95%置信区间。图（A）中的N表示第一阶段和第二阶段土壤剖面的数量；图（B）和（C）中的PET和P分别表示蒸散量和降水量。
随着土壤水分的下降，研究还对土壤水分安全进行了评估。研究发现，黄土高原季风临界区的干区和湿区面积都出现了下降，而过渡区则迅速增加。这一变化主要发生在干旱和半干旱地区，特别是在大规模造林和灌溉扩展的区域。这些区域的土壤水分缺乏已转变为高风险区域，威胁到水资源的可持续利用。
图4：CLP-CZ区域土壤水分状态的空间模式
为了应对土壤水分下降带来的威胁，研究建议采取可持续的土地管理策略，如适度减少造林密度、选择适合的水分需求较低的树种，以及实施水效益灌溉等措施。通过综合考虑气候变化和土地利用转换的影响，可以更好地保障土壤水分的安全和生态系统的持续性。
数据与方法
研究使用了现场监测和区域数据相结合的方法，通过深层土壤水分监测数据，分析了黄土高原季风临界区不同土地利用类型对土壤水分的影响。数据收集涵盖了1985至2021年期间，研究区域包括29个监测点，最大监测深度为18米。同时，利用双重质量曲线和Pettitt测试等方法，量化了土地利用转换和气候变化对土壤水分下降的贡献。此外，结合气候、植被、土壤和地形数据，研究评估了土壤水分的安全状况，并识别了土壤水分缺乏的高风险区域。
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., Soil moisture decline in China’s monsoon loess critical zone: More a result of land-use conversion than climate change. Proc. Natl. Acad. Sci. 121, e2322127121 (2024). https://doi.org/10.1073/pnas.2322127121
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