黄土高原上土壤保护功能对植被动态及恢复潜力的响应

《CATENA》：Response of soil conservation functions to vegetation dynamics and restoration potential on the Loess Plateau

植被覆盖动态及恢复潜力对黄土高原土壤保持的影响研究。基于InVEST模型与多尺度地理加权回归（MGWR），分析2000-2020年植被覆盖度（FVC）从0.50增至0.62，86.96%区域实现绿化，并预测未来FVC达0.73。研究表明地形（LS）和降雨侵蚀力（R）是主要稳定驱动因子，植被影响显著增强，尤其在核心生态区。情景分析显示植被恢复对土壤保持的贡献逐年递减。

　　

郭晓雪|田鹏|赵广菊|高鹏|马超辉|单瑞|周嘉辉|穆行民

中国陕西省杨凌市西北农林科技大学水土保持科学与工程学院，国家水土保持与荒漠化控制重点实验室，邮编712100

摘要

生态恢复项目驱动的植被覆盖变化显著影响了生态系统功能的时空格局。本研究旨在明确黄土高原上土壤保护（SC）对植被动态和恢复潜力的响应。利用基于滑动窗口的相似生境潜力模型预测了植被恢复的未来潜力。通过将InVEST模型与多尺度地理加权回归（MGWR）相结合，阐明了土壤保护驱动机制的时空异质性，并通过情景分析量化了植被变化对土壤保护的净贡献。结果显示，年平均植被覆盖度（FVC）从2000年的0.50增加到2020年的0.62，研究区域86.96%发生了绿化。在当前气候条件下，未来FVC预计将达到0.73。黄土高原上的恢复潜力存在显著差异，67.11%的区域已接近其恢复极限，只有6.86%的区域（主要位于黄土高原的西北部）仍保持较高的恢复潜力。同期，年土壤保护总量增加了42.91%。MGWR结果表明，地形（LS）和降雨侵蚀力（R）因素是控制土壤保护模式的主要且稳定的驱动因素。相比之下，植被（FVC）因素的影响从2000年到2020年显著增强，无论是在空间范围还是强度上，尤其是在核心生态项目区域，这突显了植被在调节土壤保护中的日益重要作用。基于情景的量化分析表明，植被恢复在2000–2010年、2010–2020年以及潜在植被条件下分别贡献了1.20×10⁹吨、0.93×10⁹吨和0.87×10⁹吨的土壤保护效益，显示出边际效益逐渐减少的趋势。这些发现可为未来区域生态系统管理和相关土壤保护策略的制定提供科学支持。

引言

生态系统功能指的是自然过程和组成部分提供满足人类需求的商品和服务的能力，无论是直接还是间接的（de Groot, 1992）。土壤保护是重要的生态系统调节功能之一，在维持农业生产力、防止土壤侵蚀、滑坡和沙尘暴造成的损害方面发挥着关键作用。随着人口增长和对自然资源的过度需求，土壤保护功能遭受了严重破坏，导致了一系列生态问题，如土地退化、土壤流失、农业生产力下降、水库淤积和洪水风险加剧（Clausen和York, 2008; Malhi等人, 2020）。因此，许多国家和地区采取了各种大规模生态恢复项目来改善土壤保护功能（Bryan等人, 2018; Bullock等人, 2011; Crouzeilles等人, 2016; Gutsch等人, 2018）。在这种情况下，清晰理解植被恢复对土壤保护的驱动因素和贡献对于指导区域生态系统治理和制定有效的土壤保护策略至关重要。

鉴于土壤侵蚀的巨大危害，已经开发了许多方法来评估土壤保护并探索其驱动机制。目前的土壤保护评估方法主要包括野外调查和模型模拟（Qiu等人, 2023; Wang等人, 2023）。虽然野外测量适用于局部尺度和短期研究，但需要大量劳动力和较高成本。相比之下，模型为流域或区域尺度的土壤保护评估提供了更高效和便捷的方法。广泛使用的模型包括RUSLE、WEPP和InVEST。其中，InVEST模型因其用户友好的界面、更高的灵活性、准确的结果和全球适用性而得到广泛应用，在土壤保护评估中产生了大量可靠的研究成果（Fang等人, 2022; Jian等人, 2024; Perovi?等人, 2019）。此外，通过纳入泥沙输送路径，InVEST模型增强了基础的RUSLE框架，从而更准确地模拟了土壤保护效果。以往的研究侧重于分析全球尺度上土壤保护与驱动因素之间的复杂关系（Borrelli等人, 2017, Gao等人, 2025, An等人, 2022）。然而，由于驱动因素内在的空间异质性，土壤保护表现出显著的空间变异。传统的全球回归模型，如广义线性回归（GLR）和普通最小二乘（OLS），无法描述这些空间非平稳关系，因为它们无法揭示局部尺度上的变量相关性，可能会掩盖关键的机制驱动因素（Brunsdon等人, 1996; Khaledian等人, 2017; Khalilmoghadam等人, 2009）。为了解决这一限制，Fotheringham等人（2017）提出了多尺度地理加权回归（MGWR）模型，该模型可以通过允许回归系数在地理上变化来捕捉空间变异，从而反映解释变量对响应变量的空间变化影响。

许多研究表明，大规模生态恢复项目后土壤保护发生了显著变化（Bai等人, 2019; Dimitriou和Zacharias, 2010; Shi等人, 2015）。这些研究主要评估了植被历史变化对土壤保护功能的影响，但缺乏对未来趋势的预测。因此，有必要预测植被恢复潜力及其对未来区域土壤保护的影响。目前，用于植被恢复潜力的方法是动态全球植被模型，如LPJ和IBIS等。这些模型大多是为全球尺度的自然植被演替开发的，但忽略了人为因素对植被恢复的影响，限制了它们在区域生态恢复中的适用性。一些研究开发了类似生境潜力模型来描述区域尺度的植被恢复潜力（Gao等人, 2017; Nauman等人, 2017; Zhang等人, 2020）。相似生境被定义为具有相似自然条件（如地形、土壤和气象）的位置，表现出相似的景观和植被覆盖。根据这一原理，Gao等人（2017）将其研究区域划分为480个相似生境，并使用NDVI数据集评估植被恢复潜力。在同一研究区域内，Zhao等人（2021）也使用了类似生境潜力模型，排除了耕地、水域和建设用地的影响来确定植被恢复潜力。该方法基于植被生长结果，从而可以提高区域植被恢复潜力的效率和准确性。

中国的黄土高原（LP）以严重的侵蚀和极其脆弱的生态环境为特征，这严重威胁到了农民的生计和农业生产。据报道，LP的年平均土壤侵蚀率在5000至10,000吨/平方公里·年之间，占黄河泥沙负荷的约90%（Ren, 2006; Shi和Shao, 2000）。1999年，实施了名为“ Grain for Green”（GFG）的大规模生态恢复项目，以缓解严重的土壤侵蚀，并取得了显著的管理成果。该地区从“黄色”景观转变为“绿色”景观，植被覆盖度从20世纪80年代的30%增加到2018年的约70%（Fu等人, 2017; Tian等人, 2023）。因此，土壤侵蚀率和泥沙负荷显著下降。位于黄河流域95%控制范围内的Huayuankou站的年平均泥沙负荷从1957–1979年的12.77×10⁸吨/年下降到2000–2012年的1.04×10⁸吨/年（Zhao等人, 2017a）。最近的研究表明，植被恢复对减少土壤侵蚀有显著贡献（Sun等人, 2020, Wang等人, 2016, Zhao等人, 2017b）。根据Tian等人（2023）的研究，LP上的植被动态使土壤侵蚀率从2000年到2018年减少了51.2%。因此，深入研究“GFG”项目引起的植被变化对土壤保护的响应对于理解该生态项目的效益非常有价值。

尽管进行了许多研究来分析LP上植被恢复历史变化对土壤保护的影响，但很少有研究关注未来的植被恢复潜力和土壤保护变化。因此，本研究使用InVEST模型和基于滑动窗口的相似生境潜力模型来量化植被恢复潜力对土壤保护的影响，为调节生态恢复提供了更好的支持。本研究的目标是：（1）评估植被的时空变异性并预测LP上的植被恢复潜力；（2）探索土壤保护变化的驱动机制；（3）量化植被历史变化和未来潜力对土壤保护的贡献。

研究区域

研究区域

黄土高原（北纬33°43′-41°16′，东经100°54′-114°33′）位于中国西北部的黄河上游和中游，总面积为64.62×10⁴平方公里（图1）。海拔范围从90米到5107米不等，西北部较高，西南部较低。这里是世界上最大的黄土沉积区，黄土厚度在100至300米之间。该地区主要位于半湿润和半干旱的过渡带，具有年均

2000年至2020年植被覆盖度的时空变化

自1999年“GFG”项目实施以来，LP地区的植被覆盖度得到了显著改善。2000–2020年间，总体FVC呈显著增长趋势（0.005年^?1，P < 0.05），从2000年的0.50增加到2020年的0.62（图3a）。Theil–Sen趋势分析显示，过去21年中86.96%的研究区域FVC呈现增长趋势。在这些区域中，56.41%的区域FVC增长极为显著，主要集中在

植被恢复驱动的土壤保护增强机制

自1999年中国实施“Grain for Green”项目以来，LP经历了显著的植被恢复（Fu等人, 2011; Ge等人, 2025; Zhao等人, 2013）。我们的研究结果表明，LP上的年平均植被覆盖度（FVC）从2000年到2020年显著增加了24%，86.96%的研究区域出现了绿化趋势，特别是在丘陵沟壑和高平原地区尤为明显。这些发现与以往的研究结果一致（Li等人

结论

本研究全面分析了2000年至2020年间LP上植被覆盖度和土壤保护的时空变化，预测了未来的植被恢复潜力，并阐明了土壤保护动态背后的驱动机制。主要发现如下：

从2000年到2020年，FVC呈显著增长趋势（0.005年^?1，P < 0.05），86.96%的研究区域发生了绿化。未来预测表明，平均FVC可能会继续增加

CRediT作者贡献声明

郭晓雪：写作 – 审稿与编辑，撰写原始稿件，可视化，软件应用，方法论研究，概念化。田鹏：验证，监督，资金获取。赵广菊：监督，方法论研究，资金获取，概念化。高鹏：方法论研究，调查，资金获取。马超辉：监督，数据管理。单瑞：监督，数据管理。周嘉辉：监督，数据管理。穆行民：监督，项目统筹

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（U2243211, 42177323, 42277354）和南京水利研究院研究基金（Y924003, Rc923003）的支持。同时感谢审稿人的宝贵意见，这些意见极大地提高了论文的质量。