《CATENA》：Diagnosing interaction between vegetation greening and terrestrial water storage changes in the arid and semi-arid Mongolian plateau
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本研究揭示蒙古高原植被绿化与陆地水储量异常（TWSA）存在显著双向互馈机制，73%区域植被单向影响TWSA，64%区域TWSA反向制约植被，47%区域存在双向因果。植被通过减少土壤向地下水补给加剧TWSA下降，而深层地下水对植被绿化的限制作用独立于植被类型，凸显水循环系统协同管理的重要性。
Jiahe Cui|Yun Pan|Yuchi Wang|Chong Zhang
北京首都师范大学水资源安全实验室，中国北京100048
摘要
水资源的可用性是影响植被绿化的关键因素，而植被绿化在调节水循环中起着重要作用。然而，在干旱和半干旱地区，植被绿化与水资源可用性之间的关系以及植被对水循环过程的影响仍不甚清楚。为了解决这个问题，我们使用格兰杰因果关系检验（Granger causality tests）和偏最小二乘路径建模（PLS-PM）研究了植被与陆地水储量异常（TWSA）之间的相互作用。蒙古高原（MP）超过一半的地区表现出植被绿化和TWSA下降的现象，并且植被绿化对TWSA变化有显著的滞后效应。在考虑滞后效应后，植被在73%的研究区域内对TWSA有单向影响，而TWSA在64%的MP区域内对植被有单向影响。此外，在47%以上的区域内，植被与TWSA之间存在双向因果关系，表明植被与TWSA之间的相互作用在MP范围内普遍存在。通过将TWSA分解为多个水成分并应用PLS-PM，我们发现植被绿化减少了土壤水分向地下水的补给，从而加剧了地下水储量的消耗。相反，深层地下水从表层土壤水分中的补给有限，这限制了植被的绿化。值得注意的是，地下水对植被绿化的制约作用似乎与植被类型无关。鉴于地下水在植被与TWSA相互作用中的关键作用，我们强调在水资源匮乏地区进行植被恢复工作时必须考虑地下水的可用性。
引言
干旱和半干旱地区的植被生长主要受水资源可用性的影响（Heimann和Reichstein，2008；Nemani等人，2003；Seddon等人，2016）。陆地水储量（TWS）的变化会影响植被质量和植被绿化的速度（Yang等人，2014b）。作为陆地生态系统的一个关键组成部分，植被在调节水分平衡中也起着关键作用（Donohue等人，2009）。因此，了解植被绿化与陆地水文条件之间的关系对于维持生态系统平衡和促进可持续发展至关重要（Ponce-Campos等人，2013）。
尽管某些地区出现了全球性的绿化现象，但不可持续的土地利用和气候变化已经导致世界12%以上的干旱地区退化——这一面积超过了500万平方公里——引发了荒漠化，威胁到2.13亿人的生计，其中大多数人生活在发展中国家（Burrell等人，2020）。因此，如何扭转这一趋势并促进可持续绿化是一个紧迫的优先事项（Lian等人，2021；Mao等人，2016）。中国尤其难以维持其干旱地区的生态平衡，并实施了多项大规模的生态恢复项目，旨在减少荒漠化并逐步“绿化”景观（Chen等人，2019；Wang等人，2016；Zhang等人，2023）。
然而，这样的绿化举措可能会改变生态系统的自给自足能力；也就是说，如果植被绿化所需的水量比本地植被更多（Fu等人，2024a；Zhao等人，2021）。最近的研究强调了植被绿化与水资源之间的复杂关系，特别是在干旱地区，绿化程度的增加会导致蒸散量（ET）增加，进而导致地下水和水资源产量下降（Yang等人，2023）。例如，植被生物量的增加减弱了环境温度和降水量对干旱地区土壤温度和TWS的影响（Hoek van Dijke等人，2022；Mao等人，2023；Xu等人，2023）。
干旱地区水文循环的机制非常复杂，涉及植被、大气和水文之间的多路径反馈和敏感性（Humphrey等人，2018；Reed等人，2012；Zhou等人，2021）。许多研究表明，水资源可用性是植被生长的主要限制因素，其次是温度和太阳辐射（Song等人，2024；Zhang等人，2021）。虽然降水量通常被用作“水资源可用性”的代理指标，但它只能间接反映地表土壤的水分状况（Yang等人，2014b）。在干旱地区，土壤水分作为植被的直接水源，与植被动态密切相关，而且土壤水分已被证明比单独的降水量更能准确或有效地衡量植物生长所需的水量（Ndehedehe等人，2019；Nicolai-Shaw等人，2017）。尽管水资源可用性的空间异质性会导致径流水的重新分布，并在特定的NDVI阈值下产生水积累与植被生长之间的正反馈，但一旦超过该阈值，这种重新分布效应会显著减弱，特别是在人类活动频繁的地区（Rodríguez-Lozano等人，2025）。同时，作为依赖地下水的生态系统的潜在分布区，干旱地区的地下水呈现下降趋势，这突显了在这些脆弱环境中协调管理植被和水资源的迫切需求（Rohde等人，2024）。
由于水文通量在陆地水分平衡中的不同作用，TWS的变化越来越多地被用来评估植被恢复对区域水资源的整体影响（Zhao等人，2021）。TWS是一个综合指标，包括雪、冰川、地下水、土壤水分和地表水（Rodell等人，2018）。在多个地区的研究表明，干旱地区的植被生长加剧了TWSA的减少，而在湿润地区，TWSA则影响植被的绿化程度（Andrew等人，2017；Velicogna等人，2015；Xie等人，2019）。
重力恢复和气候实验（GRACE）为研究干旱地区植被对TWS的时空响应提供了独特的机会（Gerdener等人，2022）。关于澳大利亚植被绿化对TWS异常（TWSA）响应的研究表明，TWSA能够有效捕捉植被绿化的季节性和年际变化（Yang等人，2014b）。此外，TWSA不仅通过改变水资源可用性直接影响植被，还通过调节植被对温度的响应间接影响植被（Velicogna等人，2015）。Papagiannopoulou等人（2017）提出了一种非线性的格兰杰因果关系形式来分析气候变化与植被动态之间的关系。全球格兰杰因果关系测试结果表明，超过17%的全球区域表现出植被绿化与TWS之间的强烈相互作用（Xie等人，2019），而46.8%的区域显示出植被生产力与水资源之间的双向依赖性（Liu等人，2024）。
在中国，Xiao等人（2023）发现了归一化植被指数（NDVI）与TWS之间的统计上显著的双向格兰杰因果关系。简单来说，不仅水资源可用性影响植被生长，植被变化（例如绿化）也通过蒸散作用和水文反馈影响水资源储存——尤其是在干旱地区。此外，TWS和NDVI对彼此有显著的滞后响应，这受到区域湿度和干旱条件的影响（Xiao等人，2023）。在三北地区，一个重要的生态恢复区域，TWSA减少了45.2%，这主要归因于植被恢复工作（Chen等人，2024）。虽然这些发现表明植被生长与TWSA之间存在相互作用，但在干旱地区需要进一步研究以更好地理解陆地水与植被之间的关系。目前，很少有研究关注这些地区植被和水文成分之间的响应、敏感性和机制。因此，需要更多的研究来深入理解水文成分-植被相互作用及其对植被的全面影响。
本研究调查了蒙古高原（MP）上植被绿化与TWSA之间的反馈机制，该地区是一个巨大的半干旱干旱区，其中许多区域已被用于农业或作为中国生态恢复计划的一部分重新转化为森林。本研究的主要目标是（1）调查和展示NDVI（植被绿化程度）对TWSA的敏感性；（2）量化不同植被类型与陆地水条件之间的非线性相互作用；最终（3）阐明植被绿化与TWSA变化之间的相互作用机制。
研究区域
作为全球草原生物群落的关键组成部分，蒙古高原（MP）在东亚及更广泛地区的碳循环和水循环中起着关键作用。MP覆盖了东亚中部的干旱和半干旱地区，包括中国的内蒙古自治区（IM）和蒙古（MG）（图1a）；（Miao等人，2017；Zhao等人，2015）。该高原面积约为2.6×10^6平方公里，是一个位于北纬37.61°至53.35°、东经87.83°之间的内陆高原。
NDVI和TWSA的空间趋势
图3a显示了MP地区植被绿化的历史变化。在过去几年中，几乎90%的MP地区经历了植被绿化，大约35%的景观（主要集中在MP的北部和东南部）显示出绿化趋势（p < 0.05）。相比之下，MP只有1.24%的地区植被显著减少（p < 0.05）。与MG相比，IM的植被绿化更为明显，NDVI的增加更为显著。
植被绿化与TWSA的时空耦合趋势
过去二十年来，MP地区植被覆盖率的显著增加引发了明显的水文响应，这通过NDVI和TWSA的耦合空间趋势得到了证明（Li等人，2023）。空间叠加分析显示，大约10%的MP地区同时经历了植被绿化的显著增加和陆地水储量的显著减少（图3）。这些区域主要集中在人类活动频繁的地区。
结论
本研究考察了2002年4月至2022年12月期间蒙古高原上NDVI与TWSA之间的非线性相互作用。趋势分析显示，88.65%的地区植被绿化程度增加，而TWSA从东向西呈现出明显的下降趋势。大约10%的地区——主要是草原和戈壁地区——同时经历了NDVI的增加和TWSA的显著减少。
部分相关性和滞后分析表明
CRediT作者贡献声明
Jiahe Cui：撰写——原始草案、软件、方法论、概念化。Yun Pan：撰写——审阅与编辑。Yuchi Wang：可视化、验证。Chong Zhang：项目管理、资金获取。
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
本工作得到了国家自然科学基金（42201345）的支持。
