《CATENA》：Multi-pathway vegetation restoration drives differential carbon sequestration regulated by hydrogeological conditions in Lijiang River Basin
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喀斯特生态系统碳汇潜力受水文地质条件调控，基于丽江河流域案例，整合遥感数据与CASA模型发现：水文地质单元主导碳汇空间异质性，土壤有机碳与地形粗糙度协同驱动净生态系统生产力，水力连通性在贫瘠土壤区补偿碳汇效应。人工林短期碳增益显著，自然再生长期潜力更优，2007年后植被覆盖反超非喀斯特区，揭示环境-过程-响应（EPR）协同机制对精准修复策略的指导意义。
冯淑敏|吴秀琴|曹建华|杨辉|黄芬|张连凯|周金星
北京林业大学水土保持学院，中国北京100083
摘要
喀斯特生态系统是全球碳汇中一个脆弱但重要的组成部分。尽管植被恢复被认为是提高喀斯特生态系统碳封存能力的关键，但不同水文地质条件如何调节不同恢复途径对陆地碳封存效果的影响机制仍知之甚少。为填补这一知识空白，我们在中国西南部典型的喀斯特流域——漓江流域进行了案例研究。该地区经历了严重的岩石荒漠化，近年来进行了大规模的植被恢复工作。本研究整合了多源遥感数据、精细的水文地质分类模型和CASA模型，以量化碳封存的时空动态。根据土地利用变化轨迹，我们划分了六种植被恢复途径，涵盖了所有恢复方法。结果表明，碳封存的空间异质性主要受水文地质条件调控。土壤有机碳与地形粗糙度之间的协同作用被认为是净生态系统生产力的核心驱动因素，而在土壤肥力有限的地区，水文连通性起到了重要的补偿作用。恢复途径的有效性高度依赖于具体环境。人工种植的森林在短期内碳收益较高，而自然恢复在排水良好的生境中表现出更强的长期潜力。从时间上看，2007年后喀斯特地区的植被覆盖度超过了非喀斯特地区，这表明在大规模恢复政策实施后，后者具有明显的后期优势。本研究揭示了一种协同调控机制，为喀斯特地区的生态恢复策略的精准优化提供了空间明确的科学依据。
引言
喀斯特生态系统占地球陆地面积的12%，其脆弱的水文地质条件严重限制了陆地碳循环（Zhang等人，2022a；Zhang等人，2022b）。强烈的侵蚀导致土壤表层有机质容易流失（Luo等人，2024；Tu等人，2025）。再加上复杂的地表-地下水文结构，这些地区的生态系统恢复明显滞后于非喀斯特地区（Liu等人，2024）。因此，在全球碳中和战略背景下，了解喀斯特地区植被恢复对陆地碳封存的影响机制已成为连接生态恢复和气候目标的关键科学课题（Wang等人，2023；Wang等人，2023c；Wu等人，2023a；Wu等人，2023b）。中国漓江流域（LRB）作为一个典型的喀斯特景观，由于数十年的岩石荒漠化控制和生态系统恢复工作，为探索这一机制提供了天然实验室（Chen和Lian，2016）。
增加植被覆盖度被认为是提高喀斯特生态系统碳封存能力的关键（Gao等人，2021；Zhong等人，2022）。然而，不同植被恢复途径在实现这一目标方面的有效性尚未得到充分量化和比较（Yang等人，2023）。未能识别出最有效的途径不仅会限制恢复效果和喀斯特碳汇潜力的实现（Yi等人，2023），还可能无意中加剧对脆弱土壤和水资源的压力。因此，系统比较不同植被恢复途径的碳封存效果对于优化喀斯特地区的策略至关重要。这种比较必须考虑喀斯特环境的高度异质性（Chen等人，2024a；Chen等人，2024b；Guo等人，2024）。水文地质条件与植被恢复途径之间的协同调控机制日益被视为影响生态系统结果的关键因素。来自不同生态系统的证据表明，如地下水位深度、排水强度和土壤地球化学性质等水文地质条件决定了水分可用性和养分保持能力，从而影响恢复效果（Glodzik和Cohen，2025；Li等人，2025）。此外，成功的针对性恢复表明，调整这些水文地质参数通常是建立理想植物群落的前提（Rufaut等人，2025）。忽视这种空间异质性及其对不同恢复途径下碳汇的不同调节作用，会扭曲驱动机制的分析，并阻碍针对特定生境的最优策略的确定（Dai等人，2025）。此外，喀斯特地区与非喀斯特地区之间可能存在根本性差异。即使在相似的恢复途径下，由于水文地质条件的不同，植被恢复动态及其相关的碳封存响应也会有所不同（Wang等人，2024a；Wang等人，2024b；Wu等人，2025）。因此，本研究的核心科学问题是：在不同水文地质条件和不同植被恢复途径下，喀斯特地区与非喀斯特地区在陆地碳封存方面的响应有何差异？
然而，回答这个问题在方法上具有挑战性。恢复过程受到水文、地形、土壤和人为因素之间高度非线性相互作用的影响，这些因素都在一个高度异质的空间环境中发挥作用（Chen等人，2021；Zhu等人，2023）。虽然喀斯特碳封存的理论框架已经成熟（Liu等人，2023；Wang等人，2025；Wu等人，2023a；Wu等人，2023b），但捕捉细尺度水文地质异质性如何调节恢复结果的方法仍需进一步探索。传统方法（如统计相关性、过程模拟）有助于分离各个因素的作用（Jiao等人，2024；Zhang等人，2022a；Zhang等人，2022b），但可能不足以捕捉它们通过系统级非线性相互作用和空间依赖性的综合效应。同样，像DPSIR（驱动因素、压力、状态、影响、响应）（Kyere-Boateng和Marek，2021）和生态系统韧性（Fang等人，2022）这样的成熟框架提供了有价值的系统视角，但通常需要事先了解因果关系，这限制了它们在复杂相互作用尚未明确定义的情境中的适用性。
为解决这些差距，我们开发了环境-过程-响应（EPR）框架。该框架整合了三个核心组成部分：水文地质分区、植被动态和碳封存的空间分析。该框架的核心逻辑是将复杂的喀斯特景观划分为可管理的水文地质单元，从而系统地关联植被恢复动态与每个单元内的碳封存结果。这种结构明确地将环境、过程和功能联系起来，重点关注喀斯特系统中的空间反馈和复杂非线性动态。EPR框架的一个关键优势是它不预先假设主导因素，从而可以直接从数据中揭示关键调控机制。这种方法本质上适应了空间异质性，增强了破碎生境的稳健性，并专门设计用于生成空间明确的恢复优先级。
因此，本研究将综合的EPR框架应用于漓江喀斯特流域。通过整合长期遥感数据、水文地质分类和CASA模型，系统地探讨了植被恢复过程与碳封存之间的动态耦合，为喀斯特地区的精准生态恢复管理提供了空间明确的依据。
研究区域概述
漓江流域（24°18′-25°40′N，109°45′-110°40′E）位于中国广西壮族自治区东北部。它发源于兴安县的马厄山东坡（Hong等人，2024），是珠江系统桂江上游的一部分（图1）。该流域总面积为5837.9平方公里，其中超过77%为喀斯特地区。该地区具有亚热带季风气候，年平均气温为18–21°C，年降水量
水文地质单元分类
通过计算各种参数之间的斯皮尔曼相关系数矩阵（图2）并去除冗余参数，保留了10个变量：圆形度比（）、流域起伏（H）、排水强度（）、地表径流长度（）、排水纹理（）、坡向、地形粗糙度（TR）、粗大碎屑丰度（COA）、土壤有机碳（SOC）和阳离子交换容量（CEC）。聚类分析划分出四个水文地质单元（H?至H?）（图3）。这些单元是
讨论
EPR框架改进了现有的理论方法。它基于这样一个假设：将复杂景观划分为水文地质单元可以揭示恢复途径效果如何受到局部环境条件的调节。与以往仅关注热带喀斯特地区土地利用影响（Ansari等人，2024）或稳定迪纳里克地区碳库（Valjavec等人，2022）的研究不同，我们的分析直接探讨了漓江流域内的这种协同调节机制
结论
本研究在喀斯特漓江流域进行，超越了简单的碳封存量化，揭示了影响碳封存的情境依赖机制。通过将水文地质分区与植被恢复途径的分析相结合，我们得出了以下核心结论，这些结论共同支持了喀斯特景观精准恢复的理念。
(1)水文地质基础决定了碳汇的潜力和稳定性。我们证明了
CRediT作者贡献声明
冯淑敏：撰写——初稿、可视化、方法论、数据整理、概念化。吴秀琴：撰写——审稿与编辑、监督、方法论。曹建华：项目管理、方法论、资金获取。杨辉：资源协调、调查。黄芬：资源协调、调查。张连凯：资源协调、调查。周金星：资源协调、调查。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性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（项目编号：42361144885）的支持。
