中国干旱地区植被恢复力变化受气候和土壤因素的非线性调控

《Journal of Arid Environments》：Nonlinear regulation of vegetation resilience changes by climate and soil factors in China's drylands

植被恢复力评估与驱动机制研究揭示气候与土壤阈值的关键作用，为干旱区生态管理提供科学依据。

　　

徐晓娜|张华勇|王中宇|马帅帅

华北电力大学工程生态与非线性科学研究中心，北京，102206，中国

摘要

植被恢复力对于维持结构和功能稳定性至关重要，而这在干旱地区容易受到自然和人类活动的影响。然而，关于不同干旱生态系统中的植被恢复力背后的机制，仍存在显著的知识空白。我们使用滞后1自相关系数来评估中国干旱地区的植被恢复力。此外，还应用了极端梯度提升（XGBoost）算法、Shapley加性解释（SHAP）和广义加性模型（GAMs）来研究潜在的驱动机制并确定关键阈值。结果表明，大多数地区要么呈现持续下降的趋势（27.63%），要么先增加后下降（32.17%）。气候因素影响最大，较低的温度对于维持干旱（<2.27°C）和半干旱（<5.22°C）子区域的高恢复力至关重要。此外，低降水量变异性（<12.41 mm）和蒸气压亏缺变异性（<0.24 kPa）分别显著增强了干旱和半干旱子区域的植被恢复力。高土壤阳离子交换能力（>14.75 me/100 g）、低温（<1.2°C）和中等海拔（1698.52–5294.30 m）有利于维持干旱半湿润子区域的高植被恢复力。这些发现为在全球类似地区制定有效的植被恢复和生态保护策略提供了科学依据。

引言

植被恢复力是指生态系统在外部干扰下维持其功能、结构和稳定性的能力，并通过自我调节机制恢复到原始状态（Boulton等人，2022；Zhao等人，2025b）。最近的研究表明，尽管植被覆盖率总体呈绿化趋势，但许多生态系统的恢复力却在下降（Bernardino等人，2025；Cai等人，2025）。这表明生态系统健康可能正朝着不利于可持续发展的方向演变（Chen等人，2025）。生态系统面临着日益增长的环境压力，其稳定性和适应性受到严重威胁（Luo等人，2025；Tian等人，2025）。由于生态过程的非线性动态，当生态系统接近或超过其生态阈值时，可能会引发不可逆的严重后果（Groffman等人，2006）。因此，研究潜在的驱动因素并探索植被对关键外部因素和状态转变轨迹的响应对于制定有效的缓解策略至关重要。

干旱生态系统受到多种环境和生物因素的相互作用的影响，包括气候变化、土壤物理化学性质、地形特征、人类活动以及生态系统结构（Srivastava等人，2024；Xu等人，2025）。这些因素在不同的时空尺度上影响生态过程，共同塑造了其恢复力。在全球气候变化的背景下，气候因素是植被恢复力下降的关键驱动因素，但不同生态系统之间存在显著的机制差异（Boulton等人，2022；Liu等人，2025）。具体来说，降水量变异性和温度升高显著导致了黄土高原植被恢复力的下降（Wang等人，2023）。相比之下，在中国西南部，水资源的增加和辐射压力的减少共同促进了植被恢复力的变化（Chen等人，2025）。在湿润地区，变暖是恢复力下降的主要因素，而在干旱地区，水分条件的变异性是恢复力下降的主要原因（Zhang等人，2025）。目前关于植被恢复力的研究主要集中在气候因素上，而其他环境驱动因素（包括地形和人类活动，尤其是土壤性质）的影响则相对被忽视。此外，生物属性（如植物多样性）在塑造恢复力方面的作用也尚未得到充分探索。这种缺乏多维度视角的情况限制了对植被稳定性机制的全面理解。

干旱地区约占全球陆地面积的45%，并且呈现出持续的扩张趋势（Zhao等人，2025a）。中国的干旱地区是世界上最大的干旱区域之一（Li等人，2021）。它们的生态安全和稳定性对国家和全球环境都具有重大意义。这些广泛的干旱地区以稀疏的植被和高度敏感于水分压力的生态过程为特征，导致生态系统极不稳定。因此，干旱地区被视为研究植被恢复力形成和维持机制的关键区域。研究中国干旱地区植被恢复力的驱动机制具有重要的科学价值和紧迫性，有助于揭示脆弱生态系统如何维持稳定性，预警生态退化风险，并制定适应性管理策略。

为了解决这一研究空白，我们评估了2000年至2020年间中国不同干旱子区域植被恢复力的时空动态和驱动机制。具体而言，我们的目标是：（1）计算滞后1自相关系数以量化植被恢复力并研究时空动态；（2）使用极端梯度提升（XGBoost）算法和Shapley加性解释（SHAP）方法来确定影响不同干旱子区域恢复力变化的主要驱动因素；（3）利用部分依赖图和广义加性模型（GAMs）揭示关键因素对恢复力和生态阈值的非线性影响。这些发现为该地区的生态恢复项目的可持续性提供了科学依据。

研究区域

中国干旱地区的定义基于干旱指数（AI），这是一个评估区域水分状况的关键参数（Chen等人，2024）。该指数全面反映了地表水分平衡的基本特征（Hosseini等人，2025）。干旱地区被定义为AI低于0.65的区域，这是根据多年平均降水量和多年平均潜在蒸散量来划分的（Fu等人，2024b；Zhao等人，2025a）。

不同干旱子区域中的恢复力模式

在中国干旱地区，植被恢复力表现出明显的区域异质性（图2a）。恢复力较高的区域（较低的AR（1）值）主要分布在中国东北部，特别是在内蒙古和黑龙江省交界处的大兴安岭山脉，以及山西的太行山和吕梁山、南部黄土高原和青藏高原的部分地区。相比之下，恢复力较低的区域（较高的AR（1）值）则分布在...

讨论

植被恢复力能够捕捉生态系统在接近临界阈值时的动态响应，为潜在的生态系统崩溃提供早期预警信号（Yang等人，2025）。我们发现，恢复力普遍下降，27.63%的地区呈现持续下降的趋势，32.17%的地区先增加后下降（图2a和b；表1）。值得注意的是，包括...

结论

总体而言，我们分析了中国干旱地区的时空动态和恢复力趋势，并确定了关键驱动因素和机制。我们的分析表明，不同的干旱子区域受到多种因素的影响。随着干旱程度的降低，气候因素的影响减弱，而非气候因素变得越来越重要。在干旱和半干旱子区域，气候因素的影响最大，其中温度是关键驱动因素。

作者贡献声明

徐晓娜：撰写——初稿、可视化、方法论、正式分析、数据整理、概念化。张华勇：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。王中宇：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、正式分析。马帅帅：方法论、正式分析。

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

本研究得到了国家重大水污染控制与处理科学技术计划（编号：2017ZX07101-002）和山东大学生命科学学院杰出教授张华勇的学科建设计划（编号：61200082363001）的支持。