定量分离由于农田转变为森林而导致的微地形与近地表特征之间的关系

《CATENA》：Quantitatively decoupling the relationships between microtopography and near-surface characteristics driven by farmland-to-forest conversion

地表微地形与近地表特性的协同演变机制研究——以退耕还林还草工程为例，采用土壤随机粗糙度与分形分析量化不同植被恢复年限下地表形态变异规律及驱动因素，发现微地形空间异质性随恢复年限延长呈非线性增强，黏粒含量、土壤有机碳和机械稳定性团聚体是主要驱动因子，植被特征与土壤质量共同促进地表粗糙度演变，为干旱半干旱区生态修复提供理论支撑。

　　

罗健|刘连|于瑞红

内蒙古大学生态与环境学院，呼和浩特 010021，中国

摘要

地表微地形是生态恢复的重要指标，它调节地表水文和生态过程。在中国，退耕还林（GFGP）项目的实施将易受侵蚀的农田转变为森林和草地系统，重塑了近地表特征并增强了土壤的抗侵蚀能力。然而，在GFGP背景下，地表微地形与近地表特征之间的协同演化机制仍不明确。本研究系统地揭示了不同植被恢复年份下微地形变化对近地表特征和土壤质量演变的响应机制。结果表明，土壤随机粗糙度从6.34毫米变化到32.91毫米，呈现出与恢复年限非线性的关系。多重分形分析表明，较长的恢复时间增加了微地形的空间异质性。植被特征（包括凋落物和根系质量）随着恢复年限的增加而显著提高，而地上生物量和植物高度则表现出明显的季节性变化。土壤性质（如水稳聚集体、粘土含量和有效氮）随着恢复时间的增加而提高，而有效钾和磷则下降。相比之下，总养分含量相对稳定。结构方程建模和 Mantel 检验确定粉砂、土壤有机碳和粘土是微地形变化的主要驱动因素，其中粉砂的整体效应最强。随着恢复年限的增加，土壤质量逐渐改善。这些发现对干旱和半干旱地区的生态恢复和可持续发展具有重要意义。

引言

微地形指的是地表的小尺度起伏，其特征是在局部区域内相对高程差异较小（5–25厘米）（Luo et al., 2017）。作为生态恢复的关键指标，微地形变化增强了微生境的异质性，这已被认为是推动植物物种多样性和植被格局发展的主要因素（Du et al., 2017）。通过影响地表水、热量和土壤养分的再分布，微地形在调节植物生长和确定植被类型方面起着关键作用（Liu et al., 2020）。反过来，植被生长和空间分布的变化影响了土壤颗粒的沉积和运输过程，导致近地表性质（如土壤物理化学特性）发生显著变化，进一步增强了微地形的变异性（Zhu et al., 2020a）。由于微地形的随机性和显著的空间异质性，对其进行定量描述仍然是一个挑战。在现有的指标中，土壤随机粗糙度是最常用的指标之一。然而，其主要局限性在于它仅捕捉了地表微地形的垂直分量，而没有考虑粗糙度元素的空间排列和结构特征（Zhao et al., 2014; Martinez-Agirre et al., 2016）。多重分形分析为表征多个尺度上的微地形空间异质性提供了一种稳健的方法。这种方法有效地解决了地貌系统中的非线性和复杂性问题（Luo et al., 2021），并在地球科学研究中越来越多地应用于提取微地形尺度上的地表地形特征的定量信息（He et al., 2018a）。

土壤微地形变化受到近地表性质的强烈影响（Luo et al., 2024）。植被特征在影响微地形动态中起着关键作用，因素包括地上生物量、茎干直径、凋落物质量和根系。植被的建立增加了地表凋落物、茎干和根系的积累，这些共同调节了微地形模式（He et al., 2018b）。植被冠层保护土壤表面免受雨滴冲击，从而减少了侵蚀力（Zhu et al., 2021），而凋落物覆盖和根系增强了地表高程的空间异质性（Liu et al., 2018）。除了植被外，土壤性质也对微地形有显著影响。粗大的土壤颗粒和稳定的聚集体结构可以直接增加地表高程的空间变异性，导致土壤随机粗糙度增加（Zhu et al., 2020a）。诸如容重和土壤有机碳等性质通过影响聚集体形成和稳定性间接影响微地形（Sirjani et al., 2019）。此外，土壤结皮的发展和分布被认为是改变地表微起伏的关键因素（Bullard et al., 2018）。

中国的退耕还林（GFGP）项目于1999年启动，是世界上最大的生态恢复计划，通过将易受侵蚀的农田转变为森林和草地生态系统，显著改变了地表水文过程并改善了土壤质量（Yang et al., 2018; Liu et al., 2024）。除了这些生物物理变化外，GFGP还通过增强环境系统的功能完整性带来了可测量的生态效益（Fan and Xiao, 2020）。虽然以往的研究主要在受控实验室条件下考察了微地形对土壤侵蚀的影响，但在自然野外环境中——特别是在GFGP背景下——研究微地形变化的研究仍然很少（Zheng et al., 2014; Luo et al., 2020; Wang et al., 2025）。本研究旨在通过系统的野外调查来填补这些关键知识空白。具体目标是：（i）描述不同植被恢复阶段微地形的演变；（ii）识别与不同恢复年份相关的近地表性质的变化；（iii）阐明微地形演变与近地表特征之间的耦合关系，并确定控制微地形动态的主要因素。

研究区域

研究区域位于中国内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗（39°16′-40°20′N, 110°05′-111°27′E），地处鄂尔多斯高原的东南边缘（图1）。该地区位于干旱和半干旱环境之间的过渡带，具有中温带大陆性半干旱气候。年平均降水量约为400–450毫米，其中大部分发生在夏季月份，而年平均温度范围

土壤随机粗糙度

图2显示了不同植被恢复阶段土壤随机粗糙度的变化。数值范围从6.34毫米变化到32.91毫米，呈现出非线性趋势，最初随着恢复年限的增加而减小，然后又增加。值得注意的是，植被恢复21年的地块显示出所有恢复阶段中最低的粗糙度。与对照地块（CK）相比，24年、21年和19年的随机粗糙度分别增加了16.4%、1.4%和3.2%

植被恢复对微地形的动态响应

退耕还林计划是中国的一项大规模生态恢复计划，旨在减少陡坡上的耕作，促进造林和恢复森林植被。这些干预措施旨在减轻土壤侵蚀和土地退化，从而增强区域生态稳定性和功能（Li et al., 2022）。我们的结果与先前的研究结果一致，即植被恢复显著改变了土壤微地形（Zhu et al., 2020b; Feng et al., 2024）。在某些区域

结论

本研究探讨了不同植被恢复阶段微地形和近地表特征的动态变化，并确定了影响微地形变化的关键近地表驱动因素。土壤随机粗糙度对恢复年限表现出非线性响应，24年后的数值最高。多重分形分析表明，较长的恢复时间增加了微地形的空间异质性。植被特征（如凋落物和根系质量）

作者贡献声明

罗健：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，项目管理，方法学，调查，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。刘连：撰写——初稿，方法学，正式分析，数据管理。于瑞红：撰写——审稿与编辑，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

本研究得到了内蒙古自治区自然科学基金（2023QN04001）、国家自然科学基金（42407445）、国家自然科学基金联合基金（U24A20570）以及内蒙古自治区河湖重点实验室项目（2025KYPT0020）的资助。