兰州大学研究团队在黄土高原森林分布阈值方面取得重要进展 相关成果在PNAS发表

黄土高原是中华文明的发祥地之一，同时也是我国重要的粮食产区和生态安全屏障。自1999年以来，我国在黄土高原投入数千亿元，实施了退耕还林还草、天然林保护等大规模生态修复工程，显著提升了树木覆盖度，极大地降低了水土流失。但是，这些工程也带来了土壤水资源耗竭等问题。为此，学术界开展了大量研究，探讨黄土高原森林分布范围和降水阈值。21世纪初开展的研究普遍认为黄土高原森林分布在降水量500毫米以上的区域；此后基于遥感的研究判定黄土高原降水量450-500毫米的区域内广泛分布着森林，而模型研究则认为森林存续的降水阈值是400毫米。然而，关于黄土高原森林分布及其降水阈值，仍缺乏坚实的观测数据支持，尚无定论，这严重地制约了该区域生态修复工程的实施以及生态安全屏障功能的发挥。其中最重要的原因之一在于已有的研究主要基于“非有即无”的单稳态框架，忽略了同一环境条件下生态系统可以存在多种截然不同的状态（即多稳态现象），这可能是造成黄土高原森林分布有诸多争议的关键原因。本研究基于多稳态理论，为解析黄土高原森林分布及降水阈值争议提供全新视角。

为此，兰州大学生态学院赵长明教授领衔的旱区植被恢复与保持研究团队通过在黄土高原开展为期5年的大规模野外调查（总里程约8万公里，获取近5000个样点的植被数据），发现黄土高原树木覆盖度的频度分布呈现明显的“三峰”模式，峰值分别为0%、35%和70%，对应三种植被状态：无林态、开阔林态与郁闭林态（图1a），且该结论在仅使用遥感数据时仍然成立（图2c-e），亦不受森林起源（人工林或天然林）的影响（图2a, b）。这三种植被状态的分布存在典型的空间分异：郁闭林主要集中分布于黄土高原的东南部，开阔林主要分布于黄土高原中部地区，而黄土高原西北部则没有森林分布（图1c）。

图1. 黄土高原树木覆盖度“三峰”揭示三种植被状态及其空间分布

图2. 遥感数据揭示黄土高原树木覆盖度“三峰”

进一步，研究团队发现植被状态沿年均降水量呈现“折叠”型稳态模式。当年均降水量低于约350毫米时，生态系统只有无林态一种稳态；年均降水量介于350-500毫米时，生态系统可处于无林态、开阔林态与郁闭林态中的任意一种；年均降水量超过500毫米时，生态系统只能处于开阔林态与郁闭林态中的一种（图3a, b）。这一发现同样得到了遥感数据和模型模拟结果的支持，证实了黄土高原植被三稳态的稳健性。值得注意的是，黄土高原森林存续的年均降水量最低值为350毫米，普遍低于此前报道的400-500毫米的阈值。研究团队通过机制模型模拟发现，这一降水阈值由植被-降水正反馈机制（植被能够通过蒸腾作用增加云量、增强降水，从而促进植被生长，进一步增加蒸腾）调控（图4）。

图3. 黄土高原三种植被状态及其分布的降水阈值

图4. 植被-降水正反馈强度调控三种植被状态分布的降水阈值

研究团队发现，黄土高原存在多稳态的区域占总植被分布面积的90%，即能发生稳态转换的区域面积广阔。不同稳态间转换会极大改变生态系统功能与服务，尤其是碳储量。因此，团队进一步探讨了稳态转换如何影响黄土高原碳储量，发现若能通过科学经营管理促使黄土高原从无林态向开阔林态、郁闭林态转换，以及开阔林态向郁闭林态转换可使黄土高原植被碳储量增加93-156%，支撑我国“双碳”目标的实现。

图5. 黄土高原植被碳储量及其稳态转换后变化

相关研究成果以“Alternative vegetation states on the Loess Plateau and implications for large-scale afforestation success”为题，发表于国际顶级综合性学术期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America。兰州大学生态学院马莉博士和李萱硕士为该论文共同第一作者，赵长明教授和陈宁教授为共同通讯作者，兰州大学马妙君教授、管超研究员，南京大学徐驰教授，河南工业大学赵颜创副教授，以及沙特阿卜杜拉国王科技大学Emilio Guirado Hernández为共同作者。该研究得到了国家自然科学基金青年科学基金A（32125028）和面上项目（31971452）、国家重点研发计划青年科学家项目（2023YFF0806600）的共同资助。

原文链接：Alternative vegetation states on the Loess Plateau and implications for large-scale afforestation success

【新闻背景】

由赵长明教授领衔的旱区植被恢复与保持研究团队长期深耕旱区生态系统稳定性领域，取得了一系列研究成果。团队2025年发表于Environmental Research Letters的研究（Divergent patterns and determinants of resistance and resilience in short and tall forests across global drylands）发现，面对干旱时，冠层较高的森林抵抗力更强，而冠层较低的森林恢复力更强；这为理解黄土高原森林存续的低降水阈值提供了科学解释。进一步，针对黄土高原核心造林区，团队于Forest Ecology and Management发文（Contrasting drought vulnerability of natural and planted forests in drylands）指出，黄土高原天然林与人工林对干旱的敏感性相近，但天然林表现出更强的适应能力和更低的综合脆弱性。结合PNAS研究发现的三稳态现象，黄土高原人工林可能更易发生状态转换，需要更精细的经营管理，这为根据森林起源实施差异化经营提供了理论支撑。近期，团队在Journal of Geophysical Research: Biogeosciences的研究（Regionalized determinants of dryland forest gross primary productivity）将多稳态理论拓展至森林固碳功能，发现全球旱区森林总初级生产力沿干旱梯度存在双稳态，这一发现为全球固碳预测提供了新视角，同时凸显了多稳态理论在科学研究中的重要应用价值。这一系列从全球到区域、层层递进的探索，逐步深化了对旱区森林稳定性的认识。

成果链接：

Divergent patterns and determinants of resistance and resilience in short and tall forests across global drylands

Contrasting drought vulnerability of natural and planted forests in drylands

Regionalized determinants of dryland forest gross primary productivity

编辑：王文乐

责编：彭倩