北美大平原原生草地土壤对千年气候变率的响应与恢复力研究

《Canadian Journal of Soil Science》：The exposure of prairie soils to millennia of climate variability and change

　　本文针对北美大平原（NGP）原生草地土壤在历史气候变率下的稳定性问题，通过整合古环境记录（湖泊沉积物、树轮）与气候模型模拟，揭示了原生草地生态系统对极端干旱的恢复力。研究表明，尽管古气候记录中存在远超仪器记录时期的严重干旱事件，原生草地仍能快速恢复；而现代农业生态系统则显著加剧土壤侵蚀。该研究为基于自然的土壤健康恢复实践提供了千年尺度的科学依据，对应对未来气候变化下的农业可持续性具有重要意义。

　　

在北美大平原广袤的土地上，原生草地生态系统已经适应了数千年来的气候波动。然而，自19世纪末以来，大部分原生草地被开垦为农田，使得原本稳定的土壤面临着前所未有的侵蚀风险。当前基于短暂仪器记录的气候基线，难以全面评估气候变化对土壤生态的长期影响。为了深入理解原生草地土壤在自然状态下的耐受极限与恢复能力，研究人员将目光投向了时间尺度更长的古环境档案。

这项发表在《Canadian Journal of Soil Science》上的研究，创新性地融合了古生态学与现代气候科学。研究团队通过分析湖泊岩芯中的沉积速率和花粉组合，揭示了干旱条件下原生草地的扰动与恢复过程；利用树轮宽度数据重建了南萨斯喀彻温河流域（SSRB）过去近千年的水文气候；并借助区域气候模型（RCM）模拟了未来气候变化情景下的土壤水分平衡变化。这些多维度的数据共同构建了一幅跨越千年的草地土壤响应气候变率的全景图。

方法与数据来源

本研究主要采用了三种关键技术方法：1）古环境代用指标分析：通过对Kettle Lake和Mina Lake等地的湖泊沉积岩芯进行沉积学和孢粉学分析，获取了全新世以来植被与气候变化的记录；2）树轮气候学：通过采集NGP周边森林的老树样本，测量年轮宽度，并建立统计模型，重建了1102-2021年期间SSRB的年均径流量序列；3）气候模型模拟：利用北美区域降尺度实验（NA-CORDEX）中10个区域气候模型（RCM）的输出数据，计算了标准化降水蒸散指数（SPEI），以预测未来全球变暖2°C情景下 Prairie地区的干旱化趋势。

结果

全新世气候演变与草地响应

研究表明，在全新世气候最适宜期（9000-5000年前），NGP气候温暖干旱，草地扩张。Kettle Lake的记录显示，在8500-7900年前存在周期为100-130年的干旱循环，导致草地植被覆盖度下降、土壤侵蚀加剧。然而，即使在如此严酷的条件下，草地生态系统仍表现出韧性，在气候转湿后能够恢复。

千年尺度水文气候重建

树轮重建的SSRB径流序列（图5）揭示了过去920年间多次持续时间长、强度大的干旱事件，其严重程度远超仪器记录时期（如19世纪40年代中期至70年代早期的长期干旱）。这些干旱期与Mina Lake沉积记录中指示植被稀疏、侵蚀加剧的轻色砂质沉积层（1333-1395年）以及内布拉斯加沙丘、大沙丘等地的沙丘活化事件在时间上高度吻合，表明严重干旱确实导致了自然状态下土壤景观的显著退化。

未来气候情景下的干旱风险

区域气候模型（RCM）模拟表明，在全球升温2°C的情景下， Prairie地区（尤其是亚湿润带）的干旱程度（SPEI负值）将普遍增加（图6），气候条件可能类似于中世纪暖期或全新世中期。模型模拟的Swift Current地区21世纪生长季SPEI时间序列（图7）显示，未来年际和年代际的水文气候变率依然显著，干旱群发现象将持续存在。

讨论与结论

本研究通过古环境视角证明，北美大平原的原生草地生态系统在自然状态下虽能承受并从未经历史过的严重干旱中恢复，但其土壤稳定性高度依赖于完整的植被覆盖。与现代农业生态系统相比，原生草地凭借其深厚的根系、多样的植物群落以及对干扰的快速恢复能力，构成了抵御气候驱动型土壤侵蚀的最有效屏障。气候模型预测的未来干旱化趋势，使得恢复和维持土壤健康变得尤为紧迫。

该研究的核心结论在于，借鉴原生草地的生态智慧，推广最小化土壤扰动、增加植被覆盖、提升生物多样性等再生农业（Regenerative Agriculture）实践，是增强农业系统气候韧性、实现可持续发展的根本途径。这不仅是对近一个世纪前Weaver和Noll提出的“增加草类使用”以控制侵蚀理念的现代呼应，也为应对21世纪的气候变化挑战提供了基于自然解决方案（NbS）的科学依据。