水资源在干旱和半干旱地区是稀缺的，但却是至关重要的，因为在这些地区，水资源的可用性、植被生产力和能量循环之间存在着紧密的耦合关系。水资源可用性的改变是植被群落和土壤养分的恢复和可持续性的主导因素。最近的研究发现，在干旱地区，土壤中的氮、磷和钾浓度随着地下水埋深的增加显著下降，从而加剧了侵蚀问题。这些结果强调了在干旱和半干旱生态系统中，加深对土壤、植被和地下水位变化之间关系的理解是必要的。值得注意的是，更多的相关研究通过野外观测或控制试验确定了缺水胁迫对植被群落的影响，但大多数方法只研究了浅层地下水埋深和降水不足引起的上层土壤干旱。然而，在深层地下水埋深变化决定的“深层”干旱中，植物可能会通过调节群落特征，优先在深层土壤中寻找土壤有效水分。深层地下水埋深对植物土壤性质影响的相关研究较少。因此，通过系统分析科尔沁沙地农牧交错区深层地下水埋深条件下的植被群落特征和土壤有效资源分布，可提高我们对半干旱区沙地生态系统如何响应环境变化的理解，为植被土壤恢复和地下水资源保护提供依据。

本研究以半干旱区农牧交错带的科尔沁沙地的植物特征和土壤性质为研究对象，根据研究区的深层地下水埋深和自然演替阶段设置了野外调查样点，开展了调查试验。在此基础上，分析了研究区优势种植物分布规律及深层地下水埋深对不同演替阶段生境中植物土壤特征的变化模式。研究发现，深层地下水埋深显著影响了植物生长、土壤性质和物种分布。地下水埋深的增加对植被覆盖度、平均高度、物种丰富度、植被多样性的香农指数和辛普森指数等重要特征有负向作用（图1和2）。在增加土层深度时土壤湿度呈现先增加后下降的趋势，总体上0~200 cm土层的平均土壤湿度随着地下水埋深的增加而降低（图3）。随着地下水埋深的增加，大多数土壤理化特征从富集型变为贫瘠型，包括土壤总氮和总磷，而土壤pH、土壤有机碳和速效钾则呈相反的趋势（图4和5）。草本植物白草（Pennisetum centrasiaticum Tzvel.）和狗尾草（Setaria viridis L. Beauv.）主要分布在地下水埋深较浅、植被盖度较高、土壤有机碳、物种丰富度和土壤全氮含量较高的区域，地下水埋深较深的区域主要以少数草本植物和乔灌木植物（榆树Ulmus pumila L.、樟子松Pinus sylvestris var. mongholica Litv.、差不噶蒿Artemisia halodendron Turcz.et Bess.和小叶锦鸡儿Caragana microphylla Lam.）为主且分布稀疏（图6）。与草本植物相比，灌乔木对较深的地下水埋深等环境变化表现出更强的适应性，而更深的地下水水位超出了草本植物生存能力的限制，其生存需依赖灌乔木的生长。

该研究成果以“Impact of deeper groundwater depth on vegetation and soil in semi-arid region of eastern China”为题发表在植物科学领域中科院2区TOP期刊Frontiers in Plant Science，影响因子5.6。中科院西北生态环境资源研究院博士研究生赵思腾为论文第一作者，赵学勇研究员和李玉霖研究员为通讯作者。该研究由国家自然科学基金面上项目（42177456），内蒙古自治区科技成果转化项目（2021CG0012）和国家科技部基础资源调查项目（2017FY100200）共同资助。

文章链接：https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1186406

图1 不同地下水埋深植物生长参数

图2 不同地下水埋深植物群落多样性

图3 地下水埋深变化对土壤剖面含水量的影响

图4 不同地下水埋深土壤养分分布

图5 不同地下水埋深土壤pH值

图6 科尔沁沙地调查点环境变量与植被样方数据的冗余分析