林水关系是当前全球变化研究的热点。大规模人工造林如何改变土壤水以及土壤水如何限制森林的分布和生长一直的相关研究的难点。近期，在国家重点研发项目（2022YFF0801803）、国家自然科学基金重点项目（42230503）和中以合作项目（42161144008）的支持下，北京大学城市与环境学院刘鸿雁团队在森林与土壤水的相互关系研究方面取得了进展，成果分别发表在《Science Bulletin》和《The Innovation》。

全球范围内人工林面积的增加导致下游径流减少，引起了人们对以水换碳的警惕。在未来持续升温和干旱风险加大的背景下，准确评估人工林对土壤水分的影响，探究土壤水分变化规律、预测土壤水分变化趋势，是实施旱区山水林田湖草沙合理配置的基础。刘鸿雁团队整合前人的观测结果，综合分析了中国北方干旱半干旱区人工林对土壤水分的影响，量化了不同造林管理措施对土壤水分的影响，并计算了北方旱区人工林对土壤水分的消耗速率。结果显示，土壤水分随着林龄增加持续减少，且土壤深度越深、林龄越老，水分减少越多（图1）。自三北防护林工程实施以来，中国北方人工针叶林和人工阔叶林降低土壤含水量的速率分别为每十年0.6 mm和3.2 mm。该研究成果以“Will large-scale forestation lead to a soil water deficit crisis in China’s drylands?”为题发表在《Science Bulletin》（https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.03.005）。北京大学城市与环境学院已出站博士后王秋铭为论文第一作者，已出站博士后梁博毅、石亮、伍露、曹静为共同作者，刘鸿雁教授为论文通讯作者。

图1. 中国北方不同林龄人工林对土壤水的影响。(a)，全部人工林；(b)，≤20年；(c)，21-40年；(d)>40年。

前人研究表明，模式模拟的北半球热带以外地区冰消期森林扩张要早于基于孢粉重建的森林扩张约4000年，这一现象被称为“冰消期森林覆盖之谜”。然而该时滞现象仅在亚洲地区出现，欧洲和北美地区的森林覆盖率的孢粉重建和模式结果具有同步性并同时达峰（图2A）。学术界对该时滞的成因至今仍然存在争议，是植被演变研究领域亟待解决的难题之一。刘鸿雁团队利用卫星观测数据，发现亚洲地区现代森林覆盖率对土壤水的依赖性（相关性）要高于气温与降水，但在欧洲和北美地区，森林覆盖率与土壤水的相关性较弱（图2BC）。在亚洲大范围的半湿润和半干旱区，森林覆盖对土壤水的敏感性要高于湿润区。历史时期的孢粉重建结果表明，亚洲森林覆盖演变与土壤水演变具有很强的正相关性，突出了土壤水在森林覆盖演变中的重要性，而前人的工作忽略了土壤水的作用。研究结果说明，为了更好地预测未来亚洲地区森林覆盖的变化以及精准确定人工造林潜力，需要充分考虑土壤水动态。该研究成果以“The crucial role of soil moisture in the evolution of forest cover in Asia since the Last Glacial Maximum”为题发表在《The Innovation》杂志（https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100594）。北京大学城市与环境学院2018届博士毕业生程颖为论文第一作者（现任陕西师范大学地理科学与旅游学院副教授），刘鸿雁教授为论文通讯作者。

图3北半球森林覆盖与土壤水分之间的关系。A.末次冰盛期以来气候、土壤水及北半球不同地区森林覆盖的变化；B.北半球现代森林覆盖分布和孢粉重建过去森林覆盖地点；C.北半球不同地区森林覆盖与土壤水、年降水量、年均温之间的关系