近日，孙丹峰教授团队在地学期刊《Earth’s Future》上发表了题为“Structural Recovery of Overlooked Shrublands Drives Asymmetric Restoration in Dryland Ecosystems”的研究论文。该研究聚焦旱区生态恢复中长期被忽视的稀疏灌丛，提出了一个从“绿度监测”转向“结构恢复诊断”的新视角，揭示了中国西北典型旱区生态系统退化与恢复过程中的非对称机制。
图1 温带干旱区非对称状态转变和典型生态系统结构（NPV）和功能（PV）轨迹的概念框架
在干旱与半干旱地区的生态恢复研究中，传统观点往往侧重于通过植树造林增加植被覆盖以提升碳汇能力。本研究揭示了一个常被忽视的关键机制：灌木丛（Shrublands）的结构恢复在驱动干旱生态系统不对称修复中扮演着核心角色。这一发现不仅修正了对陆地碳循环的传统认知，也为全球气候解决方案提供了新的视角，也为中国旱区生态治理提供更可持续更稳健的方案支撑。
本研究采用光谱混合分析结合CCDC分割的技术体系在基质异质性强且土壤背景强的干旱区具有显著优势，能够实现基于轨迹的解读而非简单的趋势检测。这种从绿色度趋势向结构-功能解耦的转变，构成了具有实质意义的概念性贡献。本研究挑战了“植被恢复等同于绿色度提升”的隐含假设，提出结构积累可能先于功能表现。这一视角的重构极具时效性，有望在干旱区研究领域引发广泛讨论并指引未来研究方向。
1.研究背景
旱区生态系统是全球生态安全和土地退化防治的关键区域，但受水资源短缺、风沙活动、气候变暖和人类活动扰动的共同影响，其恢复过程具有高度复杂性。中国北方和西北旱区长期承担着防沙治沙、绿洲保护和生态安全屏障建设的重要任务。近年来，随着“三北”防护林体系建设、退耕还林还草、退牧还草、沙化土地封禁保护、防沙治沙工程以及绿洲边缘生态修复等政策与工程持续推进，中国旱区生态治理取得了显著进展，也为理解大尺度生态恢复过程提供了重要场景。这些生态工程不仅改善了工程实施区域的植被状况和生态环境，还通过增强区域植被连通性、降低风蚀与沙尘输送、促进水土保持和生态系统稳定性提升，对更大尺度的区域生态系统恢复和生态安全格局优化产生了积极影响。
然而，旱区“变绿”并不一定等同于生态系统真正恢复。传统遥感研究多依赖NDVI等植被指数评价生态状况，容易将短期光合增强误判为系统恢复，也容易忽视低盖度灌丛、枯落物、木质残体和生物结皮等非光合结构组分。事实上，在水分受限的旱区，许多看似“不够绿”的稀疏灌丛却通过稳定沙面、降低风蚀、保持水分和养分，构成维持生态系统稳定性的关键结构。因此，如何突破“绿度偏见”，识别稀疏灌丛在旱区恢复中的真实作用，是当前旱区生态监测与治理评估中的重要科学问题。
2.方法概述
本研究以中国西北河西走廊为研究区，基于2000—2020年Landsat Collection 2地表反射率影像，构建了融合光谱混合分解、连续变化检测和生态轨迹重建的时空分析框架。研究首先通过全约束线性光谱混合分解，将地表像元分解为光合植被（PV）、非光合植被(NPV)、沙质基质（SL）、盐碱基质(SA)和暗色物质（DA）组分，以描述生态系统的结构（NPV）和功能（PV）组分与地表基质之间的互动。在此基础上，结合CCDC连续变化检测算法，形成CCDC-SMA框架，用于提取长期地表组分变化过程，并进一步通过随机森林分类获得2000—2020年逐年土地覆被结果。
在年度土地覆被分类基础上，研究进一步构建了“荒漠 (Desert)—稀疏灌丛 （Sparse Shrubland）—密集植被 (Dense Vegetation)”的状态演替框架，将稀疏灌丛视为连接荒漠基质和高生产力植被系统的关键中间状态。同时，研究根据长期植被—基质组合关系推断沙质、砾质、盐碱及混合基质类型，并重建恢复和退化轨迹，从而不仅识别哪里发生了变化，也进一步揭示生态系统沿着什么路径发生变化，为温带干旱区生态系统演替认知提供新视角。
图2 干旱区生态系统状态定义、基质划分和轨迹识别技术流程图
3.主要结果
研究发现，河西走廊植被面积约占区域总面积的36.8%，其中稀疏灌丛占植被面积的53.7%，表明该区域旱区植被并非主要由高覆盖度林草系统维持，而是很大程度上依赖低盖度灌丛形成的“景观骨架”。2000—2020年间，稀疏旱生灌丛增加约5,060.67 km²，是增长最显著的植被类型之一。与此同时，研究还发现约39,978 km²稀疏灌丛在已有土地覆被产品中被误分为裸地，说明传统绿度或常规土地覆被数据可能系统性低估了旱区结构性植被的生态意义。
图3 河西走廊干旱区生态系统轨迹时空分布
生态轨迹分析表明，研究区共有约24,934.4 km²发生显著生态转变，其中恢复轨迹面积约16,029.8 km²，占64.3%；退化轨迹面积约5,253.0 km²，占21.1%。其中，“荒漠中灌丛建立”是最主要的恢复路径，面积达到10,463.0 km²，说明稀疏灌丛是荒漠向稳定植被系统转变的关键桥梁。进一步分析显示，旱区退化往往表现为植被—土壤耦合关系的快速崩塌，而恢复则需要经历非光合结构组分逐步积累、地表稳定性提升和光合冠层后续扩展的过程，呈现明显的“结构优先”恢复特征。
图4 不同生态系统轨迹的植被土壤端元变化特征
4.研究亮点
本研究的核心贡献在于突破了传统旱区恢复评价中的“绿度偏见”，将非光合植被、枯落物、木质残体和地表结构纳入生态恢复诊断框架。研究表明，稀疏灌丛并不是简单的退化地或裸地过渡类型，而是旱区生态系统中的关键功能状态，能够作为“生态桥梁”稳定荒漠—绿洲过渡带，并为后续植被扩展创造微环境条件。这一认识将旱区恢复评价从“是否变绿”推进到“结构是否真正重建”。
图5 稀疏灌木的时空自组织过程
研究还揭示了旱区恢复与退化之间的非对称机制：退化可以在强扰动下快速发生，但恢复并不是退化过程的简单反向，而是需要经历较长时间的结构积累和基质稳定过程。更重要的是，不同地表基质对恢复路径具有强约束作用。沙质地表更依赖灌丛固沙和枯落物积累，砾质戈壁更需要保护结皮和砾幕结构，盐碱地则需要关注盐生灌丛、水盐调控和局部“肥岛”效应。因此，旱区生态治理应从统一增绿转向基质适配的结构恢复策略。
5.论文信息
中国农业大学土地科学与技术学院孙丹峰教授与孙强强副教授为共同通讯作者，博士研究生林昕为第一作者，中国农业大学土地科学与技术学院博士生陈露、博士生陈虹莹、硕士生蔡茗尧、伦飞副教授，焦心博士后参与了本研究工作。本研究受到国家自然科学基金面上项目（42471299，42471293）资助。
供稿：孙强强
供图：孙强强
编辑：孙强强
责编：王帅
审核：周虎
