草原是世界上分布最广的植被类型之一，主要以旱生和半旱生的草本植被构成。灌丛是以灌木占优势的植被类型，群落高度通常小于5m，覆盖度30%以上。
在干旱和半干旱地区，由于土壤层较薄，降水量较少，木本植物通常无法广泛生长，相比之下草本植物受到的影响比较小，因此逐渐形成了草原。然而长时间以来，草原上逐渐出现了许多灌木，且数量不断增加，持续保持扩张趋势，从而导致灌丛化草原这一新的植被类型的出现。
干旱和半干旱地区新的植被类型-灌丛化草原（图片来自网络）
草原被灌木入侵的现象被称为“草原灌丛化”，草原灌丛化目前已成为全球性问题，也是生态学家研究的热点问题。目前关于“草原灌丛化”的原因还没有明确的结论，但气候变化和人类活动如过度放牧等被认为可能是导致草原灌丛化的主要原因。
国内外众多学者对“草原灌丛化”开展了研究，他们发现灌木可以通过改变土壤结构和湿度等，将营养物质集中在自己身边，对养分的分布和循环产生影响，形成“沃岛效应”，即灌木下土壤具有更高的土壤养分含量。
一方面，随着灌木的不断增多，连片的草原被分割成不同形状的斑块，斑块与斑块之间的土壤资源通过土壤侵蚀流失等形式损失，导致灌木之间土壤养分含量和微生物数量的减少，从而加速草原的荒漠化进程。
另一方面，灌丛通过冠层遮蔽太阳光的照射，减少水分蒸发和土壤侵蚀，加快养分的循环，让其周围形成了一个较为良好的生存环境，为其周边植物的生存提供了一个有利的环境，起到一个庇护的作用。
灌木入侵不仅能够对资源进行再分配，还能够影响物种多样性和生物多样性。灌木入侵改变了草本植物占优势的现状，为其他生物提供一个良好的居住环境，可能增加物种多样性，但也有可能影响别的生物的生存，减少生物多样性。
在过去的几十年，草原灌丛化已成为全球许多地区尤其北半球温带干旱半干旱地区所面临的一大生态问题。有的人说草原灌丛化是“坏事儿”，它会把草原分割成斑块，使草原发生退化。但也有人说草原灌丛化是“好事儿”，它能够汇集养分和水分，为植物生存提供有利环境。草原灌丛化不仅影响草原生态系统植被组成，还可能通过影响生物地球化学和物理过程对区域气候产生一定影响。
那么温带半干旱地区草原被灌木侵占之后，地表植被和气候到底会发生怎样的变化呢？
草原灌丛化分布及景观（图片来源: Shen et al., 2022, AFM）
其实，在大部分温带半干旱地区，草原灌丛化会使植被总体覆盖度降低，地表温度升高。这是因为随着灌木的入侵，水分和养分都聚集到灌木下面的土壤，出现了“沃岛效应”。
由于灌木抢走了周围草本植物所需的水分和营养，对草本植物的生长不利，进而导致草原退化，裸露土壤面积增加。由于土壤的比热容较小，太阳照射下能够迅速升温，进而使得地表温度升高。
但上述情况也并不绝对，例如在北美西南部地区，草原灌丛化可能在一定程度上导致植被覆盖度升高，地表温度降低。这是因为在相对湿润的地区，灌木的入侵可能通过聚集更多养分，使得植被覆盖度增加，裸露土壤面积减少，地表温度也随之降低。
此外，在中亚中部地区，尽管草原灌丛化对植被覆盖度影响不大，但同样会对地表温度带来一定的降温。这可能是因为在极度干旱的中亚中部地区，植被覆盖度很低，草原灌丛化对植被覆盖度及裸地土壤面积没有显著影响，但是由于灌木会大量吸收周围的水分，使地表更加干燥，反照率增加，更多的太阳辐射被地表反射掉，因此带来一定的降温作用。
草原灌丛化示意图（图片来源: Shen et al., 2022, AFM）
参考文献:
1. Shen Xiangjin, Liu Yiwen, Liu Binhui, Zhang Jiaqi, Wang Lei, Lu Xianguo, Jiang Ming. Effect of shrub encroachment on land surface temperature in semi-arid areas of temperate regions of the Northern Hemisphere. Agricultural and Forest Meteorology, 2022, doi: 10.1016/j.agrformet.2022.108943
作者：张佳琦、马蓉、吴丽媛、神祥金
来源：中国科学院东北地理与农业生态研究所
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中科院之声 2022-05-14 0