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基于功能视角的中国三峡库区经济林恢复对土壤物理质量影响评估结果复现

一、小组基本信息

项目内容
小组名称水土保持与土壤侵蚀小组
小组成员熊煜佳 (2025303120126) @xyj666357;曾令振 (2025303110063) @zlznevergu;刘家洛 (2025303120073) @ly9495;陈炳宇 (2025303110144) @chenbingyu-HZAU
项目名称基于功能视角的中国三峡库区经济林恢复对土壤物理质量影响评估结果复现

论文信息

  • 标题：Assessing the impacts of economic forest restoration on soil physical quality in the Three Gorges Reservoir area, China: A functional perspective
  • 主题：经济林恢复对中国三峡库区土壤物理质量影响的评估：基于功能视角
  • 期刊：CATENA
  • DOI：10.1016/j.catena.2025.109758
  • 代码/图片仓库：(https://github.com/D2RS-2026spring/xyjlunwenfuxian)

    • 二、项目内容

    本项目研究基于功能视角的经济林恢复对土壤物理质量的影响。围绕不同植被恢复方式下土壤物理性质、土壤功能及综合土壤物理质量指数之间的关系展开，重点分析经济林恢复过程中土壤物理环境的变化特征及其生态效应，揭示土壤物理功能演变对土壤质量提升的调控机制。

    论文核心内容

  • 分析不同恢复类型下土壤物理性质的变化特征，包括土壤容重、穿透阻力、饱和导水率、有效含水量、团聚体稳定性、土壤可蚀性、通气孔隙度和中孔隙度等指标；
  • 研究经济林恢复不同年限（0年、5年、15年、25年、35年）条件下土壤物理性质的动态变化规律；
  • 构建土壤功能评价体系，包括根系支撑功能、水分供给功能、抗侵蚀与抗退化功能以及土壤通气与气体交换功能；
  • 综合评价不同恢复措施和恢复年限下土壤物理质量指数（SPQI）的差异，解释土壤功能之间的协同与权衡关系。

    • 本质体现

  • 植被恢复方式对土壤物理环境改良效果的差异；
  • 经济林恢复过程中土壤物理功能的阶段性变化与功能权衡；
  • 土壤物理质量提升机制及其对生态恢复和土地可持续利用的意义。

    • 三、复现目标

    本实验拟复现研究中的关键图形，包括不同恢复类型和不同恢复年限下的土壤物理指标图、土壤功能得分图、土壤功能雷达图以及土壤物理质量指数图。

    复现图形清单

  • 土壤容重（BD）与穿透阻力（PR）柱状图；
  • 饱和导水率（Ks）、有效含水量（AWC）及其水分供给功能（SPF2）图；
  • 团聚体平均重量直径（MWD）、土壤可蚀性因子（K）及其抗侵蚀功能（SPF3）图；
  • 土壤通气孔隙度（SAC）、中孔隙度（Mesoporosity）及其通气功能（SPF4）图；
  • 不同恢复类型与恢复年限条件下的土壤功能雷达图；
  • 综合土壤物理质量指数（SPQI）柱状图。

    • 图示说明

  • 不同恢复类型下土壤物理性质和土壤功能存在显著差异；
  • 经济林恢复不同年限下土壤物理指标呈现阶段性变化趋势；
  • 不同土壤物理指标共同影响土壤功能表现，且不同功能之间存在一定协同与权衡；
  • 长期自然恢复（林地、草地）有利于显著提升综合土壤物理质量；
  • 经济林恢复虽改善了部分土壤功能，但由于土壤压实等因素，其综合土壤质量提升有限。

    • 逻辑关系

    恢复措施 → 改变土壤物理性质 → 影响根系支撑、水分供给、抗侵蚀和通气等土壤功能 → 决定综合土壤物理质量指数变化 → 影响生态恢复效果和土地利用可持续性

    四、复现步骤

    4.1 步骤概览

    步骤内容说明
    Step 1环境配置安装R语言和所需R包
    Step 2数据准备下载并读取原始数据
    Step 3运行代码执行各图形复现脚本
    Step 4结果输出查看生成的PNG/PDF文件

    4.2 Step 1：环境配置

    4.2.1 安装R语言环境

  • R语言：下载地址 https://cran.r-project.org/（推荐版本 ≥ 4.0）

    • 4.2.2 安装所需R包

    在R控制台中运行以下命令：

    
# 一键安装所有所需包
packages <- c("ggplot2", "dplyr", "tidyr", "patchwork", "fmsb", 
              "readxl", "gridExtra", "cowplot", "scales", "RColorBrewer")

install.packages(packages)

# 验证安装是否成功
lapply(packages, library, character.only = TRUE)
cat("✅ 所有包安装成功！\n")

    五、数据获取

    本研究所需数据主要来源于论文中不同恢复类型和不同恢复年限下的土壤物理性质测定结果。

    数据获取方式

    原始数据放github仓库中。

    数据复现逻辑

  • 整理土壤物理性质原始指标
  • 依据论文提出的功能评价方法构建土壤功能得分
  • 综合功能得分形成土壤物理质量指数，完成关键图形复现

    • 六、部分图画复现

    图1：团聚体平均重量直径（MWD）、土壤可蚀性因子 K 及抗侵蚀与抗退化功能（SPF3）

    类型图片
    原图![原图](https://github.com/user-attachments/assets/d32c259d-6dbb-4c5d-b3cf-46285aa9e853)
    R语言复现图![复现图](https://github.com/user-attachments/assets/cf13e5ff-f569-47c1-8d88-da902377d045)
    R语言代码![代码](https://github.com/user-attachments/assets/7032a3cf-cc31-4fd6-ae90-0d78b538c3ab)

    图2：不同恢复方式与恢复时间对四类土壤功能的综合影响格局

    类型图片
    原图![原图](https://github.com/user-attachments/assets/c252acf7-9e19-4821-921b-55ade0721d8f)
    R语言复现图![复现图](https://github.com/user-attachments/assets/e939c1ba-41aa-4a3f-99be-ff05b0c56723)
    R语言代码![代码](https://github.com/user-attachments/assets/058c4727-12b3-4629-96ef-8569ffe9ecb9)

    图3：不同恢复方式和恢复年限对综合土壤物理质量的总体影响

    类型图片
    原图![原图](https://github.com/user-attachments/assets/ff4fb388-9f9c-4612-9034-c5ae62b5d560)
    R语言复现图![复现图](https://github.com/user-attachments/assets/e118970e-0fe6-45a2-8b48-c7be7103c399)
    R语言代码![代码](https://github.com/user-attachments/assets/9bc7038b-79de-4a11-bf6d-c9aa1d797836)

    七、复现结果展示

    成功复现了论文中的关键图形，包括土壤容重（BD）、穿透阻力（PR）、饱和导水率（Ks）、有效含水量（AWC）、团聚体平均重量直径（MWD）、土壤可蚀性因子（K）、土壤通气孔隙度（SAC）、中孔隙度（Mesoporosity）及相关土壤功能指标（SPF1–SPF4）和综合土壤物理质量指数（SPQI）。

    复现结果表明

  • 不同恢复类型下土壤物理性质和功能存在明显差异。林地和草地恢复整体上优于耕地，尤其在抗侵蚀功能、通气功能和综合土壤物理质量方面表现更好。经济林恢复虽然改善了部分水分供给和抗退化功能，但在根系支撑功能方面提升有限。
  • 不同恢复年限下，经济林恢复表现出一定的阶段性变化特征：前期部分土壤功能有所改善，但随着恢复年限增加，综合土壤物理质量变化不大，说明不同土壤功能之间存在一定权衡关系。
  • 所有复现图形均已成功输出，已保存为 PNG 和 PDF 格式，保存在 https://github.com/zlznevergu/zlzlunwenfuxian，基本还原了原论文图形的主要趋势和结果特征。

    • 八、总结

    本次复现较好地重现了论文中土壤物理性质、土壤功能和综合土壤质量指数的主要结果。

    复现结果说明：

  • 不同植被恢复方式对土壤物理质量的影响存在显著差异
  • 自然恢复对土壤质量提升更明显
  • 经济林恢复虽然对部分功能有促进作用，但整体提升效果有限

    • 总体来看，本次复现验证了论文的核心结论，即土壤物理性质的变化会影响不同土壤功能，而各功能之间的协同与权衡最终决定综合土壤物理质量水平，达到了预期复现目标。

    复现结果展示

    Figure 2

    Figure 3

    Figure 4

    Figure 5

    Figure 6

    Figure 7