植被變化對中國北方水文過程影響的研究進展探討

張永強　李聰聰

摘要：中國政府在北方實施大范圍退耕還林還草政策，使北方地區(qū)植被發(fā)生了劇烈的變化，對區(qū)域內(nèi)的水文過程產(chǎn)生了一定的影響，該問題已經(jīng)成為近年來水文與水資源研究中的科學(xué)前沿問題。文中探討性總結(jié)了植被變化對徑流、蒸散發(fā)和土壤含水量等方面影響的研究進展，并在此基礎(chǔ)上討論了土壤水和區(qū)域水儲量變化對植被變化響應(yīng)中亟待加強的科學(xué)問題和主要研究內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：植被變化；水文過程；徑流；蒸散發(fā)；土壤水；水儲量

中圖分類號：P339

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020－03－012

The research progress on the influence of vegetation change on regional hydrological processes in Northern China

ZHANG YongqiangLI Congcong1，2

Abstract： There existed large vegetation change in Northern China in last several decades since national vegetation restoration projects were implemented. The most effective one is the "Grain for Green Project"， which was launched in 1999 and has had certain impacts on the hydrological processes. Investigating hydrological consequences of vegetation change is an important aspect of hydrology and water resources. This paper summarizes the research progress of vegetation change impacts on key hydrological processes， including surface runoff， actual evapotranspiration and soil moisture. It also discusses scientific issues and potential future research directions of soil moisture and regional water storage change influenced by vegetation change.

Key words： vegetation change; hydrological processes; runoff; evapotranspiration; soil moisture; water storage

水資源作為人類活動不可或缺的資源，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，水資源短缺的矛盾日益嚴(yán)重，已經(jīng)成為人類發(fā)展的重點關(guān)注問題。水循環(huán)是地球生態(tài)系統(tǒng)的重要物質(zhì)循環(huán)之一，其中徑流、蒸散發(fā)和土壤水均是水循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)，并在不同程度上影響了區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和水資源狀況。徑流、蒸散發(fā)和土壤水對下墊面植被變化等因素下的響應(yīng)研究已成為水循環(huán)研究中的重要方向，尤其是在復(fù)雜下墊面地區(qū)。

中國北方地區(qū)包括風(fēng)沙區(qū)、西北荒漠區(qū)、黃土高原區(qū)和東北、華北平原農(nóng)區(qū)（圖1），其中沙化面積占比大，水土流失嚴(yán)重。在過去的幾十年里，中國北方地區(qū)遭遇了大面積的土壤侵蝕、水土流失和土地荒漠化等。為改善現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境，在政府大力支持下，中國北方相繼實施了退耕還林、三北防護林等工程，由此導(dǎo)致中國北方地區(qū)土地利用發(fā)生大面積變化［1-3］。其中退耕還林后的效果最為明顯，大區(qū)域的農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)樯只蛘卟莸亍?/p>

LAI數(shù)據(jù)來源于美國國家航天局發(fā)布的MCD15A3H.V6數(shù)據(jù)集（https：／／search.earthdata.nasa.gov／），ET數(shù)據(jù)來源于PML－V2陸地蒸散發(fā)與總初級生產(chǎn)力數(shù)據(jù)集（https：／／code.earthengine.google.com／？asset=projects／pml-evapotranspiration／PML／OUTPUT／PML-V2-8day-v014）…［49］，GRACE是美國國家航天局觀測重力場的衛(wèi)星，相關(guān)數(shù)據(jù)可從美國噴氣實驗室網(wǎng)站下載……［50］（ http：／／grace.jpl.nasa.gov）。

根據(jù)美國國家航空和宇宙航行局（NASA）衛(wèi)星數(shù)據(jù)觀測顯示，近年來全球植被變綠，中國的植被覆蓋度顯著提高，新增綠化面積約占全球的25％。其中植樹造林約占中國的42％，耕地約占32％［4］。中國北方的森林覆蓋度在中北部和高緯度地區(qū)明顯增加［5-6］。黃土高原植被變化尤為明顯，區(qū)域內(nèi)裸地大范圍被轉(zhuǎn)變?yōu)樯只虿莸?，植被覆蓋在2000—2010年間約增加25％［7］。華北平原灤河流域的植被覆蓋度在2016年達到50％左右，大面積的植被面積增加對內(nèi)蒙古和北京的水土保持起到一定的改善作用［8］。

人類活動通過不同的途徑對水文過程產(chǎn)生一定的影響，其中植被變化是最為常見的形式之一［9-11］。植被變化通過改變下墊面、土壤結(jié)構(gòu)等方式對流域內(nèi)徑流的產(chǎn)生和變化以及對實際蒸散發(fā)和土壤水對流域內(nèi)的水文過程產(chǎn)生影響。植被變化對水文過程的影響，研究多采用對比流域?qū)嶒?、流域時間序列分析以及流域水文模型模擬等多種手段明確水文過程對植被變化的響應(yīng)情況。本文探討性總結(jié)了中國北方大范圍的植被變化對水文過程各個分量的影響研究，有助于對水資源和生態(tài)環(huán)境進行有效管理和植被恢復(fù)等科學(xué)規(guī)劃提供參考。

1 植被變化對徑流和含沙量的影響

徑流和含沙量的變化不僅影響水資源，同時對流域內(nèi)的土壤資源和土壤侵蝕也具有一定的參考作用。因此明確徑流和含沙量的變化機制有利于流域內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的規(guī)劃和實施。

有研究表明，森林與徑流在不同的流域均有明顯的負相關(guān)關(guān)系，因此可知植被變化是徑流和含沙量變化的敏感因子［12］。灤河流域近年來是典型的綠化流域，基于SWAT模型模擬結(jié)果顯示，在森林增加和農(nóng)業(yè)用地減少的情況下，流域內(nèi)的年徑流量下降，其中除夏季徑流量增加外，其他季節(jié)均呈現(xiàn)減少的趨勢［8］。2000年以來，在黃河流域植被恢復(fù)措施成了土壤保持的主要因子，占比57％［13］。黃河源（高寒區(qū)）的土地利用變化對徑流變化的貢獻率為70％［14］。黃河中游地區(qū)的河龍區(qū)間年最大植被指數(shù)（NDVI）與年徑流和和含沙量變化有明顯的關(guān)系，NDVI在1998—2002年和2003—2007年兩個時段分別增加了10％和20％，該區(qū)2008—2017年的徑流量和含沙量較前期（1950—1969）相比分別減少了49.4％和64.9％［15］。雖然降水變化仍然是影響黃河流域徑流和含沙量的主導(dǎo)因素，但植被變化對流域徑流和含沙量的影響作用已然不可忽視。黃河中游地區(qū)的植被變化對年徑流量的貢獻率達4％以上，黃河中游地區(qū)葉面積指數(shù)、NDVI顯著增加，其中森林對年徑流系數(shù)減少的相對值達38％～56％［16-17］。在黃土高原地區(qū)，植被變化對泥沙的影響更大，而在秦嶺，植被變化主要影響徑流［18-19］。由此可知，退耕還林工程導(dǎo)致的植被覆蓋度增加對黃河流域的徑流量和含沙量有明顯的減弱作用。太行山地區(qū)的NDVI平均以0.009～ 0.017／10a的速度增加，假定降水不變的情況下，植被變化導(dǎo)致徑流減少16.6%～66.7％［20］。甘肅省的藉河流域在1962年至2008年期間，土地利用變化導(dǎo)致徑流減少的貢獻達90.2％［21］。在青藏高原東北部地區(qū)，根據(jù)SWAT模型分離了氣候和植被變化對蒸散發(fā)的影響，結(jié)果表明，相較于氣候來說，植被變化對其徑流的影響基本較少［22］。

總的來看，中國北方地區(qū)的植被變化是以植被增加為主導(dǎo)，具體表現(xiàn)在葉面積指數(shù)或NDVI增加。青藏高原地區(qū)的徑流量主要是以氣候變化為主，植被變化對其影響不大，但在黃河流域及太行山區(qū)域，植被顯著增加，植被變化與流域內(nèi)的徑流和含沙量呈明顯的負相關(guān)。因此，不同區(qū)域的氣候變化以及降水變化對徑流有不同的影響，但是中國北方地區(qū)的植被增加在一定程度上對區(qū)域內(nèi)的徑流和含沙量變化具有一定的減弱作用。

2 植被變化對蒸散發(fā)的影響

蒸散發(fā)（evapotranspiration， ET）是陸地水循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過土壤、植被和水體等消耗大部分的降水并返回到大氣系統(tǒng)，因此將水在下墊面和大氣等多種介質(zhì)的過程中建立了有機的聯(lián)系［23］，介質(zhì)改變必然會對區(qū)域蒸散發(fā)產(chǎn)生影響。量化人類活動在水文循環(huán)過程中對蒸散發(fā)的影響有助于提高水分利用效率和對水資源的合理管理。土地利用變化作為主要的人類活動之一，通過改變植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、地表粗糙度等對區(qū)域內(nèi)的蒸散發(fā)產(chǎn)生影響。

中國北方地區(qū)的實際蒸散發(fā)量多年均值的分布具有一定空間性，基本上是由東至西越來越?。?4］。根據(jù)圖1可知，中國北方地區(qū)的葉面積指數(shù)基本上呈增加的趨勢，尤其是在黃土高原地區(qū)和東北地區(qū)，增加速率可達0.02 m2m-2y-1，相應(yīng)區(qū)域的蒸散發(fā)以8 m m y-1的速率逐年增加。由此可見中國北方地區(qū)的植被變化主要是以植被覆蓋度增加、葉面積指數(shù)的增長為主，其對應(yīng)地區(qū)的蒸散發(fā)也呈明顯的增加趨勢［25-26］。相較于氣候變化來說，植被變化通過改變下墊面粗糙度、地表反照率和冠層截流等，已成為影響黃土高原實際蒸散發(fā)變化的主導(dǎo)因子。林地面積的增加會導(dǎo)致ET增加，進而造成區(qū)域產(chǎn)水量的下降［27］。在氣候變化和人類活動對西北地區(qū)的阿蘇河流域?qū)嶋H蒸散發(fā)的影響研究中表明，土地利用變化分別占森林、草地和耕地實際蒸散發(fā)的變化為89％，98％和80％［28］。此外中國西北地區(qū)農(nóng)田面積的擴張對蒸散發(fā)的增加貢獻率可達60.5％［29］。京津唐地區(qū)城市擴張后植被較少導(dǎo)致日蒸散量明顯減少［30］。而在三北防護林工程區(qū)，2001—2003年ET呈減少趨勢的主導(dǎo)因子是氣候變化，但森林面積減少是植被變化導(dǎo)致ET減少的主要因素［31］?；赩IC模型模擬可知，1959—2009年三北防護林地區(qū)的水文狀況主要歸因于降水［32］，其中在渭河流域，降水對ET變化影響較大，土地利用變化引起的植被變化相較于氣候變化和人類直接活動影響較?。?3］?；赟WAT模型評定在黑河流域氣候變化和植被變化分別約占ET變化的81.2％和18.8％［22］。

植被變化對區(qū)域的蒸散發(fā)影響具有空間異質(zhì)性，研究方法的多樣性對蒸散發(fā)的模擬水平提供很大的支撐平臺。根據(jù)不同的研究時段，ET對植被變化響應(yīng)的程度也不相同。就目前研究來說，植被變化與ET基本上呈一定的正相關(guān)關(guān)系。

3 植被變化對土壤水的影響

土壤水是水循環(huán)過程中的重要環(huán)節(jié)，是聯(lián)系地下水和地表水的重要紐帶。土壤水在植被、土壤質(zhì)地等明顯的時空差異以及其他因子的共同作用下，表現(xiàn)出強烈的空間性。作為土壤水分布的主要影響因子，地形作用會被植被大大地削弱，因此植被對土壤水分的空間性具有一定的影響。北方地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，了解植被變化對土壤水分的影響機制有利于其生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定以及可持續(xù)發(fā)展。

中國北方生態(tài)工程的實施使中國北方植被覆蓋度增加，但是植被變化對區(qū)域內(nèi)土壤含水量變化作用仍不清楚。青藏高原的高山濕草甸和草甸促進了降水向土壤深層滲透，并抑制了草原的土壤滲透，因此植被可以對降水進行再分配［34］。研究表明，植被增加可以減少地表溫度和土壤蒸發(fā)，有利于改善土壤含水量。作為植被恢復(fù)重點實施區(qū)域，黃土高原地區(qū)在2000—2015年植被覆蓋度增加，但是土壤水含量也呈增加的趨勢，尤其是黃河流域中游地區(qū)，這與該區(qū)研究時段內(nèi)降水量增加有關(guān)［35］。其中森林和灌叢的土壤持水量明顯優(yōu)于農(nóng)田和裸地［36］，因此合理的植被規(guī)劃可以更有效保持土壤水含量［37］。但是植被覆蓋度的增加會促進植被蒸騰和截留，土壤含水量會減少，總耗水量增加［38-40］。尤其是黃土高原地區(qū)，其特有的地理條件使得土壤水成為植被生長的主要來源。大面積的植樹造林會加劇區(qū)域內(nèi)的水資源短缺，導(dǎo)致林草退化［41-42］。根據(jù)長時間的小區(qū)域?qū)嵉赜^測，植被地上生物量在豐水年對黃土高原地區(qū)的土壤水分收支平衡影響更加明顯。同時在實地測量過程中表明土壤含水量受到植被類型的顯著影響［43-45］。退耕還林以后黃土高原的深層土壤水含量均下降了35％以上，且各植被類型均出現(xiàn)了土壤水分虧缺［46］。

不同區(qū)域的土壤水對植被變化的響應(yīng)不同，因此合理的植被結(jié)構(gòu)有利于高效利用區(qū)域內(nèi)的土壤含水量，減少土壤水分的消耗。比如森林和灌叢在相對濕潤的條件下優(yōu)于農(nóng)田和牧場。另一方面，中國北方地區(qū)盲目地進行植被恢復(fù)規(guī)劃也可能對土壤含水量產(chǎn)生負面效應(yīng)。例如，人工林較自然林相比會消耗更多的土壤水［47-48］，人工造林面積的增大可能會消耗區(qū)域內(nèi)更多的土壤水含量。不同的植被類型對土壤水的空間分布影響不同。在生態(tài)環(huán)境脆弱的中國北方地區(qū)，需要按照植被類型、種植面積和種植密度進行實地測試和規(guī)劃。避免過度的退耕還林消耗更多的土壤水，威脅到自然林的生長，導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)的植被覆蓋減少，使生態(tài)系統(tǒng)和水資源現(xiàn)狀更加惡化。

4 總結(jié)及研究展望

隨著植樹造林等相關(guān)工程的實施，中國北方的葉面積指數(shù)和NDVI等均呈增加趨勢。植被變化通過改變?nèi)~面積指數(shù)、下墊面等參與到水文過程中。植被變化對徑流有明顯的負相關(guān)作用。尤其是在黃河流域中游部分區(qū)域，植被變化對徑流的影響作用超過氣候變化。區(qū)域的蒸散發(fā)受多種因素的共同影響，因此各個區(qū)域蒸散發(fā)對植被變化的響應(yīng)有明顯區(qū)別。但是植被變化與區(qū)域內(nèi)的蒸散發(fā)基本上呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系，除在氣候變化比較劇烈的地區(qū)。植樹造林下種植的人工林地耗水量較高會增加土壤干燥化，但是在水土流失嚴(yán)重區(qū)域的水土保持生態(tài)效益卻是無可比擬的。因此在科學(xué)合理的規(guī)劃種植下，會對區(qū)域的水資源和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生積極的作用。

植被變化會對區(qū)域內(nèi)的氣候變化產(chǎn)生一定的影響，其中植被變化不僅會影響區(qū)域內(nèi)的氣溫變化，區(qū)域降水對植被變化也會有一定的響應(yīng)過程，即植被變化和氣候變化對水文循環(huán)的影響是相互關(guān)聯(lián)的?，F(xiàn)有研究表明，氣候變化在水循環(huán)的徑流、蒸散發(fā)等變化過程仍占主導(dǎo)因素。因此，植被變化對水文過程的影響在氣候變化幅度較大的地區(qū)的影響作用難以判斷。如何有效合理地解釋水文過程對植被變化和氣候變化的分別響應(yīng)仍是一個值得深入探討的問題。

水儲量是水文過程的另一關(guān)鍵變量，并受到人類活動和氣候變化等因素的影響，了解水儲量變化有利于對水資源的有效利用。傳統(tǒng)的測量方法是實地測量站點數(shù)據(jù)，但是由于地形、地質(zhì)和交通等條件難以全部滿足，因此數(shù)據(jù)難以實時獲取，同時精度難以保證。對于評估區(qū)域空間的水儲量動態(tài)變化，水平衡方法是一個簡單可靠的方法。自2002年GRACE衛(wèi)星（美國噴氣推進實驗室）的啟用，對研究全球乃至區(qū)域的水儲量變化提供了條件。多位學(xué)者利用GRACE衛(wèi)星分析了多個流域在不同時間尺度上的水儲量變化。有學(xué)者探究了水儲量變化與灌溉面積，取水量變化等人類活動對區(qū)域內(nèi)水儲量變化的研究，但是水儲量對植被變化的響應(yīng)方面卻少有人研究。根據(jù)圖1（c）可知，中國北方區(qū)域的水儲量變化趨勢具有較大的空間差異性，具體表現(xiàn)在西北區(qū)域呈增加趨勢（4 m m y-1），而在中東部地區(qū)水儲量呈明顯下降趨勢（3 m m y-1），尤其是在黃土高原地區(qū)水儲量減少為5 m m y-1，該區(qū)域葉面積指數(shù)增加明顯。因此，中國北方地區(qū)的植被覆蓋度的增加對水儲量的變化具有一定的影響，后期探究中國北方地區(qū)尤其是黃土高原地區(qū)的水儲量對植被變化的響應(yīng)機制是十分重要的。

植被變化是由政策、經(jīng)濟和自然條件等復(fù)雜的驅(qū)動因素共同工作下的結(jié)果，明確植被變化對區(qū)域內(nèi)水文過程的影響卻是對水資源管理和規(guī)劃不可或缺的重要步驟。因此，在退耕還林政策的基礎(chǔ)上，不僅需要考慮到土壤和氣候等因素，還需要因時因地對區(qū)域內(nèi)的水資源進行考慮。例如，黃土高原地區(qū)的植被增加尤其明顯，有學(xué)者認為該區(qū)域水資源的植被承載力已經(jīng)接近了退耕還林（草）的閾值，在植樹造林計劃時應(yīng)充分考慮水資源、樹林密度、樹種等多種因素，為改善區(qū)域內(nèi)的生態(tài)環(huán)境和保障可持續(xù)的水資源供給提供參考。

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（編 輯 亢小玉）

收稿日期：2020－03－10

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（41971032）

作者簡介：張永強，男，內(nèi)蒙古包頭人，研究員，從事區(qū)域和全球水循環(huán)過程模擬及預(yù)報方面的研究。