植被变化对中国北方水文过程影响的研究进展探讨

张永强　李聪聪

摘要：中国政府在北方实施大范围退耕还林还草政策，使北方地区植被发生了剧烈的变化，对区域内的水文过程产生了一定的影响，该问题已经成为近年来水文与水资源研究中的科学前沿问题。文中探讨性总结了植被变化对径流、蒸散发和土壤含水量等方面影响的研究进展，并在此基础上讨论了土壤水和区域水储量变化对植被变化响应中亟待加强的科学问题和主要研究内容。

关键词：植被变化；水文过程；径流；蒸散发；土壤水；水储量

中图分类号：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

水资源作为人类活动不可或缺的资源，随着社会经济的快速发展，水资源短缺的矛盾日益严重，已经成为人类发展的重点关注问题。水循环是地球生态系统的重要物质循环之一，其中径流、蒸散发和土壤水均是水循环中的重要环节，并在不同程度上影响了区域的生态环境和水资源状况。径流、蒸散发和土壤水对下垫面植被变化等因素下的响应研究已成为水循环研究中的重要方向，尤其是在复杂下垫面地区。

中国北方地区包括风沙区、西北荒漠区、黄土高原区和东北、华北平原农区（图1），其中沙化面积占比大，水土流失严重。在过去的几十年里，中国北方地区遭遇了大面积的土壤侵蚀、水土流失和土地荒漠化等。为改善现有的生态环境，在政府大力支持下，中国北方相继实施了退耕还林、三北防护林等工程，由此导致中国北方地区土地利用发生大面积变化［1-3］。其中退耕还林后的效果最为明显，大区域的农田转变为森林或者草地。

LAI數据来源于美国国家航天局发布的MCD15A3H.V6数据集（https：／／search.earthdata.nasa.gov／），ET数据来源于PML－V2陆地蒸散发与总初级生产力数据集（https：／／code.earthengine.google.com／？asset=projects／pml-evapotranspiration／PML／OUTPUT／PML-V2-8day-v014）…［49］，GRACE是美国国家航天局观测重力场的卫星，相关数据可从美国喷气实验室网站下载……［50］（ http：／／grace.jpl.nasa.gov）。

根据美国国家航空和宇宙航行局（NASA）卫星数据观测显示，近年来全球植被变绿，中国的植被覆盖度显著提高，新增绿化面积约占全球的25％。其中植树造林约占中国的42％，耕地约占32％［4］。中国北方的森林覆盖度在中北部和高纬度地区明显增加［5-6］。黄土高原植被变化尤为明显，区域内裸地大范围被转变为森林或草地，植被覆盖在2000—2010年间约增加25％［7］。华北平原滦河流域的植被覆盖度在2016年达到50％左右，大面积的植被面积增加对内蒙古和北京的水土保持起到一定的改善作用［8］。

人类活动通过不同的途径对水文过程产生一定的影响，其中植被变化是最为常见的形式之一［9-11］。植被变化通过改变下垫面、土壤结构等方式对流域内径流的产生和变化以及对实际蒸散发和土壤水对流域内的水文过程产生影响。植被变化对水文过程的影响，研究多采用对比流域实验、流域时间序列分析以及流域水文模型模拟等多种手段明确水文过程对植被变化的响应情况。本文探讨性总结了中国北方大范围的植被变化对水文过程各个分量的影响研究，有助于对水资源和生态环境进行有效管理和植被恢复等科学规划提供参考。

1 植被变化对径流和含沙量的影响

径流和含沙量的变化不仅影响水资源，同时对流域内的土壤资源和土壤侵蚀也具有一定的参考作用。因此明确径流和含沙量的变化机制有利于流域内生态系统可持续发展战略的规划和实施。

有研究表明，森林与径流在不同的流域均有明显的负相关关系，因此可知植被变化是径流和含沙量变化的敏感因子［12］。滦河流域近年来是典型的绿化流域，基于SWAT模型模拟结果显示，在森林增加和农业用地减少的情况下，流域内的年径流量下降，其中除夏季径流量增加外，其他季节均呈现减少的趋势［8］。2000年以来，在黄河流域植被恢复措施成了土壤保持的主要因子，占比57％［13］。黄河源（高寒区）的土地利用变化对径流变化的贡献率为70％［14］。黄河中游地区的河龙区间年最大植被指数（NDVI）与年径流和和含沙量变化有明显的关系，NDVI在1998—2002年和2003—2007年两个时段分别增加了10％和20％，该区2008—2017年的径流量和含沙量较前期（1950—1969）相比分别减少了49.4％和64.9％［15］。虽然降水变化仍然是影响黄河流域径流和含沙量的主导因素，但植被变化对流域径流和含沙量的影响作用已然不可忽视。黄河中游地区的植被变化对年径流量的贡献率达4％以上，黄河中游地区叶面积指数、NDVI显著增加，其中森林对年径流系数减少的相对值达38％～56％［16-17］。在黄土高原地区，植被变化对泥沙的影响更大，而在秦岭，植被变化主要影响径流［18-19］。由此可知，退耕还林工程导致的植被覆盖度增加对黄河流域的径流量和含沙量有明显的减弱作用。太行山地区的NDVI平均以0.009～ 0.017／10a的速度增加，假定降水不变的情况下，植被变化导致径流减少16.6%～66.7％［20］。甘肃省的藉河流域在1962年至2008年期间，土地利用变化导致径流减少的贡献达90.2％［21］。在青藏高原东北部地区，根据SWAT模型分离了气候和植被变化对蒸散发的影响，结果表明，相较于气候来说，植被变化对其径流的影响基本较少［22］。

总的来看，中国北方地区的植被变化是以植被增加为主导，具体表现在叶面积指数或NDVI增加。青藏高原地区的径流量主要是以气候变化为主，植被变化对其影响不大，但在黄河流域及太行山区域，植被显著增加，植被变化与流域内的径流和含沙量呈明显的负相关。因此，不同区域的气候变化以及降水变化对径流有不同的影响，但是中国北方地区的植被增加在一定程度上对区域内的径流和含沙量变化具有一定的减弱作用。

2 植被变化对蒸散发的影响

蒸散发（evapotranspiration， ET）是陆地水循环的关键环节，通过土壤、植被和水体等消耗大部分的降水并返回到大气系统，因此将水在下垫面和大气等多种介质的过程中建立了有机的联系［23］，介质改变必然会对区域蒸散发产生影响。量化人类活动在水文循环过程中对蒸散发的影响有助于提高水分利用效率和对水资源的合理管理。土地利用变化作为主要的人类活动之一，通过改变植被覆盖度、叶面积指数、地表粗糙度等对区域内的蒸散发产生影响。

中国北方地区的实际蒸散发量多年均值的分布具有一定空间性，基本上是由东至西越来越小［24］。根据图1可知，中国北方地区的叶面积指数基本上呈增加的趋势，尤其是在黄土高原地区和东北地区，增加速率可达0.02 m2m-2y-1，相应区域的蒸散发以8 m m y-1的速率逐年增加。由此可见中国北方地区的植被变化主要是以植被覆盖度增加、叶面积指数的增长为主，其对应地区的蒸散发也呈明显的增加趋势［25-26］。相较于气候变化来说，植被变化通过改变下垫面粗糙度、地表反照率和冠层截流等，已成为影响黄土高原实际蒸散发变化的主导因子。林地面积的增加会导致ET增加，进而造成区域产水量的下降［27］。在气候变化和人类活动对西北地区的阿苏河流域实际蒸散发的影响研究中表明，土地利用变化分别占森林、草地和耕地实际蒸散发的变化为89％，98％和80％［28］。此外中国西北地区农田面积的扩张对蒸散发的增加贡献率可达60.5％［29］。京津唐地区城市扩张后植被较少导致日蒸散量明显减少［30］。而在三北防护林工程区，2001—2003年ET呈减少趋势的主导因子是气候变化，但森林面积减少是植被变化导致ET减少的主要因素［31］。基于VIC模型模拟可知，1959—2009年三北防护林地区的水文状况主要归因于降水［32］，其中在渭河流域，降水对ET变化影响较大，土地利用变化引起的植被变化相较于气候变化和人类直接活动影响较小［33］。基于SWAT模型评定在黑河流域气候变化和植被变化分别约占ET变化的81.2％和18.8％［22］。

植被变化对区域的蒸散发影响具有空间异质性，研究方法的多样性对蒸散发的模拟水平提供很大的支撑平台。根据不同的研究时段，ET对植被变化响应的程度也不相同。就目前研究来说，植被变化与ET基本上呈一定的正相关关系。

3 植被变化对土壤水的影响

土壤水是水循环过程中的重要环节，是联系地下水和地表水的重要纽带。土壤水在植被、土壤质地等明显的时空差异以及其他因子的共同作用下，表现出强烈的空间性。作为土壤水分布的主要影响因子，地形作用会被植被大大地削弱，因此植被对土壤水分的空间性具有一定的影响。北方地区生态环境脆弱，了解植被变化对土壤水分的影响机制有利于其生态环境的稳定以及可持续发展。

中国北方生态工程的实施使中国北方植被覆盖度增加，但是植被变化对区域内土壤含水量变化作用仍不清楚。青藏高原的高山湿草甸和草甸促进了降水向土壤深层渗透，并抑制了草原的土壤渗透，因此植被可以对降水进行再分配［34］。研究表明，植被增加可以減少地表温度和土壤蒸发，有利于改善土壤含水量。作为植被恢复重点实施区域，黄土高原地区在2000—2015年植被覆盖度增加，但是土壤水含量也呈增加的趋势，尤其是黄河流域中游地区，这与该区研究时段内降水量增加有关［35］。其中森林和灌丛的土壤持水量明显优于农田和裸地［36］，因此合理的植被规划可以更有效保持土壤水含量［37］。但是植被覆盖度的增加会促进植被蒸腾和截留，土壤含水量会减少，总耗水量增加［38-40］。尤其是黄土高原地区，其特有的地理条件使得土壤水成为植被生长的主要来源。大面积的植树造林会加剧区域内的水资源短缺，导致林草退化［41-42］。根据长时间的小区域实地观测，植被地上生物量在丰水年对黄土高原地区的土壤水分收支平衡影响更加明显。同时在实地测量过程中表明土壤含水量受到植被类型的显著影响［43-45］。退耕还林以后黄土高原的深层土壤水含量均下降了35％以上，且各植被类型均出现了土壤水分亏缺［46］。

不同区域的土壤水对植被变化的响应不同，因此合理的植被结构有利于高效利用区域内的土壤含水量，减少土壤水分的消耗。比如森林和灌丛在相对湿润的条件下优于农田和牧场。另一方面，中国北方地区盲目地进行植被恢复规划也可能对土壤含水量产生负面效应。例如，人工林较自然林相比会消耗更多的土壤水［47-48］，人工造林面积的增大可能会消耗区域内更多的土壤水含量。不同的植被类型对土壤水的空间分布影响不同。在生态环境脆弱的中国北方地区，需要按照植被类型、种植面积和种植密度进行实地测试和规划。避免过度的退耕还林消耗更多的土壤水，威胁到自然林的生长，导致区域内的植被覆盖减少，使生态系统和水资源现状更加恶化。

4 总结及研究展望

随着植树造林等相关工程的实施，中国北方的叶面积指数和NDVI等均呈增加趋势。植被变化通过改变叶面积指数、下垫面等参与到水文过程中。植被变化对径流有明显的负相关作用。尤其是在黄河流域中游部分区域，植被变化对径流的影响作用超过气候变化。区域的蒸散发受多种因素的共同影响，因此各个区域蒸散发对植被变化的响应有明显区别。但是植被变化与区域内的蒸散发基本上呈现出正相关的关系，除在气候变化比较剧烈的地区。植树造林下种植的人工林地耗水量较高会增加土壤干燥化，但是在水土流失严重区域的水土保持生态效益却是无可比拟的。因此在科学合理的规划种植下，会对区域的水资源和生态系统产生积极的作用。

植被变化会对区域内的气候变化产生一定的影响，其中植被变化不仅会影响区域内的气温变化，区域降水对植被变化也会有一定的响应过程，即植被变化和气候变化对水文循环的影响是相互关联的。现有研究表明，气候变化在水循环的径流、蒸散发等变化过程仍占主导因素。因此，植被变化对水文过程的影响在气候变化幅度较大的地区的影响作用难以判断。如何有效合理地解释水文过程对植被变化和气候变化的分别响应仍是一个值得深入探讨的问题。

水储量是水文过程的另一关键变量，并受到人类活动和气候变化等因素的影响，了解水储量变化有利于对水资源的有效利用。传统的测量方法是实地测量站点数据，但是由于地形、地质和交通等条件难以全部满足，因此数据难以实时获取，同时精度难以保证。对于评估区域空间的水储量动态变化，水平衡方法是一个简单可靠的方法。自2002年GRACE卫星（美国喷气推进实验室）的启用，对研究全球乃至区域的水储量变化提供了条件。多位学者利用GRACE卫星分析了多个流域在不同时间尺度上的水储量变化。有学者探究了水储量变化与灌溉面积，取水量变化等人类活动对区域内水储量变化的研究，但是水储量对植被变化的响应方面却少有人研究。根据图1（c）可知，中国北方区域的水储量变化趋势具有较大的空间差异性，具体表现在西北区域呈增加趋势（4 m m y-1），而在中东部地区水储量呈明显下降趋势（3 m m y-1），尤其是在黄土高原地区水储量减少为5 m m y-1，该区域叶面积指数增加明显。因此，中国北方地區的植被覆盖度的增加对水储量的变化具有一定的影响，后期探究中国北方地区尤其是黄土高原地区的水储量对植被变化的响应机制是十分重要的。

植被变化是由政策、经济和自然条件等复杂的驱动因素共同工作下的结果，明确植被变化对区域内水文过程的影响却是对水资源管理和规划不可或缺的重要步骤。因此，在退耕还林政策的基础上，不仅需要考虑到土壤和气候等因素，还需要因时因地对区域内的水资源进行考虑。例如，黄土高原地区的植被增加尤其明显，有学者认为该区域水资源的植被承载力已经接近了退耕还林（草）的阈值，在植树造林计划时应充分考虑水资源、树林密度、树种等多种因素，为改善区域内的生态环境和保障可持续的水资源供给提供参考。

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（编 辑 亢小玉）

收稿日期：2020－03－10

基金項目：国家自然科学基金资助项目（41971032）

作者简介：张永强，男，内蒙古包头人，研究员，从事区域和全球水循环过程模拟及预报方面的研究。