干旱半干旱流域下垫面植被影响水循环机理及干预方式

傅光华

(国家林业和草原局产业发展规划院，北京 100010)

1 引言

宏观生态学是从生态学研究尺度对群落生态、生态系统生态进行研究的生态学科分支[1]。为研究大尺度宏观生态的影响，笔者在《生态文明建立的体制因素——区域生态治理理论与实践》[2]中提出区域宏观生态学和生态异变概念，即从一个区域、流域甚至跨流域的大尺度空间研究生态行为，比宏观生态学更宏观，主要通过整体和趋势性的生态现象研究人与自然的关系；生态异变指发生宏观生态性质变化的大变化，是趋势性改变。宏观生态研究可以在众多微观研究成果的基础上总结和梳理出共性的规律，但又与微观研究或中观研究存在很大区别，宏观生态考量的是大跨度、共性的发展趋势和规律，更具有前瞻性，主要为决策和宏观布局服务。

由于水汽对地球水圈、大气圈、岩石圈和生物圈的影响关联度强，大气水循环在区域宏观生态研究中具有重要地位，水是引起生态异变的重要因素，尤其在干旱半干旱地区，水是导致脆弱化、退化甚至异变的关键要素，研究影响水汽循环的内环境影响因素，对区域宏观生态治理政策制定、重大工程布局及有针对性采取适度人工干预措施均具有重要的现实意义。

2 研究方法

研究发现黄河流域有两大巧合：一是几千年前随着华夏文明的开启和单一农耕社会的形成，导致黄河流域进入生态退化过程，同时也伴随着干旱化趋势的逐步形成，这种宏观生态异变趋势却从新中国成立后开始出现停滞，进而逐步出现了逆转的迹象，1999年开展退耕还林还草工程后，西部地区监测的多项数据出现跳跃式大幅改善，这些都与流域生态环境，尤其是地表植被盖度变化高度正相关；二是2014年底南水北调中线工程投入运行，黄河中上游的陕西、甘肃等地区监测的降水量从2015年开始明显增加。揭示这些巧合的内在逻辑是基本动机，从气象学研究的地域外输入水汽和输出水汽研究来看，尚未发现因境外水汽输送变化导致的明显证据，研究结果显示主要是内部因素造成了水汽循环的变化。这就是本文的思路和分析逻辑。

具体方法：

(1)建立黄河流域大气水汽循环模型，结合模型参数从理论上分析流域宏观生态层面影响因子，证明水是影响干旱半干旱地区生态系统的核心要素，是众多相关因子的“关键少数”，并从水汽循环机理揭示内在影响因素，寻找干预目标。

(2)以现有研究成果为基础，验证和分析下垫面植被圈在流域级区域宏观生态异变中的作用，梳理实践过程中表征的影响水汽循环因素。

(3)根据主要影响因素，提出干预手段。

3 大气水循环

3.1 大气水汽循环基本模型

陆桂华等在《全球水循环研究进展》[3]中介绍了国际上水循环研究进展，指出水循环是地球上最重要的物质循环之一，是联系地水圈、大气圈、岩石圈和生物圈的纽带。水循环的变化深刻影响着全球水资源、能量和化学物质的分布与改变，关系着人类社会的发展和生产活动，世界气象组织于1979年启动的世界气候研究计划(WCP)表明，水分循环与能量是影响全球或区域尺度气象变化的主要因素。为了研究气候变化条件下海洋—大气—陆面间能量与水分相互作用和转换及其对气候的反馈，世界气象组织于1988年组织并实施了地球能量与水循环实验(GEWEX)。在另一项重要国际计划——国际地圈生物圈计划(IGBP)的实施过程中，科学家们发现土壤—植被—大气系统(Soil—Plant—Atmosphere Continuum，SPAC)对能量和水汽通量的作用直接影响到全球尺度的水循环过程。

姚俊强等在《新疆大气水汽再循环过程变化及机制研究》[4]提出，大气水分循环过程是水循环过程的一个重要分支。大气降水一般有两个来源：局部蒸发的水汽(即大气水汽再循环)和外部水汽输送(平流水汽)。大气水汽再循环是水循环的关键组成部分，它连接着陆地表面和大气，平衡着地球系统的水和能量循环。

参考张良等《祁连山地区大气水循环研究(Ⅱ)》[5]中“图1水循环模型”原理，提出本研究水循环模型图(图1)，且张良等提出的几个等式关系：I=PI+OI，E=PE+OE，O=OI+OE在本研究模型中依然适应。

图1 水循环模型(参考张良等水循环模型)

根据物质守恒定律，本研究进一步提出某一区域内的水总平衡关系方程式：

I+W=O+R+S+B

(1)

B=BE+BB

(2)

E=BE+SE

(3)

式(1)～(3)中：I为域外水汽输入量；W为地表径流域外输入水量；O为本域输出水汽总量；R为本域地表径流输出水量；S为下垫面下渗量；B为生物等消耗量；E为总蒸散水汽量；BE为植被蒸腾水汽量；SE为地表土壤蒸散水汽量。

尽管就水物质总量及总输入、总输出角度分析，似乎对研究区域内水汽没有太大意义，但是，受辐射、气流、气压等多种因子影响，从大尺度考虑，内部的大气水汽和地表水总处于一种蒸发、凝聚和降水的循环动态，尤其是E直接关系内部水汽循环效率。

3.2 大高程差流域大气水汽循环模型

这种区域有几个特定条件，一是大尺度的流域，易于形成复杂的水汽自循环；二是流域两端海拔高程差比较大，在暖气流季节温差和压差能够形成对流层气流的弱“烟囱效应”，尽管不会有真“烟囱效应”那么强烈的效果，但形成的弱升流效应叠加对流层复杂的气象，一定程度上会对水汽产生影响。结合图1水循环基本原理和地形构造提出本研究水循环模型图Ⅰ(图2)。

图2 大高程差流域大气水循环模型Ⅰ图

该模型主要特点是流域两端海拔高程差比较大，压差和温差梯度变化叠加大坡度下垫面比较容易影响对流层气流，气温随高度升高而降低，气温垂直分布特征和地面热力性质的非均匀性，形成大规模的强烈对流运动和无规则的湍流运动，驱动大气从低海拔向高海拔流动，把水汽从下游向上游转移，实际效果与“烟囱效应”有点类似。

这一模型有一种特例，就是符合模型条件的干旱半干旱流域。由于这种环境条件对水汽量的变化很敏感，表征上的变化比较容易显现，如随着地表植被的增加，上游水汽和降水量也会逐步缓慢增加，在水汽积累到一定程度后，形成半湿润、湿润大气环境，同时，随着降水增多，地面慢慢由干燥变得湿润，形成局部地区的大气地面湿化耦合现象(大气和地表土壤同时处于干半湿润及以上状态，根据《农业气候区划及方法》，将我国湿润系数分为七级，分别为干旱、半干旱、干半湿润、湿半湿润、湿润、潮湿以及过湿)，且随着下中游水汽条件的改善和蒸散效应积累，上游的湿润区范围会缓慢加大，湿润线沿着流域坡向逐步下移。

从图2中可以看出，如果把整个流域作为一个单元，根据物质和能量守恒定律，影响流域水循环的因子有：域外水汽输入量(I)、本区域输出水汽(O)、地表径流域外输入水量(W)、地表径流本域输出水量(R)。I是由更大尺度的大气环流和气候带决定的，主要由平流水汽形成，在目前的科技条件下人工干预的条件尚不具备；影响O的因素除了更大尺度的大气环流和气候带外，还有一个途经本区域的过程，必然会受到本域众多因素的影响，尤其是地水圈和生物圈；W和R是人工干预可供选择的因素，如调水工程。

就区域内部，决定水分效能和利用效率的是水循环效率。影响大气水分循环的主要因子是下垫面表面积和温度，而植物对表面积和温度的影响是非常重要的因素。植物从土壤中吸收水分，并以水汽形式向大气中散失，这一过程称为植物蒸腾。植物蒸腾过程是植物本身不同器官和它所在环境相互作用及反馈影响的结果。许迪等在《冬小麦—夏玉米种植模式的农田水量平衡模拟以及入渗补给规律分析》[6]中表明，植物所吸收的大部分水分(98%～99%)均通过蒸腾作用以水蒸汽的方式散失到大气中。当植物冠层不能够完全封闭陆地表面或地表裸露时，土壤中的水分和水汽则直接散发到大气中，称为土壤蒸发。植物蒸腾和土壤蒸发统称蒸散发(亦称腾发或蒸散)。

刘树华等在《干旱、半干旱地区蒸散过程的模式》[7]中提出，一定区域内进入大气水汽再循环的蒸发水汽与下垫面植被关系密切。地表土壤—植被—大气系统中的蒸散是陆地水循环过程的重要子过程，决定了从土壤和植被进入大气水分的多少，及伴随着这一过程的潜热和感热的变化。从而显著影响下垫面的气候和环境条件，对于区域内动植物的生存、经济的可持续发展有着重要的意义。刘树华等研究还表明，在干旱半干旱地区植被冠层内空气湿度的比湿变化在一天中呈现“M”形变化趋势，由于绿洲环流和植被的主动生理调节作用，当上午气温升到一定高度时，环流开始形成，带走部分绿洲上的水汽，而植被为了保证自身的蓄水量，蒸腾作用减弱而光合作用增强，通过气孔释放的水汽减少；当下午温度回落后，叶片气孔扩张，蒸腾作用增强，由绿洲向其它区域的水汽输送减少，因此冠层内空气湿度又开始上升直至达到峰值。地表植被不仅乔木、灌木存在蒸散效应，草本同样存在，宋小宁等在《半干旱地区遥感双层蒸散模型研究》[8]表明，在草原生态系统中，植被蒸发蒸腾是水分损失的一个重要途径。陈昌毓等《甘肃干旱半干旱地区林木蒸散量估算和水分适生度研究》[9]也从另一个角度研究证明植被的蒸散效应，甘肃干旱半干旱区乔木薪炭林和乔木用材林生长期水分蒸散量，河西走廊区域分别为250～600 mm和450～850 mm，甘肃黄土高原区域分别为200～550mm和 370～700 mm；灌木林正常生长的水分蒸散量约为乔木的1/3～2/3，为170～390 mm。这些研究都证明，下垫面生物圈是大气水汽循环的重要参与者，在水汽循环中，植被在地下水—生物圈—水汽蒸散—水气混合体转移或降水循环过程中处于关键环节。

在干早半干早地区，植被通常不能将土壤表面完全覆盖，在干旱季节时更是如此。由于干旱半干旱地区下垫面土壤含水量较少，尤其表土层长年处于干燥状态，裸露地表的蒸发水分非常有限，像西部地区，尽管年蒸发量超过2000 mm，但年降水仅几百毫米，甚至几十毫米，地表可蒸发到大气中的水分量很有限。但是，下垫面底层往往比较湿润，在没有植被的地方，因受地表层和地心层保护，地下水难以蒸发，可在有植被的地方，却因植被根系的吸水作用，通过植物组织将地下水转移到叶面，再通过植物蒸腾出去，从而增加水循环的数量，提高了水资源的利用效率。在图2基础上，增加地表植被因素和植被蒸腾效应提出本研究的干旱半干旱地区植被参与水循环模型图Ⅱ(图3)。

图3 干旱半干旱区域植被影响水循环模型Ⅱ

模型Ⅱ很好地解释了干旱半干旱地区存在的一种现象，流域中下游地区随着地表层植被的增加，地表层反而呈现干裂化现象。朱仲元的《干旱半干旱地区天然植被蒸散发模型与植被需水量研究》[10]指出，由于这一区域植被大多为稀疏植被，稀疏植被裸露表层土壤(0～15 cm)中的含水量对土壤蒸发系数的影响很明显。因为根系生长与水分吸收紧密联系，根系吸收水分促进根系生长，而根系生长反过来又增加了根系吸水的深度。

基于这一逻辑，本研究提出一种非常有必要的人工干预方式：在大高程差干旱半干旱地区，随着生态建设的推进和植被不断恢复的同时，植被导致的蒸腾作用加大，即公式(2)中植被蒸腾水汽量BE增加了，随着中下游地区下垫面水分通过蒸腾—大气弱“烟囱效益”将水分BE中的一部分不断输送到了上游地区，根据公式(1)，在水汽外输入量(I、O)不变的前提下，通过内部循环上游增加了，中下游必然就会减少，表征结果呈现的就是中下游地表湿润度下降，甚至呈现局部干裂等缺水症状，实际上是下中游水因蒸腾迁移而失衡的结果，即表层地下水蒸散量大于降水补水量。因此，在条件可能的情况下，对中下游开展流域级生态调水补水就显得非常有必要。

4 植被对水循环影响在黄河流域生态异变千年趋势中的作用

黄河流域是典型的图2模型，有记载的几千年历史中，流域生态异变历经由图3模型逐步退化为图2模型，新中国成立后正在逐步恢复为图3模型的过程，这也是研究该模型的价值所在，对黄河流域生态修复和有针对性开展适度人工干预具有现实意义。

4.1 几千年的黄河流域生态退化史

来自黄河管理委员会的数据[11]显示，黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓约古宗列盆地，蜿蜒东流，穿越黄土高原及黄淮海大平原，注入渤海，干流全长5464 km，水面落差4480 m，流域总面积79.5万km2(含内流区面积4.2万km2)。黄河流域构成我国重要的生态屏障，是连接青藏高原、黄土高原、华北平原的生态廊道，拥有三江源、祁连山等多个国家公园和国家重点生态功能区。在我国5000多年文明史中，黄河流域有3000多年是全国政治、经济、文化中心。邹逸鳞对我国历史上几千年的生态环境变迁做过比较系统的研究[12,13]，葛全胜等从气候的角度对我国历史上主要流域的气候变化及影响作了研究[14]，相关成果表明，黄河流域在历史上植被丰富，大约在距今4000～5000年，黄河流域谷物农业时代的开启进入土地深度利用时期，也宣告了黄河流域生态危机之门的开启。从生态学的视角看，中国不同历史时期人口增长、人口迁移、各种类型的垦殖对生态环境的影响巨大。北宋以后，中国人口出现明显的长期上升趋势，人口压力导致农垦与山林乱砍滥伐的加剧，特别是到了清代中叶生态环境严重恶化，人类无限的索取最终超过自然资源承载力，黄河流域生态退化进入大趋势的低谷期。数据显示，春秋时期，黄河含沙量约为10 kg/m3，到了明代中期，含沙量为28.3 kg/m3，可谓“一碗黄河水，半碗黄泥沙”。

4.2 黄河流域生态进入良性回归期

黄河流域几千年生态退化趋势直到新中国成立后才逐步被逆止，并逐步进入逆转和缓慢进入一种恢复的新趋势状态，这种局面的出现，是新中国体制生态自觉内在驱动的结果[2]。从数据看，新中国成立初我国森林覆盖率约为8.6%，截至1981年森林覆盖率12%，净增森林面积约33万km2，加上采伐及造林更新面积约74万km2，新中国成立前30年全国完成造林绿化面积107万km2，超过国土面积的11%。尤其在干旱半干旱地区，尽管造林平均成活率仅在30%左右，但通过三北防护林工程、太行山绿化工程及国土绿化工程的实施，黄河流域植被恢复取得初步成效[15]。根据计伟等的研究，至2018年，黄河流域草地、农田和森林三大生态系统占全流域面积的比例分别为48.35%、25.08%和13.46%，森林和草地盖度达到61.81%，从时间变化上看，20世纪80年代后黄河流域植被覆盖度变化可以分为3个阶段：20世纪80年代至90年代末总体上表现出增加趋势，20世纪90年代末至21世纪初期植被覆盖度波动较大，2004年后植被覆盖度持续增长[16]。

1999年开始实施的“退耕还林还草”工程，使得整个流域的植被覆盖发生了显著的变化[17]。马柱国等研究表明，黄河流域大部分地区植被覆盖在 2000 年以后明显变好，且黄河中下游植被覆盖增加最为显著，整个黄河流域植被覆盖指数增加幅度达36.6%。其中，上游流域(兰州站以上集水区)1982～2017年增加了22.8%；中下游流域增加43.9%[18]。近年来黄土高原输沙量的锐减，其主要原因也是造林绿化增加了下垫面的植被覆盖率，遏制了因降水产生的水土流失，减少了输入河流的泥沙。张艳芳等研究指出，从归一化植被指数(NDVI)和标准化降水—蒸散指数(SPEI)来看，黄河源区2000年以来总体上均呈波动上升趋势，即植被覆盖状况略有好转，干旱程度有所降低，黄河源区总体而言气象干旱呈现出缓解的趋势[19]。

4.3 黄河上游大气地面湿化水汽主要为流域内水汽循环输送

张良等[5]应用刘国纬的水文循环大气过程模型研究了祁连山地区的大气水循环变化特征，结果表明：祁连山区域总降水量在2014年之前的51年中表现为缓慢增加的趋势，境外输送水汽对于当地降雨的贡献呈减小趋势，局地蒸发产生的水汽对于当地降水的贡献增加，表现为21世纪初期由局地蒸发产生的降水量比1960年代增加33.0 mm；水文外循环系数表现为明显的下降趋势，表明境外输送水汽在祁连山地区水文循环中的作用降低；与之相反，水文内循环系数呈明显的上升趋势，表明由蒸发产生的降水使区域水循环加强。王可丽等的研究也表明，西北地区中部的水汽辐合输送与西风带波动的相关性不很密切，而与南亚夏季风的相关性相对较好[20]，张玉娟等通过对西北地区东、西部地区1951～2000年近50年对流层整层大气可降水量的变化趋势开展了研究，并在其论文《西北地区大气水分特征及相关问题的初步研究》[21]中指出，西北地区全年水汽输送主要来自与其南面相邻的青藏高原中西部的西南暖湿气流以及陕西南部的东南暖湿气流，西北地区西部的塔里木盆地以及其南面相邻的青藏高原上空以及四川盆地北部常年维持水汽的辐合。而陕西南部的东南暖湿气流、四川盆地暖湿气流及南亚夏季风影响与黄河中下游的水汽上升通道存在叠加影响。

甘肃省气象局总工程师张强认为“西北地区西部降水增加趋势持续了30多年，这是一个相对较长的降水趋势增加期，也超过了计算基准气候态的30年气候期限，所以西北地区西部降水增加趋势基本可以肯定了”“区域气候条件有所改善，气候舒适度有所提升；水资源总量有所增加，水循环机制有所改善，径流量和湖泊面积有所增大；部分地区的生态环境向好发展，一些脆弱敏感区域的生态退化趋势受到一定遏制；农作物适宜种植面积有所扩展，农业气候资源有所优化”[22]。

任怡等[23]研究发现，2000～2013年黄河上游源区段由干旱逐渐转为正常偏湿润。也有基于多组帕尔默干旱强度指数(PDSI)的分析表明，黄河源区自20世纪90年代以来的气象和水文干旱均有缓解的迹象。上游年降水量增加了33 mm，中下游流域年降水量减少了31.6 mm。

郑子彦等[24]研究表明，黄河源区自20世纪50年代以来降水总体呈现出不断增多的态势，其长期趋势达到每10年7.28 mm。其中，1951～2000年，黄河源区降水变化非常平稳，仅以每10年3.76 mm不显著的趋势呈微弱的增长；但自2001年之后，降水量以每年3.22 mm的速度迅猛增多，几乎是1951～2000年增速的10倍。

监测数据[25]表明，2015年后陕西的降雨期拉长了，汛期提前，结束得晚。多个县的林业部门监测统计表明，年降水一般增加30～50 mm。时间与南水北调中线工程2014年底全线通水高度契合。

5 结论与展望

(1)基于水循环模基本型，提出了区域内水汽总平衡关系等式、大高程差流域大气水循环模型Ⅰ和干旱半干旱流域植被影响水循环模型Ⅱ，以及在这种特定模式下水循环和水汽随气流向上游转移。大高程差流域因压差、温差和地表热辐射效应，在暖季形成对流层气流类似“烟囱效应”的弱升流效应，一定程度会导致下中游水汽向上游转移。这一模型在干旱半干旱流域属于一种特例，由于干旱半干旱区域对水汽变化的敏感性，表征上的变化比较容易显现，如随着植被恢复和蒸腾加大，在下中游或呈现局部干裂化现象，在上游呈现大气地面湿化耦合现象。

(2)影响大气水分循环的主要因子是下垫面表面积和温度，而下垫面植被是关键因子。结合干旱半干旱流域植被影响水循环模型Ⅱ，提出一种非常有必要的人工干预方式：在干旱半干旱流域治理过程中，随着植被等生态恢复的持续，应对流域水输入适当开展人工干预，即对中下游开展流域级生态调水补水。且这一结论从南水北调中线工程和相关监测数据得到了验证。

(3)应用两个模型(Ⅰ、Ⅱ)研究黄河流域几千年来生态变化表明，黄河流域在有记载的几千年历史中，流域生态异变历经由模型Ⅱ逐步退化为模型Ⅰ，新中国成立后正在逐步恢复为模型Ⅱ的过程，展现该模型的研究价值。植被对水循环影响是黄河流域生态异变千年趋势形成和变化的重要因素，反映的是人为干扰对植被、进而对流域整个生态系统的影响。新中国成立后一系列生态工程的实施，是黄河流域生态异变趋势逆转的重要原因，而保持这种良好局面继续深化的可行干预措施是继续实施流域治理和生态修复等高质量发展。

(4)1960年代以来，黄河流域水汽变化与新中国生态建设史高度契合，与大高程差干旱半干旱流域随着植被恢复及生态环境改善会先在上游出现流域大气地面湿化耦合现象相符。监测和研究数据说明，黄河流域已进入上游湿润化的初始阶段，且这种趋势随着生态建设力度加大和大型生态干预工程建成在明显加快，也表明流域生态千年退化趋势已经步入逆转的良好局面。东线、中线生态调水补水工程的生态促进作用在区域宏观生态层面得到了验证，对加快西线工程建设的必要性有了新的认识。