植被与水平衡要素的时空演变及交互关系

秦东旭 ,  李中华 ,  徐敏 ,  王东 ,  侯晓姝

中国工程科学 ›› 2024, Vol. 26 ›› Issue (6) : 140 -156.

PDF (5754KB)
中国工程科学 ›› 2024, Vol. 26 ›› Issue (6) : 140 -156. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2024.06.012
健康水平衡构建与国土高质量保护利用战略

植被与水平衡要素的时空演变及交互关系

作者信息 +

Spatiotemporal Evolution and Interactions of Vegetation and Water Balance Elements

Author information +
文章历史 +
PDF (5891K)

摘要

植被覆盖与水平衡要素的演变及交互关系对提升水资源和林草保护的匹配性、促进高质量发展具有重大意义。本文以1982—2019年的归一化植被指数、降水量、实际蒸散发量和产水量为关键指标，以1 km×1 km栅格为基本分析单元，在气候分区、植被分区、三级流域、一级流域等不同分区范围，解析了植被覆盖与水平衡要素的时空演变规律和空间交互关系，识别出“植被增加 ‒ 产水降低”矛盾突出的区域，并揭示了植被 ‒ 产水的空间交互关系的复杂性，在此基础上明晰了“水绿统筹”原则下林草科学保护和恢复面临的主要挑战。研究表明，全国平均降水、实际蒸散发、产水量的多年平均值整体变化不显著，但在气候分区、植被分区、流域分级分析时显著性凸显；不同气候分区、植被分区和分级流域中“植被增加 ‒ 产水降低”矛盾空间差异显著，如暖温带半湿润地区、暖温带落叶阔叶林区域、温带荒漠区域、温带草原区域等区域，淮河、海河、辽河、黄河流域等一级流域以及35.7%的三级流域矛盾尤为突出。研究发现，“三北”防护林工程、退耕还林还草工程的主要实施区域（如西北诸河、黄河流域等）和识别出的“植被增加 ‒ 产水降低”矛盾突出区域具有高度重合性，需警惕重大工程实施区的植被生态需水保障风险。研究建议，提升林草保护与恢复决策的科学性，目标分解需考虑天然径流下降风险，加大重大工程生态需水保障，以推动未来林草科学保护和水资源管理。

Abstract

The interactions between vegetation and water balance elements play a crucial role in enhancing the compatibility of water resources and forest-grassland conservation, thereby promoting high-quality development. This study employs key indicators, including the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), precipitation, actual evapotranspiration, and water yield, spanning the years 1982 to 2019, with a 1 km × 1 km grid as the fundamental analytical unit. It examines the spatiotemporal evolution patterns and interrelationships between vegetation and water balance elements across various spatial scales, such as climatic zones, vegetation zones, tertiary watersheds, and primary watersheds. It identifies regions and watersheds with pronounced conflicts between vegetation increase and water yield reduction, and reveals the spatial interactions between vegetation and water yield. Based on these findings, the study outlines the key challenges and recommendations for scientifically restoring and conserving forests and grasslands under the principle of "coordinated water and vegetation management". While national averages for precipitation, actual evapotranspiration, and water yield exhibit no significant trends, notable spatial patterns emerge at specific scales. Significant conflicts between vegetation increase and water yield reduction are observed in regions such as the warm temperate semi-humid zone, warm temperate deciduous broadleaf forest zone, temperate desert zone, and temperate grassland zone, as well as in major watersheds such as the Huaihe, Haihe, Liaohe, and Yellow Rivers, and in 35.7% of tertiary watersheds. Additionally, the main implementation areas of major ecological projects like the Three-North Shelterbelt Program and the Grain for Green Program (e.g., Northwest Rivers and the Yellow River basin) overlap significantly with the identified conflict-prone areas, raising concerns about the ecological water needs of vegetation in these areas. The study recommends enhancing decision-making scientificity, accounting for natural runoff reduction risks in target setting, and strengthening ecological water supply assurance for major projects, thereby providing valuable insights for the future scientific conservation of forests and grasslands.

Graphical abstract

关键词

水平衡 / 植被覆盖 / 产水量 / 时空演变 / 交互 / 可持续管理

Key words

water balance / vegetation / water yield / spatiotemporal evolution / interaction / sustainable management

引用本文

引用格式 ▾
秦东旭,李中华,徐敏,王东,侯晓姝. 植被与水平衡要素的时空演变及交互关系[J]. 中国工程科学, 2024, 26(6): 140-156 DOI:10.15302/J-SSCAE-2024.06.012

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

一、 前言

全球气候变化的加剧与社会经济的快速发展显著改变了地表的水热条件，进而深刻影响了生态水文过程和水资源的时空分布[1]。近年来，全球许多河流的径流量呈持续减少态势，部分河流甚至出现断流现象，严重威胁社会、经济、生态系统的安全与稳定[2]。植被作为陆地生态系统的重要组成部分，通过影响降水截留、蒸散发与土壤下渗等水文过程，显著改变了河川径流的形成与分配[3]。“十四五”规划纲要提出，以国家重点生态功能区、生态保护红线、国家级自然保护地为核心，实施重要生态系统保护与修复的重大工程。2020年，我国发布的《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划（2021—2035年）》指出，到2035年，森林覆盖率将提升至26%，草原综合植被盖度将达到60%。在不同区域和气候条件下，协调植被恢复与水资源管理，尤其是其对水平衡要素（如产水量、蒸散发）的影响，成为亟待深入探讨的关键问题。

近年来，通过实施“三北”防护林工程、退耕还林还草工程等重大生态恢复工程，我国植被覆盖率得到显著提升。2000—2020年，我国森林面积从1.6×108 hm2增加至2.2×108 hm2，森林覆盖率从16.55%提升至22.96%[4]。在干旱和半干旱地区，特别是年降水量低于400 mm的区域，植被增加通常伴随蒸散发的大幅上升，导致河川天然径流量减少；在湿润地区，植被恢复对天然径流的影响则相对较小[5]。然而，植被覆盖与水平衡的关系复杂，不仅取决于覆盖率的比例，还取决于气候条件、地理位置、水文状况、植被类型等，甚至还取决于研究选取的时空范围[6~8]。单一空间或时间范围的研究不能充分揭示植被与水资源在不同区域内的复杂响应机制，甚至可能在生态保护和水资源管理政策的制定过程中引发偏差。因此，开展多区域的综合研究，系统分析植被恢复对水平衡要素的影响，具有重要的现实意义和理论价值。

本文使用1982—2019年的高精度空间数据，以1 km×1 km栅格为基本分析单元，在不同气候区、植被区和流域层面，解析植被覆盖与水平衡要素（如产水量和蒸散发）的时空演变规律，系统分析不同分区类型植被恢复与天然水资源量变化之间的空间关系，识别出植被增加与天然水资源减少矛盾突出的区域。在此基础上，提出林草科学保护与恢复的建议，以期为国家、区域、流域等不同层面的林草保护与水资源管理提供科学依据。

二、 数据来源与研究方法

（一） 研究数据

为保持研究数据时间尺度的一致性，同时考虑降水、实际蒸散发数据的可获取性，本研究基于1982—2019年的国家青藏高原数据中心提供的气候数据（包括降水量和潜在蒸散发数据）[9]、Harvard Dataverse数据集中的实际蒸散发数据，分析了全国及各分区的水平衡要素时空分布特征。其中，Harvard Dataverse数据集中的实际蒸散发数据来源于中国科学院空天信息创新研究院产品，通过对12个全球实际蒸散发（ET）产品在不同时段、不同地表类型和条件下的站点像元进行评价，选择表现最好的产品并利用覆盖全球的高质量通量涡动相关方差合成新数据集。经验证，此数据集比中国、美国和非洲大陆的本地ET产品表现更好[10]。

结合Landsat卫星影像数据，本研究系统揭示了1982—2019年全国范围内植被变化与水资源变化之间的关系。使用Landsat 5/7/8数据集来获取归一化植被指数（NDVI），限于研究时间跨度较长且受卫星遥感数据质量的限制，1982—1989年的NDVI数据缺失或精度过于粗糙，因此将选用的时间范围调整为1990—2019年。

（二） 研究方法

本研究采用ArcGIS地理信息系统、矩阵实验室等进行空间分析与数据处理，确保数据的精度和一致性。在数据整理过程中，使用中等分辨率成像光谱仪制作的遥感数据对植被覆盖进行进一步的验证和校准，并通过时空趋势分析方法，揭示了植被覆盖与水平衡要素之间的相互关系。同时，采用时空统计模型进行数据整合和分析，以评估不同区域植被恢复对水资源的影响。

1. 水量平衡方程

基于水量平衡原理[11]来计算产水量，以高精度栅格作为基本分析单元，忽略水储量变化，即：

Y ( x ) = P x - E ( x )

式（1）中，Y(x)为栅格x的年均产水量，P(x)为栅格x的年均降水量，E(x)为栅格x的年均实际蒸散量。

2. Mann-Kendall（MK）趋势分析和Theil-Sen Median斜率估计

MK检验[12]是一种非参数统计方法。该检验方法不依赖于数据的分布情况，在实际应用中具有很高的灵活性和适用性。Theil-Sen Median斜率估计是一种稳健的非参数统计的趋势计算方法，通过计算所有成对数据点之间斜率的中位数来稳健地拟合数据趋势。本研究结合上述方法，分析水平衡要素的时间演变趋势及其显著性，并在此基础上探讨植被覆盖与产水量变化的空间叠加特征。具体的演变趋势分类及其依据如表1表示。

3. 植被覆盖度（FVC）估算

FVC估算以NDVI数据集为基础，计算公式为[13]：

F = N - N m i n N m a x - N m i n

式（2）中，F为植被覆盖度； N m a x为纯植被像元的 N D V I值，此处使用95%处的 N D V I值； N m i n为完全无植被覆盖像元的 N D V I值，此处使用5%处的 N D V I值。

（三） 数据校验

本研究利用水量平衡方程计算得到全国、各分区的多年产水量。为校验数据准确性，将计算得出的长江流域、黄河流域产水量与已有研究得出的产水量进行对比[14,15]，结果发现，受研究方法和源数据差异的影响，产水量绝对值略有差异，但多年时间变化趋势及空间分布模式均较为一致。考虑本研究主要关注产水量时空变化趋势而非绝对值，计算得出的数据可为后续深入分析提供可靠的基础。

三、 不同分区水平衡要素的时空演变规律

（一） 不同地理分区

1982—2019年，我国多年平均降水量、实际蒸散发量、产水量空间分异显著，均呈自东南向西北递减特征（见图1（a）~（c））。MK突变检验显示，2015年后，全国降水量波动增加但不显著；1996—2003年，全国实际蒸散发量显著增加；2015年后，全国产水量呈不显著波动增加（见图1（d）~（f））。就全国整体而言，近40年来年均降水量、蒸散发量和产水量无显著变化。

根据我国地理区划，共划分西北、东北、华北、华中、西南、华南、华东7个分区，进一步分析水平衡要素在不同地理分区的演变规律（见图1（g）~（i））。降水量增加栅格约占63.81%，集中在西北和华北地区；降水量减少栅格约占36.19%，主要分布于东北和华中地区。实际蒸散发量增加栅格约占42.9%，集中于华东、华中以及东北地区；实际蒸散发量减少栅格占33.07%，分布在西南地区；实际蒸散发量无明显变化的是西北地区。可以发现，西北和华北地区虽然降水量增加，但实际蒸散发量并无明显增加，说明水资源在这些地区的利用效率可能有所提升。产水量增加栅格的占比为44.43%，主要集中于西南地区，表明该地区的水资源相对充足；产水量减少栅格占比为55.15%，集中于东北和华北地区，表明这些地区可能面临水资源紧缺或水文循环变化的挑战；产水量无明显变化栅格的占比仅为0.42%。

（二） 不同气候分区

根据我国气候区划，共划分为7个主要气候区，包括暖温带半湿润地区、中温带干旱地区、北亚热带湿润地区、中温带半湿润地区、中温带半干旱地区、高原温带半干旱地区和边缘热带湿润地区。本研究将探讨水平衡要素在不同气候分区下的时空演变规律。

1982—2019年，各气候分区的多年年均降水量范围为115.6~1599.4 mm。降水量在空间分布上存在显著的不均衡性：中温带干旱地区的年均降水量最少，边缘热带湿润地区的年均降水量最多；边缘热带湿润地区与北亚热带湿润地区的降水量波动明显，其水资源管理需要适应极端降水事件频发的情况；其他地区则相对平稳（见图2（a））。在降水趋势方面，中温带干旱地区和高原温带半干旱地区分别呈微显著、显著增加趋势，有利于改善其干旱状况；其他地区的变化不显著（见图2（d））。在实际蒸散发量方面，不同气候分区的总体变化范围为15.81~1638.79 mm，除高原温带半干旱地区显著减少、边缘热带湿润区略减外，其他地区的蒸散发量均显著增加，表明水分散失加剧（见图2（b）和（e））。不同气候分区的产水量总体变化范围为0~3653.35 mm。其中，边缘热带湿润地区和北亚热带湿润地区的产水量波动较大，中温带干旱地区的产水量显著减少，仅高原温带半干旱地区的产水量显著增加（图2（c）和（f））。

总体来看，不同气候分区的降水量、蒸散发量和产水量存在显著的空间差异与趋势特征，降水与蒸散发的共同作用决定了产水量的区域变化。中温带干旱地区和高原温带半干旱地区的产水量变化特征反映了干旱地区对水文循环变化的敏感性，未来需重点关注其水资源状况的动态变化。边缘热带湿润地区和北亚热带湿润地区的降水量与产水量波动较大，表明其水资源管理需要更好应对极端降水事件频发的情况。

（三） 不同植被分区

我国的植被分区划分为温带荒漠区域，温带草原区域，青藏高原高寒植被区域，亚热带常绿阔叶林区域，热带季风雨林、雨林区域，暖温带落叶阔叶林区域，寒温带针叶林区域以及温带针叶、落叶阔叶混交林8个区域。本研究将进一步探讨水平衡要素在不同植被分区下的时空演变规律。

不同植被分区的多年平均降水量为120.8~1484.7 mm。其中，温带荒漠区域的降水量最少，热带季风雨林、雨林区域的降水量最多，亚热带常绿阔叶林区域和热带季风雨林区域的降水量波动明显，其他区域的降水量相对平稳（见图3（a））。在降水趋势方面，温带荒漠区域的降水量呈显著增加趋势，将缓解其干旱状况；青藏高原高寒植被区域的降水量呈极显著增加趋势，表明该区域可能受到显著的气候变化影响；其他区域的降水量变化趋势不明显（见图3（d））。不同植被分区的总体实际蒸散发量变化范围为135.8~854.3 mm，波动较大，除青藏高原高寒植被区域极显著减少外，其他区域均显著增加（见图3（b）和（e））。在降水与蒸散发变化的共同影响下，不同植被分区的产水量变化范围为31.1~642.9 mm。受降水量和蒸散发量的变化相对稳定影响，温带草原区域、温带荒漠区域的产水量波动较缓和；温带荒漠区域、温带草原区域、暖温带落叶阔叶林区域的产水量呈极显著减少，这些区域可能面临水资源进一步紧张的挑战；寒温带针叶林区域的产水量显著减少，可能与蒸散发量增加有关；受降水增加和蒸散发减少的共同影响，青藏高原高寒植被区域的产水量则极显著增加（见图3（c）和（f））。

不同植被分区的水平衡要素变化反映了植被类型在调控区域水资源平衡中发挥的关键作用。干旱区植被分区对降水变化的敏感性较高，但由于植被稀疏，其对水资源的承接与调控能力相对有限，水资源改善更多依赖降水的持续性。湿润区植被分区则表现出降水波动较大的特征，尽管降水充足，但蒸散发的增强可能导致水资源供给不稳定，进一步加剧生态系统的脆弱性。

（四） 不同流域分级

本研究在进行不同流域分级时，依托全国划分的10个一级水资源分区，包括长江流域、黄河流域、淮河流域、海河流域、珠江流域、松花江流域、辽河流域、西北诸河、西南诸河、东南诸河，作为一级流域；依托划分的210个三级水资源分区，作为三级流域。在一级流域和三级流域分区的基础上，探讨水平衡要素的时空演变规律。

在降水量方面，一级流域的降水深度受地理位置和气候类型影响，多年平均降水深度最高的为东南诸河，最低的是西北诸河，这种格局与我国的自然地理特征一致；在三级流域中，台澎金马诸河的降水量最多，和田河的降水量最少（见图4（a）、5（d））。1982—2019年，在一级流域中，西北诸河和黄河流域的降水量显著增加，其他流域变化不显著；在三级流域中，降水增加区域集中于中部、西部地区的22个三级流域，其中，6个流域为微显著增加，8个流域为显著增加，8个流域（黑河、河西荒漠区、石羊河、青海湖水系、大通河享堂以上、柴达木盆地东部、羌塘高原区、玛曲至龙羊峡）为极显著增加（见图4（d）、图5（a））。

在实际蒸散发量方面，一级流域中多年实际蒸散发量均值最高的是珠江流域，最低的是西北诸河（见图4（b））；三级流域的实际蒸散发量平均值为41.8~1160.5 mm，其中库木塔格沙漠最少，海南岛最多（见图5（e））。在一级流域中，松花江流域、辽河流域、海河流域、淮河流域、东南诸河的实际蒸散发量呈极显著增加态势，西南诸河和长江流域的实际蒸散发量呈极显著减少态势。在三级流域中，实际蒸散发量呈微显著、显著增加趋势的流域分别有3个、13个，呈极显著增加趋势的流域有131个，主要位于中东部地区和北方地区，如中东部地区的唐白河、饶河等，北方地区的浑河、疏勒河等，这也侧面显示出上述流域的水分散失情况普遍加剧；实际蒸散发量呈微显著减少、显著减少、极显著减少趋势的流域分别有2个、4个、33个，其中极显著减少的流域主要位于西南部地区，如通天河、羌塘高原区等，这些流域水分散失显著降低，有利于水资源积累（见图4（e）、5（b））。

在产水量方面，一级流域中多年平均产水量最高的流域为东南诸河，最低的流域为西北诸河；三级流域中的产水量差异非常大，均值范围为1.7~1532.7 mm（见图4（c）、5（f））。1982—2019年，海河流域、淮河流域的产水量呈极显著减少态势，辽河流域的产水量呈显著减少态势，松花江流域的产水量呈微显著减少态势，这表明北方流域的水资源压力加大；黄河流域的产水量则为微显著增加，西北诸河、西南诸河的产水量呈极显著增加态势，将缓解干旱区域的水资源短缺问题（见图4（f））。在三级流域中，呈不明显减少趋势的流域有54个，主要分布在东部和东南部地区，如清江、澧水等；呈不明显增加趋势的流域有31个，主要分布在南部地区，如红水河、桂贺江等；呈微显著减少趋势的流域有10个，如黑龙江干流、古尔班通古特荒漠区等；呈微显著增加趋势的流域有5个，分别为开孔河、清水河与苦水河、北盘江、南盘江、盘龙江；呈显著增加趋势的流域有2个，分别为渭河宝鸡峡以上、藏南诸河；呈显著减少趋势的流域有15个，如哈尔滨至通河、乌伦古河等；呈极显著增加趋势的流域有28个，主要位于西南部地区，如羌塘高原区、通天河等；呈极显著减少趋势的流域有65个，主要位于中部和西北部地区，如疏勒河、库塔格沙漠等（见图5（c））。

四、 植被变化与产水量变化的交互关系

（一） 不同地理分区

我国的NDVI整体上呈西北低、东南高的分布格局。1990—2019年，不同地区植被覆盖存在显著差异，NDVI平均值范围为-0.77~0.92（见图6（a））。利用全国多年NDVI平均值计算植被覆盖度，并借鉴已有研究[16]，将其分为5类：低植被覆盖度、较低植被覆盖度、中植被覆盖度、较高植被覆盖度和高植被覆盖度。研究发现，较低植被覆盖度、低植被覆盖度地区主要分布在西北地区，较高植被覆盖度地区分布在华东、华南地区。将多年平均产水量与多年平均NDVI进行相关性分析，发现两者整体呈正相关（栅格面积占比为56.55%），并且在低植被覆盖度下，NDVI与产水量的正相关更强（见图6（b）、6（c））。这表明，在生态脆弱地区，植被覆盖与水文循环的关系更为紧密。

进一步将产水量变化趋势与NDVI变化趋势进行空间叠加分析后发现，主要存在3种变化类型：NDVI增加、产水量无明显变化，NDVI增加、产水量减小，NDVI与产水量都增加，占比分别为25.72%、22.09%、20.18%（见图7（a））。其中，NDVI增加、产水量减少的栅格面积约为1/5，主要位于北部地区，预示可能存在植被扩张导致水资源短缺加剧的现象（见图6（c）和图8）。NDVI和产水量都增加的区域主要分布在西南地区，其原因在于全球气候变暖下西南地区、青藏高原部分地区的冰川加速退缩、湖泊显著扩张以及冰川径流增加，从而带来产水量增加[17]。

已有研究认为[17]，在降水量400 mm以下的干旱和半干旱地区，开展人工植被建设会造成蒸散发耗水增加，导致天然径流量显著减少；而在降水量超过800 mm的湿润地区，开展植被建设对天然径流的影响较小。因此，本研究以400 mm和800 mm等降水量线为界，探究不同降水量条件下的NDVI和产水量变化趋势叠加关系（见图7（b））。结果显示，等降水量400 mm以下的区域主要存在NDVI和产水量都增加（29.66%），NDVI增加、产水量减小（26.3%）两种趋势；在等降水量400~800 mm地区，首要趋势是NDVI增加、产水量减小，占比为29.08%；而在等降水量800 mm以上地区，主要存在NDVI增加、产水量无明显变化，NDVI增加、产水量减小两种趋势，占比分别为41.22%、20.63%。可以看出，不同于以往研究结果，在3个不同降水地区都存在植被增加但天然径流下降的现象，且在等降水量400~800 mm地区该现象最为明显，等降水量400 mm以下地区次之，等降水量800 mm以上地区相对不明显但比例仍接近1/5。

整体来看，植被对产水量的调节不仅受降水量影响，还可能与区域气候背景、地形条件以及人类活动的综合作用密切相关，甚至与研究尺度相关[17]。因此，单纯以降水量线或其他单一指标定义植被与产水量的复杂响应关系可能存在局限性，需要开展多维度综合分析。

（二） 不同气候与植被分区

如图9（a）和9（c）所示，在7个气候分区中，暖温带半湿润地区、中温带干旱地区、中温带半干旱地区以NDVI增加但产水量减小为主（占比分别为49.98%、37.1%、33.79%），主要位于“三北”防护林工程区域，说明植被覆盖增加可能导致蒸散发作用增强、产水量减少；中温带半湿润地区以NDVI和产水量都不明显变化为主；北亚热带湿润地区和边缘热带湿润地区以NDVI增加、产水量无明显变化为主（占比分别为47.42%、59.75%），这两个气候区大部分是退耕还林还草工程的实施区，湿润地区植被对产水量的影响相对更小，但调节作用有限；高原温带半干旱地区以NDVI和产水量都增加为主，这是由于在全球变暖、高原冰川和积雪融化的影响下，天然径流量增加，同时气候暖湿化有利于植被生长。

如图9（b）和9（d）所示，在8个植被分区中，暖温带落叶阔叶林区域、温带荒漠区域、温带草原区域以NDVI增加但产水量减少为主（占比分别为51.63%、33.2%、33.05%）；亚热带常绿阔叶林区域和热带季风雨林、雨林区域以NDVI增加但产水量不明显变化为主（分别占比为43.61%、36.27%）；温带针叶、落叶阔叶混交林区域以NDVI和产水量都不明显变化为主（占比为38.64%），寒温带针叶林区域以NDVI不明显变化、产水量减小为主（占比为49.25%），这两个区域虽然位于“三北”防护林工程实施区域，但由于纬度较高、气温低、降水少，植被生长缓慢与树木稀疏，加之林内阳光强、蒸散发量较大，从而表现为产水量减少[17]；青藏高原高寒植被区域以NDVI和产水量都增加为主（占比为58.1%），主要由于气候变暖和水文条件改善（冰川融化、天然径流增加）带来的正向影响。

总体来看，不同气候与植被分区下，植被和产水量的交互关系具有明显异质性，反映了区域气候背景、生态系统特性和人类活动共同作用的复杂过程。“三北”防护林工程和退耕还林还草工程显著提高了部分区域的植被覆盖（NDVI增加）。全球变暖、高原融雪、暖湿化趋势对高原地区和干旱、半干旱地区的植被与水文条件有重要影响。湿润地区的产水量变化相对不显著，而干旱、寒冷地区由于蒸散作用增强和环境限制，主要表现为产水量减少。

（三） 不同流域分级

图10（a）和10（b）展示了一级流域植被覆盖度与产水量的交互关系。松花江流域约有30.61%的地区植被覆盖度和产水量相对稳定，NDVI和产水量都无明显变化；约24.39%的地区植被无明显变化但产水量降低，16.65%的地区植被增加而产水量降低。西北诸河大部分位于“三北”防护林工程范围，但由于防护林工程开始时间较早，防护效益相对低下[18]。西南诸河的降水量、气温呈上升趋势，融雪形成的天然径流使产水量增加，植被受人类干扰较小[19,20]。因此，西北诸河、西南诸河以NDVI和产水量都增加为第一趋势（占比分别为28.21%、33.77%）。与以往研究结果相似，辽河、海河、黄河、淮河等流域在实施大规模植被工程后导致天然径流量下降[14,15]，以NDVI增加、产水量减小趋势为首（占比分别为45.16%、55.09%、39.39%、55.49%）。同样，在长江流域、珠江流域、东南诸河实施植被恢复工程后，天然水资源量未受到显著影响，NDVI增加后，产水量无明显变化。

在210个三级流域中（见图10（c）），以NDVI和产水量都无明显变化为首要趋势的流域共有16个，集中在我国东北和东部沿海地区，包括尼尔基以上、海拉尔河、呼伦湖水系、穆棱河口以下、通河至佳木斯干流区间、穆棱河口以上、牡丹江、绥芬河、丰满以上、浑江口以上、日赣区、通南及崇明岛诸河、湖西及湖区、武阳区、洞庭湖环湖区、浙东沿海诸河（含象山港及三门湾）；以NDVI无明显变化、产水量增加趋势为首的流域共有9个，集中在西南部地区，包括通天河、河源至玛曲、奇普恰普河、青衣江和岷江干流、怒江勐古以上、沘江口以上、藏南诸河、拉孜至派乡、派乡以下；以NDVI无明显变化但产水量减小趋势为首的流域共有11个，集中在东北部地区，包括黑龙江干流、额尔古纳干流区间、哈尔滨至通河、内蒙古高原东部、巴伊盆地、哈密盆地、滦河平原及冀东沿海诸河、北四河下游平原、大清河淀西平原、大清河淀东平原、宜昌至武汉左岸；以NDVI增加但产水量无明显变化为主要趋势的流域共有73个，集中在南部地区，如柳江、红水河、右江等；以NDVI和产水量都增加为主的流域共有24个，集中在中西部地区，如羌塘高原区、清水河与苦水河、喀什噶尔河等；以NDVI减小但产水量无明显变化为主要趋势的流域共有2个，即黄浦江区、杭嘉湖区；以NDVI增加、产水量减小为主要趋势的流域共有75个，集中在中部河西北部地区，如黑河、渭干河、汾河、小清河等。

从流域分区的角度来看，一级流域的植被变化呈现出显著的空间差异，而三级流域更突出局地特征，反映了流域内部水资源分布对植被恢复的敏感性。需要注意的是，随着空间尺度的增大，植被与产水量变化的空间交互关系更容易被均一化，这可能导致部分矛盾被放大，而其他潜在的交互关系则被掩盖。同时，在较大的空间尺度下，气候变化和人类活动等复杂因素的叠加效应更为显著，使得植被增加与产水量变化之间的关系难以单独剥离，增加了两者关系的不确定性。

五、 研究结论与建议

（一） 研究结论

1. 水平衡要素的时空演变规律显著

全国降水量、蒸散发量及产水量的多年平均值均呈自东南向西北递减趋势，整体变化不显著。对于不同地理分区，西北和华北地区降水量增加但实际蒸散发量未明显增加，水资源利用效率有所提升；东北和华北地区的产水量减少显著，反映了潜在的水资源压力和水文变化问题。对于不同气候分区，中温带干旱地区和高原温带半干旱地区的降水呈增加趋势，但由于大部分地区实际蒸散发量显著增加，因此仅高原温带半干旱地区的产水量显著增加。对于不同植被分区，青藏高原高寒植被区的产水量显著增加，主要受气候变暖及冰川退缩的影响；温带荒漠、温带草原、暖温带落叶阔叶林区域的产水量呈极显著减少，寒温带针叶林区域的产水量显著减少，表明水资源压力加剧。对于不同流域分区，在一级流域中，西北诸河、西南诸河的产水量显著增加，而海河、淮河、辽河、松花江等流域的产水量均不同程度减少，显示出北方流域水资源压力较大；三级流域的产水量差异显著，北方流域的产水量减少明显。水平衡要素在不同分区的时空演变反映了我国复杂的自然地理特征及其水文循环动态。

2. 植被变化与产水量变化之间交互关系复杂

全国NDVI呈现东南高、西北低的空间格局，NDVI与产水量整体呈正相关，在低植被覆盖度地区的相关性更强，表明生态脆弱区植被变化对水文循环影响更大。在等降水量400~800 mm地区，植被增加但天然径流下降的现象最为明显，以往单纯以降水量线或其他单一指标来定义植被与产水量的复杂响应关系可能存在较大局限。在不同气候分区中，植被增加对产水深度的影响并不简单随干旱程度增加而增大，半湿润地区的天然径流调节作用有限，无法完全抵消植被增加导致的径流减少。在不同植被分区中，暖温带落叶阔叶林、温带荒漠、温带草原等区域植被增加对产水量的负面影响更显著。对于不同流域分区，一级流域中的北方流域因植被增加导致产水量下降的趋势突出；三级流域更突出的是局地特征，黑河等流域的植被扩张加剧了天然径流的减少。总体来看，植被变化对产水量的影响具有显著的区域异质性和复杂性。

3. “三北”防护林工程面临较大的水资源保障压力

“三北”防护林工程显著提高了我国的植被覆盖水平，改善了区域生态环境，发挥了防风固沙、保持水土、改善气候等多方面的生态效益。然而，“三北”防护林工程覆盖了中温带干旱、半干旱地区的大部分区域，研究显示，实施区域与植被增加、产水量下降矛盾突出的区域高度重叠，表现出明显的生态和水文冲突。这些区域因长期干旱，存在土壤含水量低、降水补给不足等问题，在植被覆盖度提高后，水分消耗进一步加剧，导致土壤含水量降低和地下水位下降。这不仅可能影响植被的长期稳定性，还可能造成区域生态系统的退化。在全球变暖和气候变化的作用下，北方干旱和半干旱地区的气候变得更加复杂多变，将进一步加大区域水资源供给的不确定性。因此，做好区域水资源可持续利用与生态效益之间的平衡，是“三北”防护林工程面临的重要课题。

（二） 主要建议

1. 提升林草保护与恢复决策的科学性

在不同地理、气候、植被及流域分区中，植被恢复与产水量变化关系的复杂性和区域差异性表明，现有的分区方法在刻画植被恢复与产水变化的空间关系时存在不足。建议基于多源数据，探索基于水文生态特征的新分区方法，结合植被水资源承载力与径流调控能力等指标，提升分区的精度和适用性。

林草保护与恢复政策的制定需要统筹全国层面和区域层面的实际情况。在国家及重点流域层面，需制定整体规划，明确植被恢复的总体目标和任务，划定重点生态保护区和植被恢复区，协调生态保护与水资源利用，同时确保从国家规划到流域实施的有效衔接。在工程实施层面，聚焦更小分区的空间异质性，从精准植被配置、差异化管控等方面，制定精细化的措施与方案。

2. 目标分解需充分考虑部分区域和流域的天然径流下降风险

在目标分解时，建议充分考虑部分区域和流域的天然径流下降风险。在暖温带半湿润地区、中温带干旱地区和中温带半干旱区，植被增加显著影响了天然径流。例如，在淮河、海河、辽河和黄河等一级流域以及黑河、汾河等75个三级流域中，天然径流减少问题尤为突出。这种趋势反映了植被恢复对区域水资源需求的压力已接近或超过天然供给能力。

针对上述区域和流域，建议深入评估天然水资源对现状植被的承载力及其盈亏关系。在水资源供给不足以支持植被恢复目标的区域，科学设定植被恢复目标，避免林草覆盖率的盲目扩张。同时，结合区域特点，推广耐寒、低耗水的高效用水型植被，优化植被结构和布局，提升单位水资源的生态效益。在实际操作中，建立动态监测和调整机制，定期评估植被恢复与水资源平衡之间的关系，根据监测结果，及时优化恢复策略，确保植被恢复目标与水资源条件相适应。

3. 强化重大生态工程的水资源保障

“三北”防护林工程和退耕还林还草工程已进入关键实施期，“三区四带”区域（包括北方防沙治沙区、黄土高原水土保持区、青藏高原生态屏障区以及东部防护带、中部防护带、西部防护带和北方防护带）在植被恢复与水资源保障方面面临较大挑战。在生态恢复与水资源利用之间实现科学平衡，成为确保重大工程长期可持续性的核心议题。

建议平衡天然水资源与生态需水，精准评估生态需水量，优先保障关键区域的生态用水，优化植被结构与布局。根据降水量年际波动、地下水补给状况和生态系统健康水平动态调整水资源调度方案，确保工程实施目标与水资源供给能力匹配。统筹考虑生态效益、水资源利用、粮食安全、区域经济发展等目标，加强对未来气候变化情景的评估，优化工程规划，提升适应能力。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

夏军, 谈戈‍. 全球变化与水文科学新的进展与挑战 [J]. 资源科学, 2002, 24(3): 1‒7.
[2]

Xia J, Tan G. Hydrological science towards global change: Progress and challenge [J]. Resources Science, 2002, 24(3): 1‒7.
[3]

Yang L, Zhao G J, Tian P, et al. Runoff changes in the major river basins of China and their responses to potential driving forces [J]. Journal of Hydrology, 2022, 607: 127536.
[4]

Chen C, Park T, Wang X H, et al. China and India lead in greening of the world through land-use management [J]. Nature Sustainability, 2019, 2: 122‒129.
[5]

Xi Y, Peng S S, Liu G, et al. Trade-off between tree planting and wetland conservation in China [J]. Nature Communications, 2022, 13(1): 1967.
[6]

胡庆芳, 陈秀敏, 高娟, 等‍. 水平衡与国土空间协调发展战略研究 [J]. 中国工程科学, 2022, 24(5): 63‒74.
[7]

Hu Q F, Chen X M, Gao J, et al. Coordinated development between water balance and territory space [J]. Strategic Study of CAE, 2022, 24(5): 63‒74.
[8]

Zhang M F, Liu N, Harper R, et al. A global review on hydrological responses to forest change across multiple spatial scales: Importance of scale, climate, forest type and hydrological regime [J]. Journal of Hydrology, 2017, 546: 44‒59.
[9]

Zhang P P, Cai Y P, He Y H, et al. Changes of vegetational cover and the induced impacts on hydrological processes under climate change for a high-diversity watershed of South China [J]. Journal of Environmental Management, 2022, 322: 115963.
[10]

Xu Z P, Man X L, Duan L L, et al. Assessing the relative contribution of increased forest cover to decreasing river runoff in two boreal forested watersheds of Northeastern China [J]. Ecohydrology & Hydrobiology, 2022, 22(1): 113‒125.
[11]

彭守璋‍. 中国1 km分辨率逐月降水量数据集 (1901—2021) [EB/OL]. [2024-06-08]. https://poles.tpdc.ac.cn/zh-hans/data/faae7605-a0f2-4d18-b28f-5cee413766a2/.
[12]

Peng S Z. 1 km monthly precipitation dataset for China (1901—2021) [EB/OL]. [2024-06-08]. https://poles.tpdc.ac.cn/zh-hans/data/faae7605-a0f2-4d18-b28f-5cee413766a2/.
[13]

Elnashar A, Wang L J, Wu B F, et al. Synthesis of global actual evapotranspiration from 1982 to 2019 [J]. Earth System Science Data, 2021, 13(2): 447‒480.
[14]

卢诗卉, 赵红莉, 蒋云钟, 等‍. 基于多源遥感数据和水量平衡原理的灌溉用水量分析 [J]. 水利学报, 2021, 52(9): 1126‒1135.
[15]

Lu S H, Zhao H L, Jiang Y Z, et al. Analysis of irrigation water based on multi-source remote sensing data and water balance principle [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2021, 52(9): 1126‒1135.
[16]

孙可可, 许继军, 许斌, 等‍. 长江源区气温降水变化趋势及其对区域干旱的影响 [J]. 水利水电快报, 2021, 42(9): 15‒20, 25.
[17]

Sun K K, Xu J J, Xu B, et al. Variation trend of temperature and precipitation in source region of Yangtze River and its influence on regional drought [J]. Express Water Resources & Hydropower Information, 2021, 42(9): 15‒20, 25.
[18]

徐勇, 郑志威, 郭振东, 等‍. 2000—2020年长江流域植被NDVI动态变化及影响因素探测 [J]. 环境科学, 2022, 43(7): 3730‒3740.
[19]

Xu Y, Zheng Z W, Guo Z D, et al. Dynamic variation in vegetation cover and its influencing factor detection in the Yangtze River Basin from 2000 to 2020 [J]. Environmental Science, 2022, 43(7): 3730‒3740.
[20]

杨洁, 谢保鹏, 张德罡‍. 基于InVEST模型的黄河流域产水量时空变化及其对降水和土地利用变化的响应 [J]. 应用生态学报, 2020, 31(8): 2731‒2739.
[21]

Yang J, Xie B P, Zhang D G. Spatio-temporal variation of water yield and its response to precipitation and land use change in the Yellow River Basin based on InVEST model [J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2020, 31(8): 2731‒2739.
[22]

闫奕飞, 白强, 孙虎, 等‍. 黄河流域植被变化和产水服务的时空特征分析 [J]. 水土保持学报, 2024, 38(1): 130‒139.
[23]

Yan Y F, Bai Q, Sun H, et al. Analysis of spatio-temporal characteristics of vegetation cover and water production services in the Yellow River basin [J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2024, 38(1): 130‒139.
[24]

杨强, 王婷婷, 陈昊, 等‍. 基于MODIS EVI数据的锡林郭勒盟植被覆盖度变化特征 [J]. 农业工程学报, 2015, 31(22): 191‒198.
[25]

Yang Q, Wang T T, Chen H, et al. Characteristics of vegetation cover change in Xilin Gol League based on MODIS EVI data [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(22): 191‒198.
[26]

陈发虎, 汪亚峰, 甄晓林, 等‍. 全球变化下的青藏高原环境影响及应对策略研究 [J]. 中国藏学, 2021 (4): 21‒28.
[27]

Chen F H, Wang Y F, Zhen X L, et al. Research on the environment impact of the Qinghai‒Tibet Plateau under global change and the countermeasures [J]. China Tibetology, 2021 (4): 21‒28.
[28]

周国逸, 夏军, 周平, 等‍. 不恰当的植被恢复导致水资源减少 [J]. 中国科学: 地球科学, 2021, 51(2): 175‒182.
[29]

Zhou G Y, Xia J, Zhou P, et al, et al. Not vegetation itself but mis-revegetation reduces water resources [J]. Scientia Sinica (Terrae), 2021, 51(2): 175‒182.
[30]

周立华, 刘洋‍. 中国生态建设回顾与展望 [J]. 生态学报, 2021, 41(8): 3306‒3314.
[31]

Zhou L H, Liu Y. Review and prospect of ecological construction in China [J]. Acta Ecologica Sinica, 2021, 41(8): 3306‒3314.
[32]

罗贤, 何大明, 季漩, 等‍. 近50年怒江流域中上游枯季径流变化及其对气候变化的响应 [J]. 地理科学, 2016, 36(1): 107‒113.
[33]

Luo X, He D M, Ji X, et al. Low flow variations in the middle and upper Nujiang River Basin and possible responds to climate change in recent 50 years [J]. Scientia Geographica Sinica, 2016, 36(1): 107‒113.

基金资助

中国工程院咨询项目“健康水平衡构建与国土高质量保护利用战略（一期）”(2022-PP-04)

国家自然科学基金项目(42107503)

AI Summary AI Mindmap
PDF (5754KB)

5141

访问

0

被引

详细
导航
相关文章

AI思维导图

/

〈 〉