黃河中游地區生態恢復對流域水資源的影響

王曉峰, 楊 丹, 馮曉明, 程昌武, 周潮偉, 張欣蓉, 奧勇

(1.長安大學 土地工程學院, 陜西 西安 710064; 2.陜西省土地整治重點實驗室, 陜西 西安 710064;3.長安大學 地球科學與資源學院, 陜西 西安 710064; 4.中國科學院 生態環境研究中心, 北京 100085)

水是支撐全球社會經濟發展的基礎性自然資源[1]。水資源短缺不僅威脅著人類的糧食安全、社會穩定，而且還會嚴重降低生態系統多樣性。“水資源”是黃河流域發展的關鍵性問題[2]，多年來的植被擴張已經造成了當地水資源短缺嚴重，生態系統和人類用水間的矛盾不斷加深[3]。因此，研究黃河流域水資源變化對生態恢復的響應，了解水資源的變化規律，對未來平衡植被恢復與水資源矛盾和該流域的高質量發展具有重要意義。

黃土高原是典型的生態脆弱區，水土流失嚴重制約著經濟的可持續發展，自歷史時期，由于農業開墾利用面積擴大自然災害頻發等原因，該區域生態環境脆弱[4]。為了改善環境，20世紀50年代以來，我國在黃河中游地區實施了諸如修建梯田和淤地壩建設等一系列水土保持措施[5]，特別是1999年以來全面實施的退耕還林還草等大規模生態修復工程[6]。隨著生態工程的實施，生態環境逐漸好轉，但也產生了新的問題，如2000年以后黃河流域干支流徑流量持續降低[7]；退耕還林還草工程導致土壤水分下降，土壤干層加厚，限制樹木的生長，甚至使植被退化等[8]。張殿君等[9]通過分析黃土高原典型流域土地變化對蒸散發的影響，結果表明受生態恢復工程的影響2006年相對于1986年而言，羅玉溝小流域蒸散發增大的區域較大。穆興民等[10]通過對典型植被恢復的流域河川徑流過程分析，認為植被有效恢復深刻改變了黃土高原土壤水文性質，使得黃土高原部分地區的產流模式出現了從超滲產流向蓄滿產流轉變的趨勢。劉昌明等[11]基于黃河干流4個典型水文站的徑流數據來分析年徑流量變化特征，結果顯示在氣候變化和人類活動的雙重影響下，黃河年徑流量呈現顯著下降的趨勢。水分是黃土高原生態恢復的關鍵因子，并且以人類為主導的生態恢復過程對植被格局、流域生態水文過程產生影響。但目前研究多基于小流域或站點尺度的單一水資源變化規律，尤其對于以水分為限制的植被承載力研究尚不深入。為此，本文基于現有黃河流域植被和水資源的變化研究，以黃河中游地區為對象，利用多源數據，通過趨勢分析以及雙線性累積曲線等方法，開展黃河中游地區生態恢復的區域效應研究，探討退耕還林還草工程實施前后水資源對生態恢復工程的響應，系統揭示流域水資源的動態變化過程，從生態恢復的角度出發緩解未來區域的水資源短缺問題，以期促進黃河流域經濟發展、維護黃河生態安全。

1 數據來源與方法

1.1 研究區概況

黃河中游地區指內蒙古自治區的河口鎮至鄭州市的桃花峪區間，位于32°—42°N和104°—113°E之間，平均海拔約為1 000～1500 m，河段總長1 206.4 km，流域面積為3.44×105km2。黃河中游地區屬于大陸性季風氣候，多年平均年降水量約為300～700 mm，受地形等因素的影響，區域內降水量空間分布差異顯著，總體由東南向西北遞減，汛期6—9月的降水量占全年降水量的70%左右，多以暴雨為主，再加上土質疏松，地表溝壑縱橫，使中游成為黃河泥沙的主要來源地區和全球水土流失最嚴重的地區。為了改善環境，自1999年以來，以黃河流域為核心生態恢復區的退耕還林還草項目大規模實施，因地制宜的進行植樹造林、恢復植被，水土流失區逐步轉換為生態恢復區。隨著工程的實施，區域環境植被覆蓋度和土地利用狀況發生了巨大變化。

1.2 數據來源與處理

本文主要探究黃河中游地區在退耕還林還草工程實施前后水資源的變化規律，收集了植被指數和水資源的相關數據集： ①1982—2015年的GIMMS NDVI 3g.V1.0數據集來源于美國國家航天航空局(https:∥ecocast.arc.nasa.gov/)，2016—2018年NDVI數據下載于資源環境數據云平臺(http:∥www.resdc.cn/)，經過月最大值合成處理，基于像元二分模型，得到1982—2018年黃河中游逐年植被覆蓋度數據集； ②ET數據根據FAO56修正的Penman-Monteith方程計算獲得，基礎數據來源中國氣象數據共享網的氣象V3.0日值數據集，包括逐日的氣壓、相對濕度、風速、日照時數、最高溫度和最低溫度，經過批量格式轉換、月最大值合成、批量裁剪和投影等預處理，得到時間跨度為1982—2018年的黃河中游年度ET數據集； ③GLEAM(global land-surface evaporation amsterdam methodology)產品包含根區土壤水分、陸地蒸發、潛在蒸散發等數據集，可用于大范圍內陸地蒸散量時空變化、干旱特征、土壤水分特征分析等研究，數據集來源于https:∥www.gleam.eu/。本文使用的是全球范圍月尺度GLEAM v3.3 a數據集，基于Matlab，Arccgis軟件預處理得到1982—2018年黃河中游土壤水分數據集； ④黃河中游皇甫站、溫家川、甘谷驛和張家山4個站點的年徑流量來自黃河水利委員會“黃河流域水文泥沙整編資料”(1961—1999年)和《中國河流泥沙公報》(2000—2018年)；降水、溫度數據來源于中國氣象局國家氣象信息中心(http:∥data.cma.cn/)，時間為1960—2012年。

1.3 研究方法

1.3.1 像元二分模型 歸一化植被指數(NDVI)是反映植被覆蓋的重要參數。NDVI的計算公式為：

(1)

式中：NIR，R分別對應Landsat-8OLT影像中的第5波段和第4波段,即近紅外波段和可見光紅光波段。

植被覆蓋度(fractional vegetation cover， FVC)是指植被的垂直投影面積占總面積的百分比，能夠較好地表征植被覆蓋信息，是反映生態系統服務的基本特征量。利用NDVI采用像元二分模型估算植被覆蓋度是一種普遍意義的方法[12]。與其他模型相比，該模型可以有效去除NDVI的噪點，且方法簡便，計算參數易得，計算公式為：

(2)

式中：NDVIsoil，NDVIveg分別指研究區無植被覆蓋區和完全植被覆蓋區像元的NDVI值。本文根據研究區的基本情況,分別選取累計頻率為5%和95%的NDVI值作為NDVIsoil和NDVIveg,通過公式(1)計算得到研究區植被覆蓋情況。結合研究區植被覆蓋的實際情況,將植被覆蓋分為低植被覆蓋度(<10%)、較低植被覆蓋度(10%～30%)、中度植被覆蓋度(30%～50%)、較高植被覆蓋度(50%～70%)和高植被覆蓋度(>70%)5個等級。

1.3.2 雙累積曲線法 雙累積曲線法[13-14]是可用于水文氣象要素一致性檢驗、缺值插補及趨勢性變化和強度分析。其方法是以同期的降水和徑流連續累積值作為坐標系的兩軸，當水文序列發生突變，在突變點前后的曲線會發生較明顯的斜率變化。在基準期中，累積徑流深(∑R)與累積降水量(∑P)存線性關系，其計算公式為：

∑R=k∑P+b

(3)

式中：k,b為參數。

雙累計曲線法中如果兩個變量的累積值在坐標系中表示為一條直線，那么其斜率為兩要素對應點的比例常數；如果斜率發生突變，就說明兩變量之間的比例常數發生改變，那么斜率發生突變的點所對應的年份就是兩個變量累積關系出現突變的時刻。

2 研究結果

2.1 黃河中游地區植被變化特征

黃河中游地區植被覆蓋度有明顯的空間差異(圖1)，總體上呈現由西北向東南增加的趨勢，即較低植被覆蓋度和低植被覆蓋度主要分布于流域的西北部地區，從1982—2018年所占區域面積具有明顯的減少趨勢；較高植被覆蓋度和高植被覆蓋度主要分布于黃河中游的東南部，所占區域的面積有增加趨勢。具體來看，流域中部分布有黃龍山和子午嶺等林區，南部為秦嶺北麓，植被覆蓋度整體上較高。流域北部為陜北黃土高原，本身的植被覆蓋較少，植被覆蓋度較低。流域西北部主要為毛烏素沙地，因此植被覆蓋度最低。

圖1 黃河中游地區1982，1990，2000，2010，2015和2018年植被覆蓋度等級變化

1982—2018年，黃河中游地區植被覆蓋度有了顯著變化，共增加了29.72%，每年約增加0.8%。植被覆蓋度的增加在生態恢復區表現的更加明顯，由1982至2018年共增加39.82%。由圖2可知，植被覆蓋度的增加表現出明顯的階段性，1982—1999年，由于農作物種植、小流域種草種樹等人類活動的影響[15]，黃河中游植被覆蓋度在增加，但增加幅度較小。自1999年退耕還林還草工程大規模實施后，生態恢復區植被覆蓋度的增長速率得到明顯提升，由1982—1999年的0.001 3%/a增長為2000—2018年的0.017 5%/a。草地和森林面積分別從2000年的23.56%和40.69%增加到2010年的26.46%和41.16%，工程效益凸顯[16]，有效改善了黃河中游地區生態環境質量。

2.2 生態恢復對水資源的影響

水資源是黃河中游地區生態恢復的限制性因子，本研究主要從蒸散發、土壤水和徑流3個方面探討生態恢復對水資源的影響。

2.2.1 生態恢復對蒸散發的影響

(1) 黃河中游地區蒸散發時空變化。黃河中游地區蒸散發空間分布具有異質性(圖3)。1982—2018年，黃河中游平均蒸散發呈現東南部高、西北部低，從東南向西北部遞減的特征。其中呂梁山區、子午嶺等林區蒸散發量最高，達到600～1300 mm，其次是關中盆地，蒸散發量為500～600 mm，而黃土高原西北部蒸散發較低為60～345 mm。整體上流域西北部的蒸散發低的區域面積在減小，東南部蒸散量高的面積占比在增加。

圖2 黃河中游地區1982-2018年植被覆蓋度變化趨勢

圖3 黃河中游地區1982-2018年蒸散發空間分布格局

1982—2018年黃河中游地區蒸散發量呈增加趨勢(圖4)，由1982年的401.84 mm到2018年499.55 mm，以2.30 mm/a的速率波動增加。生態恢復區蒸散發量呈增長態勢，1982—2018年的平均蒸散發量共增加97.72 mm。以1999年退耕還林工程的大規模實施為節點，1982—1999年生態恢復區蒸散發量呈小幅度的增長，增長速率為1.85 mm/a；在1999年退耕還林還草工程大規模實施后，至2018年生態恢復區蒸散發量的增長速率大大提升(為4.87 mm/a)，2018年蒸散發量達到最大值為457.29 mm。相關研究表明[17]，黃土高原2001—2017年蒸散發量平均增速為8.23 mm/a，在黃河典型支流中沿河流域蒸散發量的增速最大，為12.96 mm/a。

圖4 黃河中游地區1982-2018年蒸散發變化趨勢

(2) 生態恢復對蒸散發的影響。1982—2018年，黃河中游地區植被覆蓋度增加29.72%，蒸散發增加97.72 mm，即植被覆蓋度每增加1%，蒸散發量增加3～4 mm。流域內植被覆蓋度和蒸散發量的空間分布及變化趨勢都具有很強的一致性，均呈現出東南部高、西北部低的分布格局和從東南向西北部遞減的變化特征，即植被覆蓋度的變化會直接影響蒸散發的分布格局。就黃河中游區域而言，生態恢復增大了植被蒸騰量和截留蒸發量，而受日趨恢復的植被遮蔽，地表接受的太陽輻射減少，可用于植株間土壤蒸發的能量減少[18]。植被蒸騰量和截留蒸發量的增加量大于土壤蒸發的減少量，因此植被恢復導致的蒸騰量增加是蒸散量增加的主要原因[19]。

2.2.2 生態恢復對土壤水的影響

(1) 黃河中游地區土壤水時空變化。黃河中游地區土壤水分空間分布具有顯著的空間差異(圖5)。1982—2018年，黃河中游地區土壤水總體上呈現南高北低、東高西低的格局，整體上沒有較大的變化。具體來看，流域中部的關中平原地區土壤水最高，其次為流域西南部的六盤山、子午嶺地區和中部的呂梁山區較低，流域西北部的毛烏素沙地土壤水最低。

圖5 黃河中游地區1982-2018年土壤水空間分布格局

由圖6可以看出,1982—2018年黃河中游地區土壤水分在2.9%～3.3%之間波動，變化范圍較小。39 a間生態恢復區的土壤水分整體上呈下降的趨勢，下降速率為0.001 3%/a。1982—1997年間土壤水分呈現增加的趨勢，1998—2018年土壤水分有所下降，這主要是因為植被恢復的生長年限對土壤水有重要影響[20]，在干旱半干旱地區，植被的生長需要主要消耗土壤中的水分，因此退耕還林還草工程實施后，生態恢復區的土壤水分表現為急劇下降；隨著植被的恢復，生長所需的水分減少，即土壤水分會有一定程度的增加。

圖6 黃河中游地區1982-2018年土壤水變化趨勢

(2) 生態恢復對土壤水的影響。1982—2018年黃河中游土壤水呈西北低、東南高的態勢，整體上土壤水分基本保持不變。以退耕還林還草工程的實施為節點，生態恢復區的土壤水分呈現先升高后降低的趨勢，但整體上有所下降，下降速率為0.001 3%/a。主要是因為1999年退耕還林還草工程大規模實施，與自然植被相比，人工林地的密度較大消耗更多的土壤水分，在恢復期植被需要吸收水分滿足生長需要，引起土壤水分減少、土壤干化[21]，進而影響區域的水文循環過程。2012年黃土高原人工林地干層厚度超過3 m[22]。在干旱半干旱地區，土壤水分是決定植被恢復成效的主要因素，而植被恢復也會改變土壤結構[23]。因此，為了緩解黃河中游的水資源短缺、凸顯生態恢復的工程效益、改良土壤結構，應該因地制宜的實施退耕還林還草，如降低人工林地的種植密度等，促進黃河流域的生態可持續發展。

2.2.3 生態恢復對徑流的影響

(1) 黃河中游徑流變化。本文基于研究區內皇甫站、溫家川、甘谷驛和張家山4個水文站點的觀測數據，分別對各個站點的年徑流量進行對比，由表1可知，1961—2018年，皇甫站、溫家川、甘谷驛和張家山4個站點的年徑流量均呈現不同程度的下降，下降速率分別為0.032 7，0.114 1，0.018 2和0.192 7(108m3/a)。研究[24]表明，黃河中游徑流量的減少趨勢較為顯著，這與本文的研究結果相符。基于年降水和徑流雙累積曲線可以看出(圖7)，1971年以及1999年分別為徑流系數變化的轉折點，變化率由1961—1971年的1.38 /a減少到1999—2009年的0.60/a，且降水減少是整個研究期間徑流減少的主要原因。

表1 黃河中游典型水文站的年均徑流量

圖7 黃河中游不同時段徑流系數變化

(2) 生態恢復對徑流量的影響。從1961—2018年，黃河中游皇甫站、溫家川、甘谷驛和張家山4個典型水文站的徑流量都呈不同程度的下降趨勢。在退耕還林還草工程實施后10 a(2000—2010年)內，頭道拐—龍門區間徑流量下降的主要驅動因素是生態恢復[25]。2000—2010年生態恢復導致黃土高原的徑流量每年損失0.5±0.3 mm[3]。趙陽等[26]通過剖析1950—2016年黃河干流水沙特征，發現人類活動對中游水沙減少的貢獻率達到90%以上。王國慶等[27]基于可變下滲容量模型、歸因識別等方法，對黃河重點區間徑流研究表明，1955—1969年人類活動的影響對徑流減少的貢獻率達到70%以上。因此，以生態恢復為代表的人類活動在徑流減少過程中占舉足輕重的地位。

3 討 論

黃河中游地區處于中緯度的干旱半干旱區，水資源對氣候變化的響應更敏感。1960—2012年黃河中游氣溫呈顯著上升趨勢，升高速率為0.03 ℃/a；降水量呈下降趨勢，下降速率為0.57 mm/a，黃河中游在過去53 a整體趨于暖干化。在2021—2050年黃河流域氣溫將持續顯著升高[27]，極端降水過程增加，總體水資源供需矛盾凸顯，進一步加劇了水資源的短缺。

流域是氣候變化和人類活動等因素共同作用的動態系統，氣候變化將直接影響河流的水文狀況，進而改變水資源的利用。蒸散發、土壤水分、地表徑流是水文循環的重要組成部分，共同決定著區域的水資源狀況。隨著全球變暖、降雨不規律、極端自然災害事件頻發和人類活動的作用，區域甚至全球的蒸散發、土壤水分、徑流等水資源的時空變化和分布特征發生了顯著變化[28]。蒸散發是水文循環的核心環節，在干旱半干旱地區，溫度升高促進蒸發蒸騰、空氣中水分含量增加、加速了地面與高空的水汽循環[29]，全球變暖，土壤旱化程度加重，造成地表植被退化、土壤干層又會影響到地下水補給和陸地水循環。另一方面，人類活動也影響水文循環過程，羅家林等[30]人研究認為，生態恢復工程改變了地表下墊面的性質，增強了植被的蒸騰作用，加劇了水資源短缺，對流域內的水循環過程產生消極影響。黃土高原氣候干燥、水資源短缺、生態系統脆弱，為實現水資源的可持續利用，要重視環境的自身承載力，降低人為干擾，以自然恢復為主，逐步緩和生態恢復與水資源不平衡的矛盾。

本文只針對年尺度上的植被指數和各種水資源進行分析，在一定程度上忽視了植被生長狀況和季節變化，會對結果有一定的影響，如在夏季植被的生長季蒸散發量增加、土壤水分減少，但在冬季由于植被枝葉凋落，蒸散發量會降低；現有的水文模型僅考慮了小于1 m的土壤水分過程，限制了在土壤干層模擬方面的應用[4]；黃河中游徑流量不僅僅受生態恢復的影響，隨著人口的劇增，居民的生產生活用水、農業灌溉用水量增加和氣候變化，都會導致流域徑流量的減少，全球溫度每升高1 ℃，徑流量約減少4%[31]。

4 結 論

本研究以黃河中游地區為研究對象，深入分析了生態修復工程實施前后該流域水資源(蒸散發、土壤水以及地表徑流)對植被恢復響應的演變規律，主要得出以下結論。

(1) 本文基于遙感、水資源參量、流域水文檢測等數據，使用像元二分模型、趨勢分析、雙線性累計曲線等方法，對黃河中游1982—2018年的植被覆蓋、水資源(蒸散發、土壤水分、地表徑流)變化進行分析，在此基礎上系統研究生態恢復工程實施前后植被覆蓋度變化、水資源對其變化的響應，以及討論在未來暖干化的氣候背景下生態恢復對水資源的影響，以期為該地區農業灌溉、生態需水以及水資源合理配置等可持續發展提供一定的參考。

(2) 1982—2018年，黃河中游地區植被覆蓋度增加了29.72%。整個黃河中游地區在植被覆蓋度增加1%的情況下，蒸散發量增加3～4 mm；土壤水分在整個中游地區基本保持不變，但在生態恢復區呈下降趨勢，速率為0.001 3%/a；各個水文站的平均徑流量在1961—2018年呈逐年下降趨勢，以生態恢復為代表的人類活動對徑流下降起到重要作用。

(3) 隨著退耕還林還草為代表的生態恢復工程的實施，黃河中游地區的植被覆蓋狀況得到很大程度的好轉，但是與此同時水資源被過度消耗，在未來暖干化的氣候背景下，水資源短缺的狀況將會愈發嚴重。建議今后黃河流域生態恢復要綜合考慮環境自身承載力和水資源，減少人為的干擾，以自然植被恢復為主，增強生態系統自我調節的能力，實現流域的高質量發展。