氣候變化、植被改變及人類用水與黃河流域水循環(huán)的研究進展

呂美霞,馬柱國*,李明星

① 中國科學院 大氣物理研究所 中國科學院東亞區(qū)域氣候-環(huán)境重點實驗室,北京 100029;

② 中國科學院大學,北京 100049

水資源短缺是全球多個地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)(Naddaf,2023),在中國則主要集中在北方地區(qū)(Liu et al.,2017)。著眼于我國的黃河流域,其生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展面臨的核心問題之一即為突出的水資源供需矛盾,需要把水資源作為最大的剛性約束(張金良,2020)。黃河流域大部分地區(qū)處于干旱半干旱區(qū),是我國生態(tài)環(huán)境的脆弱區(qū)和氣候變化的敏感區(qū)。黃河水資源公報統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,黃河流域2000—2016年的水資源開發(fā)利用率已經(jīng)遠超過國際公認40%的警戒線,利用率達到61%(http://www.yrcc.gov.cn/)。伴隨著氣候變暖和人類活動的雙重影響,黃河流域水資源的供需矛盾日益突出(張建云等,2013;夏軍等,2014)。未來流域水資源的高效管理和利用是保證區(qū)域社會可持續(xù)發(fā)展的迫切需求,其核心科學問題是人類活動(植被改變及人類用水)和氣候變化共同作用下,流域水循環(huán)如何改變,即大氣水、地表水及地下水的轉(zhuǎn)換過程和機制發(fā)生了哪些變化(馬柱國等,2020)。

黃河流域的農(nóng)業(yè)灌溉面積從新中國成立初期的80萬hm2,發(fā)展到2019年的約866.7萬hm2(景明等,2022),這勢必對流域水循環(huán)過程產(chǎn)生重要影響。首先,地表蒸散發(fā)過程變得更加復雜。蒸散發(fā)過程通過植被、土壤、地下水和地表水體等消耗大部分的降水并返回到大氣系統(tǒng),它是陸-氣之間水熱交換的重要過程(Liu et al.,2016;張永強和李聰聰,2020)。農(nóng)業(yè)灌溉通過對地表水和地下水在空間上的再分配,會使得蒸散發(fā)增加,特別是在蒸散發(fā)過程強烈的干旱地區(qū)(Gordon et al.,2005;王蓓等,2020)。目前,對于可獲得數(shù)據(jù)的陸地水循環(huán)水量平衡的不閉合誤差,蒸散發(fā)的貢獻最大,其在全球尺度貢獻率為45.4%,在黃河流域達到51%(Zhang Y et al.,2018)。在觀測數(shù)據(jù)缺乏的情況下,無論是模式模擬還是遙感獲得的蒸散發(fā)都還不能很好反映灌溉的影響,進而導致蒸散發(fā)研究結(jié)論的不確定性較大(Lü et al.,2017,2019a)。其次,灌溉的水源地(是地表水還是地下水)不同,其對當?shù)仃懙厮畠α康挠绊懸膊灰粯?Lü et al.,2019b)。目前農(nóng)業(yè)灌溉數(shù)據(jù)不僅缺乏,且觀測無法實現(xiàn)全過程解析,因此陸面水文模式和區(qū)域氣候模式的模擬成為重要的研究手段(湯秋鴻,2020;McDermid et al.,2023)。

此外,作為陸地上重要的人類活動之一,土地利用/覆蓋變化能夠改變?nèi)~面積指數(shù)、地表粗糙度等,從而對區(qū)域水循環(huán)產(chǎn)生重要影響,且植被變化的水文氣候效應具有復雜性。自1982年,特別是2000年實施退耕還林還草生態(tài)恢復工程以來,黃土高原植被覆蓋得到明顯改善(Li et al.,2016;馬柱國等,2020)。雖然多數(shù)研究支持植被改善威脅當?shù)厮Y源量如減少徑流及產(chǎn)流能力的結(jié)論,但也存在不同的結(jié)果(Zhang et al.,2022),且對降水的影響結(jié)論也尚不一致(Lü et al.,2019c;Ge et al.,2020;Liu et al.,2023);而黃土高原植被覆蓋改善使得該地區(qū)蒸散發(fā)量增加基本形成共識(Jin et al.,2017;張永強和李聰聰,2020;Yang et al.,2023)。針對植被改變對黃河流域水資源量的影響,學者應用統(tǒng)計學和數(shù)值模擬方法,定量區(qū)分氣候和植被變化對水資源量的影響,這對實踐具有重要的科學指導意義(Lü et al.,2018,2019c)。本文主要對黃河流域的氣候變化、植被改變、人類用水以及它們對流域水循環(huán)關鍵過程影響的相關研究進展進行梳理,并探討當前研究存在的問題和未來發(fā)展方向。

1 “人類世”背景下黃河流域陸地水循環(huán)研究思路的轉(zhuǎn)變

陸地水循環(huán)是一個復雜的非線性系統(tǒng),同時受到氣候變化和人類活動的影響(圖1),水循環(huán)結(jié)構由自然系統(tǒng)和社會系統(tǒng)的各水文分量組成(安善濤等,2021)。當今地球演化已經(jīng)進入“人類世”,陸地水循環(huán)系統(tǒng)在氣候變化和人類活動(土地利用/覆蓋變化、人類用水等)的共同影響下正在迅速變化,在此背景下以揭示陸地水循環(huán)演變的自然和人為因素影響及反饋為目標的交叉前沿學科應運而生,即全球變化水文學(湯秋鴻,2020)。2022年美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)時隔20年公布了新版的水循環(huán)示意圖,水循環(huán)過程首次包含了工農(nóng)業(yè)用水、水庫、城市徑流等人類活動過程;這表明了人類在水循環(huán)系統(tǒng)中具有重要作用(Duncombe,2022)。例如,自然條件下深層地下水與其他水體的交換較為緩慢,但人類用水活動抽取地下水則加速了其參與水分循環(huán)的速度。地下水開采、農(nóng)業(yè)灌溉等人類用水活動,可以通過影響陸-氣之間水分和能量的交換對氣候產(chǎn)生反饋,并改變陸地水循環(huán)過程(謝正輝等,2019)。在“人類世”背景下,自然-社會耦合的水循環(huán)過程模擬及其相互影響和反饋越來越受到人們的重視(Michalak et al.,2023)。

圖1 人類活動影響下的陸地水循環(huán)關鍵過程之間的相互聯(lián)系Fig.1 Relationships among primary terrestrial water cycle processes under human activities

1.1 黃河流域過去及未來的氣候變化

過去半個多世紀黃河流域總體呈現(xiàn)暖干化趨勢,具體表現(xiàn)為上游地區(qū)整體呈暖濕化特征,而中下游地區(qū)呈暖干化特征(馬柱國等,2020;張鐳等,2020;鄭子彥等,2020;王有恒等,2021;Wang Y P et al.,2022)。1951—2018年,整個黃河流域的年平均氣溫升高1.4 ℃,年降水量減少10 mm,但降水在上游(特別是源區(qū))增加、中下游減少(馬柱國等,2020)。在氣候變暖背景下,黃河流域的干旱事件在1956—2016年間也在增多,在流域約86%地區(qū)降水為干旱發(fā)生的主要驅(qū)動因子且貢獻率為64%,在流域其余14%地區(qū)潛在蒸散發(fā)為主要驅(qū)動因子且貢獻率為55%(Wang Y P et al.,2022)。同時,土地利用/覆蓋變化以及人類用水對黃河流域干旱強度和持續(xù)時間的影響也不容忽視(Omer et al.,2020)。

對于未來氣候的可能變化,基于HAPPI(Half a degree Additional warming,Prognosis and Projected Impacts)試驗的模式數(shù)據(jù)表明,在1.5 ℃和2 ℃升溫情景下,黃河源區(qū)干濕變化仍有較大的不確定性,在升溫1.5 ℃時,黃河流域的北部很有可能變得更干,在升溫2 ℃時,整個黃河流域除了源區(qū)外都很有可能變干(Jian et al.,2021)。2021—2050年,農(nóng)業(yè)干旱很可能比氣象干旱強度大、持續(xù)時間長,相比氣象干旱,水文干旱也可能持續(xù)時間長、但強度較小(Omer et al.,2021)。對于未來黃河流域干濕突變的復合極端事件,相對1960—2014年,在共享社會經(jīng)濟路徑(Shared Socioeconomic Pathway,SSP)SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下,復合極端事件的發(fā)生頻率可能減少,但是平均強度可能增大,復合極端事件的影響面積和強度的聯(lián)合風險在2061—2100年要超過2021—2060年(Jiang et al.,2023)。總體來講,未來黃河流域氣候變化趨勢依然復雜,氣溫繼續(xù)上升,降水量總體可能增加,干旱等極端天氣事件可能增強(王有恒等,2021;Deng et al.,2023;Jiang et al.,2023)。

1.2 黃河流域的徑流變化

河道徑流是黃河流域的重要地表水資源,20世紀50、60年代以來,黃河流域無論是天然徑流量還是實測徑流量均顯著減少(王雁等,2013;Lü et al.,2018;趙建華等,2018;馬柱國等,2020)。首先,對于天然徑流量,1961—2010年在唐乃亥、蘭州、頭道拐、龍門、三門峽、花園口及利津水文控制站,黃河水利委員會還原的天然徑流量均呈現(xiàn)顯著減少的變化趨勢(通過95%置信度的顯著性檢驗),但也存在年代際波動,即多年平均徑流量在2003—2010年相對1991—2002年有所增加,但仍舊低于1961—1990年的水平(Lü et al.,2018)。對于實測徑流量,長時間序列變化趨勢的研究結(jié)論為一致性減小(馬柱國等,2020;Zhang et al.,2022),但對于短期統(tǒng)計結(jié)果,不同分析時段和研究區(qū)對變化趨勢的影響較大,Zhang et al.(2022)發(fā)現(xiàn)1999—2015年黃土高原及其中8/11個子流域均呈現(xiàn)出實測年徑流量增加趨勢。2003—2015年,實測年徑流量在唐乃亥以上區(qū)域(黃河源區(qū))增加,在蘭州水文站以下區(qū)域減少,且這兩個區(qū)域?qū)崪y徑流變化與降水量變化相反(Lü et al.,2019b)。黃土高原的降雨-徑流關系在2008—2016年相比1971—1987年發(fā)生變化,徑流系數(shù)即徑流與降水量的比值普遍減小(Miao et al.,2020),即產(chǎn)流能力下降(王雁等,2013)。對于未來徑流的可能變化,有研究指出至2050年,黃河流域平均徑流量隨時間增加、增幅隨時間減小,至2100年,隨著蒸發(fā)量增加,平均徑流量呈減少趨勢(張鐳等,2020)。雖然未來黃河流域降水可能增加,但是氣溫顯著升高,模擬的黃河流域未來徑流量可能減少(王國慶等,2020)。與降水預估類似,未來黃河流域的徑流變化預估的不確定性依然較大。

1.3 黃河流域基于陸地水儲量的水循環(huán)變化

人類用水活動已經(jīng)成為影響黃河流域水循環(huán)的重要因素。黃河流域的農(nóng)田灌溉耗水量已經(jīng)超過了入海水量(Lü et al.,2017);黃河水資源公報顯示,2021年黃河供水區(qū)總耗水量為405.25億m3,地表水耗水量占80.7%,地下水耗水量占19.3%(http://www.yrcc.gov.cn/zwzc/gzgb/gb/szygb/)。在這一背景下,2002年發(fā)射的重力衛(wèi)星GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment;Tapley et al.,2004)所提供的陸地水儲量變化為陸地水循環(huán)研究提供了前所未有的機遇,該陸地水儲量囊括陸地上一切形式的水量(如河流、冰雪、湖泊、土壤水和地下水),反映了氣候變化和人類活動的綜合影響(Tapley et al.,2019)。由此涌現(xiàn)出一批基于GRACE的黃河流域陸地水儲量變化研究工作(Mo et al.,2016;Felfelani et al.,2017;Lü et al.,2019b;Sun et al.,2020;Lü et al.,2021)。

對GRACE陸地水儲量的研究,早期多關注對區(qū)域平均系列變化的定性歸因分析,后來逐步考慮氣候變化和人類活動對陸地水儲量空間變化的定量歸因研究(Syed et al.,2008;Huang et al.,2015;Rodell et al.,2018;Zhang X H et al.,2018;Lü et al.,2019b,2021;Sun et al.,2020),但空間變化歸因分析也面臨著可獲得各個水文數(shù)據(jù)不確定性較大的挑戰(zhàn),即水分收支較難實現(xiàn)閉合(Lü et al.,2017;Lehmann et al.,2022)。針對黃河流域GRACE陸地水儲量在2003—2015年的變化趨勢,即在黃河源區(qū)顯著增加、在蘭州以下區(qū)域顯著減少(通過95%置信度的顯著性檢驗),有必要從氣候、植被、灌溉及水儲量分量多角度闡明陸地水儲量變化的原因(圖2;Lü et al.,2019b)。黃河源區(qū)陸地水儲量增加主要是由于徑流和土壤含水量增加;黃土高原及黃河下游地區(qū)陸地水儲量顯著減少,其中徑流、土壤水、地下水都在減少,在流域共收集28口地下水位觀測井,大多數(shù)觀測井的水位(2005—2015年)在以0～4.2 m/a的速率下降;地下水減少與植被改善有關,因為蒸散發(fā)的增加量明顯超出降水的增加量,超出的這部分蒸散發(fā)水量從哪里來,除灌溉影響外,很可能來自土壤水和地下水(Bryan et al.,2018;Lü et al.,2019b;Sun et al.,2020)。在陸地水循環(huán)中,蒸散發(fā)過程與地下水密切相關,如氣候變暖導致的地表蒸散發(fā)加速消耗了美國地下水資源(Condon et al.,2020)。

圖2 黃河流域GRACE陸地水儲量在2003—2015年變化趨勢的歸因(百分比代表各個分量變化量占陸地水儲量變化的比例)Fig.2 Attribution of GRACE-derived terrestrial water storage changes in 2003—2015 in the Yellow River basin(The percent values were ratios of the change in one variable to terrestrial water storage change)

2 農(nóng)業(yè)灌溉對黃河流域水循環(huán)要素的影響及存在的問題

2.1 農(nóng)業(yè)灌溉對地表蒸散發(fā)的影響

黃河流域的農(nóng)業(yè)用水量占用水總量的比例超過60%,且灌溉方式以漫灌為主,這使得影響地表蒸散發(fā)的過程更加復雜,灌溉對蒸散發(fā)的影響不應被忽視。黃河水資源公報顯示,黃河流域的農(nóng)田灌溉耗水量在2001—2017年間超過了入海徑流量,此后的2018—2020年入海水量有所增加,灌溉耗水量在2005—2020年變化不大(圖3)。農(nóng)業(yè)灌溉活動對水分和能量過程具有重要影響,如氣溫、降水以及蒸散發(fā)(Rodell et al.,2011;Pan et al.,2020;McDermid et al.,2023),有研究指出美國的科羅拉多流域7月衛(wèi)星蒸散發(fā)信號的38%歸因于灌溉(Castle et al.,2016),海河流域人類用水活動使得年尺度的地表蒸散發(fā)量增加了12%(Pan et al.,2017),而中國西北地區(qū)農(nóng)田面積的擴張對蒸散發(fā)量增加的貢獻率可達60.5%(Bai et al.,2014)。

圖3 2000—2020年黃河流域入海水量與農(nóng)田灌溉耗水量的比較Fig.3 Comparison between water flowing into the sea and consumptive irrigation water amount in 2000—2020 over the Yellow River basin

當前地表蒸散發(fā)研究結(jié)果的不確定性仍較大,難以客觀描述水循環(huán)變化的真實圖像。蒸散發(fā)量依然較難觀測和模擬,尤其是對大尺度區(qū)域(Rodell et al.,2011;Mao and Wang,2017),目前可獲得陸地蒸散發(fā)產(chǎn)品的不確定性仍較大(Wang and Dickinson,2012;Mueller et al.,2013;Lei et al.,2015;Liu et al.,2016;Dong and Dai,2017;Wu et al.,2023;Yang et al.,2023)。值得注意的是,目前蒸散發(fā)的估算方法和結(jié)果未能很好地考慮灌溉的影響(Lei et al.,2015;Castle et al.,2016;Pan et al.,2020),如數(shù)值模式由于缺乏人類用水影響模塊,其往往低估了蒸散發(fā)的大小(Rodell et al.,2011;Castle et al.,2016;Pan et al.,2017);基于MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)估算的蒸散發(fā)產(chǎn)品,其數(shù)值也常常被低估(Jia et al.,2012;Lei et al.,2015;Wan et al.,2015;Pei et al.,2017),這與遙感傳感器無法直接觀測蒸散發(fā)量有關(Yang et al.,2023);并且基于遙感數(shù)據(jù)估算蒸散發(fā)的算法無法顯式考慮灌溉的影響,即使葉面積指數(shù)等可以在一定程度上反映灌溉效應(Pan et al.,2020)。但是相對基于遙感數(shù)據(jù)估算的蒸散發(fā)產(chǎn)品、診斷以及再分析結(jié)果,數(shù)值模式的蒸散發(fā)結(jié)果之間的不確定性較小(Mueller et al.,2013;Long et al.,2014),此外應用更多的地面觀測數(shù)據(jù)約束蒸散發(fā)估計,被認為是減少其不確定性的有效途徑(Mueller et al.,2011;Lü et al.,2017)。綜上所述,基于數(shù)值模式的蒸散發(fā)產(chǎn)品在灌溉劇烈的區(qū)域往往需要進一步修正,采用觀測的降水、徑流以及灌溉耗水量數(shù)據(jù)重建模式蒸散發(fā)是值得嘗試的研究工作。

圍繞農(nóng)業(yè)灌溉影響下的月尺度蒸散發(fā)如何估算的問題,考慮到蒸散發(fā)和徑流過程緊密聯(lián)系,Lü et al.(2019a)采用觀測的降水、黃河水利委員會還原的天然徑流以及黃河水資源公報發(fā)布的年灌溉耗水量數(shù)據(jù),對全球陸地數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)GLDAS(Global Land Data Assimilation System;Rodell et al.,2004)三個版本即1.0、2.0和2.1的模式蒸散發(fā)結(jié)果進行校正和改進,通過將年灌溉耗水量降尺度到月尺度,建立了考慮農(nóng)業(yè)灌溉耗水的黃河流域蒸散發(fā)的計算方案。通過水量平衡方程估算的蒸散發(fā)檢驗發(fā)現(xiàn),利用該方案估算的流域蒸散發(fā)的結(jié)果均有所改善,相關系數(shù)(r)、納什效率系數(shù)(NSE)、平均絕對誤差(MAE)以及均方根誤差(RMSE)評價指標的改善幅度分別為0.6%～1.8%、1.2%～14.6%、1.3%～21.0%以及2.1%～20.4%,且去除季節(jié)循環(huán)之后以上統(tǒng)計指標的改善程度更加明顯(圖4)。這說明建立的考慮農(nóng)業(yè)灌溉影響的流域蒸散發(fā)計算方案是合理有效的,研究結(jié)果可以為流域水循環(huán)變化研究提供數(shù)據(jù)基礎。

2.2 農(nóng)業(yè)灌溉對陸地水儲量的影響

農(nóng)業(yè)灌溉活動可以通過對地表水和地下水的再分配以及蒸散發(fā)過程,對陸地水儲量產(chǎn)生影響,且地表水和地下水的取水灌溉活動對陸地水儲量的影響不同(Lü et al.,2019b)。通常地表水灌溉使得局地陸地水儲量增加,而抽取地下水灌溉使得陸地水儲量減少(Feng et al.,2013;Huang et al.,2015)。利用黃河水資源公報發(fā)布的年尺度灌溉耗水量數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn),2003—2016年黃河流域灌溉耗水量的增長加速了陸地水儲量的減少,貢獻率為4.9%(Lü et al.,2021)。但是由于農(nóng)業(yè)灌溉的觀測數(shù)據(jù)十分缺乏,所以灌溉活動對流域水循環(huán)的影響機理研究主要依賴于數(shù)值模式,目前對灌溉的大尺度準確模擬還存在困難(Puy et al.,2022;McDermid et al.,2023)。如缺乏準確的灌溉面積分布數(shù)據(jù),存在不同數(shù)據(jù)產(chǎn)品差別較大的問題(Puy et al.,2022);農(nóng)業(yè)灌溉活動本身受到人為因素的影響較大,難以建立一套普遍適用的通用算法(Lei et al.,2015;Lawston et al.,2017);我國還存在跨流域調(diào)水的問題,目前在已有模式中還難以準確描述(Wada et al.,2014);此外絕大多數(shù)的數(shù)值模式缺乏對灌溉取水來源(是地表水還是地下水)的準確刻畫(McDermid et al.,2023)。以上存在的不足給準確模擬真實發(fā)生的灌溉活動帶來困難,因此難以準確揭示灌溉活動對水循環(huán)的影響機理。

3 植被改變對黃河流域水資源的影響

3.1 生態(tài)工程背景下黃河流域的植被變化特征

針對生態(tài)工程實施以來黃河流域的植被變化特征已有大量的研究(Chen et al.,2015;劉昌明等,2016;Li et al.,2017;Yao et al.,2019;Zhang et al.,2022)。2000年以來,中國北方相繼實施了退耕還林還草、三北防護林(第四期和第五期)等生態(tài)工程(邵全琴等,2022),其中退耕還林還草引起的土地利用變化效果最為明顯(張永強和李聰聰,2020),退耕還林還草生態(tài)工程主要包括三種土地利用類型的轉(zhuǎn)化,即耕地轉(zhuǎn)變?yōu)樯帧⒏剞D(zhuǎn)變?yōu)椴莸匾约盎哪D(zhuǎn)變?yōu)樯?Yuan et al.,2014)。黃土高原以及整個黃河流域2000年后的變綠速度明顯高于1982—1999年且達到6～10倍,2000年植被覆蓋度相比前后各兩年處于一個低值(Li S et al.,2016;Li J J et al.,2017;Jian et al.,2022),該低值變化特征主要由龍口至花園口區(qū)間植被變化所主導(Wang Z H et al.,2022)。在2001—2016年間,黃土高原森林面積增加了48 786 km2,森林面積所占比例從8.19%增加到15.82%(Wang et al.,2018)。對比2000、2005和2010年,黃土高原的耕地、森林和草地的歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)均在增加(Li et al.,2017)。對于不同的NDVI植被數(shù)據(jù)來源,雖然植被變化的空間分布特征存在差異,但是不影響流域整體變綠的研究結(jié)論(Tian et al.,2021)。對于2000—2020年黃河流域生長季的NDVI變化,人類活動的影響占66%,降水和氣溫的貢獻率為34%(Ren et al.,2022)。

3.2 黃河流域植被改善的水文氣候效應

土地利用變化對水文過程及區(qū)域氣候均具有重要影響,如通過改變下墊面透水性、植被截流量影響水文過程,也可以通過改變地表反照率、地表粗糙度影響感熱和潛熱通量,從而改變區(qū)域氣候。黃河流域自從實施生態(tài)工程以來,植被覆蓋明顯改善,但同時觀測到的河道徑流量減少。針對植被變化對黃河流域水資源的影響,研究人員從多個途徑開展了一系列研究,包括統(tǒng)計學方法(Zhang et al.,2008;王雁等,2013;Lü et al.,2018;Zhang S L et al.,2018;張建云等,2021),以及數(shù)值模式模擬方法(McVicar et al.,2007;劉昌明等,2016;Lü et al.,2019c;Ge et al.,2020;Zhang et al.,2022;Liu et al.,2023)。

值得注意的是,植被的水文氣候效應具有復雜性(Ellison et al.,2012),一種觀點認為,植被增加會消耗水分、減少徑流和土壤濕度,從而導致可獲得水資源量減少(Feng et al.,2016;Jia et al.,2017;Ge et al.,2020;Shao et al.,2021;張建云等,2021;Wang Z H et al.,2022)。如應用水文模型模擬發(fā)現(xiàn),黃河中游植被增加具有的顯著減水效應主要是由于蒸散發(fā)增加所致(劉昌明等,2016)。黃河、淮河、海河流域植被覆蓋改善對徑流有削減作用,流域的NDVI平均增加10%,會導致徑流平均減少8.3%(張建云等,2021)。在黃河中下游地區(qū),植被改善對徑流減少的貢獻率為19%,與降水和潛在蒸散發(fā)的貢獻率相當(Lü et al.,2018)。此外,即使得出植被改善減少徑流同樣結(jié)論的研究工作,對降水的研究結(jié)論也存在差異。如應用區(qū)域模式WRF(Weather Research and Forecasting model)研究表明,在耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榛旖涣值那闆r下,植被改善使流域面平均降水量增多,但增加的降水更多地消耗于蒸發(fā)和補給土壤水分,并未使徑流增加(Lü et al.,2019c)。但也有基于WRF的模擬研究指出,退耕還林還草使得黃土高原蒸散發(fā)過程增強,進而徑流和土壤含水量減少,但是對降雨量沒有影響(Ge et al.,2020)。另一種觀點認為,森林恢復對水資源量的增加具有積極作用(Wang et al.,2017;Zhang et al.,2022;Liu et al.,2023)。Li et al.(2018)針對1982—2011年的植被變化指出,中國北方地區(qū)植被變綠和森林面積增加使得降水增加,雖然增加量在統(tǒng)計學上并不顯著,但是足夠抵消掉增加的蒸散發(fā)量,因此對土壤濕度的影響較弱。Zhang et al.(2022)和Liu et al.(2023)指出,黃土高原的植被改善使局地水分循環(huán)增強,降水的增多抵消了蒸散發(fā)的增加,最終地表的產(chǎn)水能力(作者使用降水與蒸散發(fā)差值表示)增大。

雖然植被改善對水資源影響還存在一些爭議,但是黃土高原植被覆蓋改善使得該地區(qū)蒸散發(fā)量增加的結(jié)論基本達成共識(Feng et al.,2016;Li et al.,2016;Shao et al.,2019;Yang et al.,2023)。相對氣候變化,2000—2012年植被變綠是黃土高原蒸散發(fā)量增加的主要驅(qū)動力(Jin et al.,2017)。也有研究指出,植被變綠起到增強植被蒸騰、抑制土壤蒸發(fā)的作用(Jiang et al.,2022;Yang et al.,2022)。正是由于植被對水文氣候效應的復雜性,在不同研究地區(qū)、不同分析時段,其研究結(jié)論很可能不同。如對于降水明顯偏多和偏少的年份,黃河流域同一植被變化對水循環(huán)要素影響的空間分布不同;這很可能與大尺度環(huán)流背景有關,如季風的強弱(Lü et al.,2019c),也與亞洲季風系統(tǒng)中陸地、大氣及海洋強烈耦合在一起有關(Yasunari,2007),并且海洋在調(diào)制中國東部季風區(qū)植被與氣候的相互作用中起到了重要作用(Ma et al.,2013)。

4 結(jié)論與展望

在氣候變化和人類活動(植被變化和人類用水)的共同影響下,黃河流域的水循環(huán)正在發(fā)生顯著變化,為此在“人類世”背景下黃河流域的水循環(huán)研究必須考慮人類活動的影響。黃河流域?qū)嵤┥鷳B(tài)工程以來,植被覆蓋明顯得到改善,觀測的河道徑流量減少,大多數(shù)研究表明植被改善具有減少徑流量和土壤含水量的效應,但也存在一些不同的研究結(jié)論;黃土高原植被覆蓋改善使得該地區(qū)蒸散發(fā)量增加基本形成共識,但對降水的影響的研究相對較少且尚不一致。此外,黃河流域的農(nóng)業(yè)用水量占用水總量的比例超過60%,農(nóng)業(yè)灌溉活動使得地表蒸散發(fā)過程變得更加復雜,準確估算地表蒸散發(fā)對利用多元數(shù)據(jù)(地面觀測、衛(wèi)星遙感以及再分析資料)獲得閉合的陸地水分收支、客觀描述水循環(huán)變化的真實圖像具有重要意義。黃河流域水資源開發(fā)利用率遠超一般河流開發(fā)利用警戒水平,水資源短缺是流域持續(xù)存在的難題。在這一背景下,不斷發(fā)展數(shù)值模式中的人類活動影響模塊,為變化環(huán)境下黃河流域的水循環(huán)研究提供有力的工具支撐顯得越來越重要,且也是地球系統(tǒng)模式關注的重點之一(Chen et al.,2019)。

由于地下水的地面觀測數(shù)據(jù)缺乏且獲取困難,黃河流域甚至中國北方地區(qū)地下水的時空變化研究還比較缺乏,所以蒸散發(fā)與地下水變化之間的聯(lián)系機理尚缺乏清晰認識,且目前大尺度陸面水文模式對地下水的模擬能力還有待進一步提高和檢驗(Condon et al.,2020;Hellwig et al.,2020)。首先,對于基于地面觀測的地下水研究,由于觀測井數(shù)量有限,且地下水變化的空間異質(zhì)性強,所以較大區(qū)域的地下水空間變化分析存在困難(Zhang et al.,2023)。其次,可以基于GRACE衛(wèi)星的陸地水儲量估算黃河流域及中國地區(qū)的地下水變化(Lin et al.,2019;Zhang et al.,2020;Lü et al.,2021),但是無法獲取地下水位的絕對數(shù)值,且需要特別關注估算結(jié)果的不確定性。最后,當前大尺度模型對地下水儲量動態(tài)及對其地表水的貢獻沒有考慮或者考慮過于簡單(Condon et al.,2020),且主要考慮的是潛水含水層的地下水過程(Koirala et al.,2014)。總之,地下水問題的研究遠落后于地表水和土壤水,由此限制了地下水與氣候之間動態(tài)關系的研究。