我国干湿过渡带的土壤水-地下水交换及其对植被生态影响的甚高分辨率模拟研究

For the climate sensitivity and ecological vulnerability, over the climatic wet-dry transition zones, the feedbacks between climate change and ecosystem are concerned constantly in the research on the land-atmosphere interactions. Among these interacting processes, the soil-water-groundwater exchanges play critical roles, along with their effects on vegetation processes. So far, for the lacks of observations and limitations of research tools, we have not well understood the mechanisms of soil-water-groundwater exchanges and their effects on vegetation processes. Given this, we are to couple the groundwater model to land model within the framework of earth system model, CESM, and then simulate the soil-water-groundwater exchanges and their interactions with vegetation processes using the land ice, land surface, and groundwater coupled model, driven by very-high resolution atmospheric forcing. Thereby we are to quantify the contributions of soil-water-groundwater exchanges to vegetation processes, and their evolution and potential environmental effects under the climate scenarios. Such studies would underpin our knowledge upon mechanisms of climate and environment changes across transition zones, and also upon response capability to climate change.

干湿过渡带是气候变化的敏感区和生态系统的脆弱区，其气候变化和生态系统的相互作用问题历来都是陆-气相互作用研究的焦点问题，而土壤水和地下水交换及其对生态过程的影响是其中的关键过程。目前，由于观测数据的缺乏和研究方法的局限性，已有的研究对土壤水和地下水的交换及其对过渡带生态系统的作用还缺乏系统的认识。鉴于此，我们拟在气候系统模式（CESM）框架下，耦合地下水模式和陆面模式，利用甚高分辨率的大气和陆面数据及“陆冰模式（径流密切联系）—陆面模式（积雪、动态植被）—地下水模式”耦合平台模拟研究过渡带的土壤水-地下水交换及其与植被的相互作用过程，评估其对植被生态的贡献，以及气候变化情景下的演变趋势和潜在的生态环境效应。这些问题的研究将有助于认识干湿过渡带区域气候与环境变化的机制，为应对气候变化提供依据。

干湿气候过渡带陆在气候变化的影响下“土壤－植被－大气”系统正发生着显著的变化，其中土壤水与潜水层地下水的交换通过水分、能量、碳氮的陆－气循环，在气候变化、生态环境演变中扮演着尤为重要的角色。气候变化和人类活动不断加剧的情势，过渡带的气候变化研究迫切需要更进一步地关注土壤深层的水交换过程的影响，进而提高未来气候变化情景下区域可持续发展的决策能力。. 项目以过渡带的土壤水-地下水交换特征，及其与植被耗水关系，气候变化情景下水交换演变及其对植被的影响为主要研究内容。综合利用观测、陆面过程模拟、耦合模拟等数据和方法开展了我国干湿气候过渡带土壤水-地下水交换及其与植被的相互作用。研究结果初步揭示了我国地下水空间分布特征，尤其华北地区地下水近年来迅速减少的趋势；揭示了地下水－土壤水交换时空变化特征，特别是华北地区土壤湿度与地下水位一致呈变干的趋势，是土壤湿度与地下水位的一致性最高的区域，且地下水位变化与气候要素的相互作用存在明显的区域差异；揭示了我国土壤水－地下水交换对植被耗水的贡献及其时空差异，华北地区地下水变化与植被指数呈显著的负相关。可能的机制为：植被生长的旺季降水补充的土壤水不足，地下水补充土壤水，导致水位下降，形成植被生长与地下水位反向变化的情况。提出了基于蒸散差的干旱指数，有助于更加直接和有效评估植被响应气候干湿变化；探讨了过渡带未来干湿的变化及对生态环境影响评价，干湿的可预报性冬季最高0.94，夏季最低0.76，空间分布上，西部高于东部。未来三十年的气候变化情境下，未来10年 我国植被（LAI）空间分布类表现为，在35°N以南呈减少趋势，以北呈增加趋势。上述研究结果将有助于认识干湿过渡带区域气候与环境变化的机制，为应对气候变化提供依据，并进一步促进干湿过渡带气候、陆地环境深入开展。