黄土高原生态建设的生态-水文过程响应机理研究

With the implementation of extensive ecological projects in Loess Plateau, the eco-hydrological process has changed profoundly. Scientifically understanding to changing regularity and adjusting mechanism of the eco-hydrological process under the condition of ecosystem construction has already become a key problem to be solved. Typical watershed in Loess Plateau will be studied, based on Hydrology, Pedology, Ecology, hydrology simulation and isotopic tracing technique. With the regulation mechanism of vegetation recovery, slope-valley projection as the core to eco-hydrological process, the change rules of the watershed ecology-hydrological processes will be studied systematically. The watershed water resource storage feature and water transmit time will be analyzed. Energy transport and conversion will be explicit in the influx process of surface runoff. The transformation mechanisms of spatial and temporal distribution of water resources will be clarified. Regulatory mechanism of the evolution of the water cycle process will be revealed. Ecological-hydrological regulation method based on basin water resources service functions of eco-production-life will be explored. Scientific basis will be provided for the sustainable and coordinated development of socio-economic and ecological construction in Loess Plateau and the health of Yellow River.

随着黄土高原地区大规模生态建设工程的实施，区域生态与水文过程发生了深刻变化。科学认识黄土高原生态建设条件下生态-水文过程变化规律和响应机理，是区域生态环境稳定和发展亟待解决的关键科学问题。本研究以黄土高原典型流域为对象，运用水文学、土壤学、生态学等学科理论及水文模拟技术和同位素示踪技术，以植被恢复、坡沟工程等生态建设活动对生态-水文过程的作用机理为核心，系统研究生态建设条件下流域生态-水文过程的变化规律，分析流域水资源赋存特征和水传输时间的变化，明确地表径流汇聚过程中的能量传递与转化，阐明生态建设对流域水资源时空分布与转化的作用机制，揭示生态建设活动与流域水循环过程变化的作用机理，探索基于流域水资源生态-生产-生活服务功能的生态-水文调控方法，为黄土高原社会经济与生态建设可持续协调发展和黄河健康维系提供科学依据。

针对黄土高原大规模生态工程导致下垫面明显变化和黄河泥沙锐减的问题。本项目以黄土高原典型流域为对象，以退耕还林还草、坡改梯、淤地坝等生态建设工程对生态-水文过程的作用机理为核心，开展了流域生态-水文响应及其变化规律研究，进展如下。.（1）揭示了流域径流侵蚀能量的分散消耗与调峰消能的侵蚀产沙阻控机制。植被和坡改梯强化了流域下垫面入渗和抗侵蚀能力，减缓了流域汇流流速，分散消减了径流侵蚀能量，发挥蓄水减沙作用；合理级联的淤地坝系调蓄了沟道汇流的洪水，坦化洪水过程，流域出口的洪峰流量减小64%~88%，径流侵蚀能量减小47%~95%，产沙量减少62%~95%。生态工程的分散消减径流侵蚀能量的作用对其下游仍具有影响，不同措施对洪水的错峰调节表现出明显的后续效应。.（2）阐明了生态工程与流域的持水能力提升关系。生态工程改变了植被-土壤系统组成与结构，使流域水分消耗与补偿格局得以改善；流域下垫面改变使降水入渗量增大，蒸散增加，地下水量增大，流域蓄水量变幅加大，滞蓄作用明显；坝系流域洪水拦蓄率大于70%。生态工程使流域降产流时间延迟了1.8倍以上，坝系流域洪峰滞时是无坝流域的3 倍以上。.（3）揭示了生态工程促进地表水-土壤水-地下水转化的机制。土壤水同位素均表现为上层贫化，深层富集，土壤水向下传输方式为林地为活塞式推进并伴有优先流、草地以优先流为主、农地以活塞式为主。 .（4）阐明了生态工程对流域生态服务功能的提升机制。提出了基于生态水文过程与生态服务功能的调控体系与治理格局。生态工程强化入渗与分散消减径流作用，显著减少了流域侵蚀产沙，提升了水资源的调节能力，提高了流域生态系统弹性力和抗干扰能力；生态系统蓄水、保土、固碳等均呈增加趋势。.本研究对深化流域水蚀动力机制认识，推动流域水沙学科发展，黄土高原地区水土流失过程预报和防治，促进区域社会经济与生态建设可持续协调发展具有重要科学意义和应用前景。