三北防护林生态系统水文过程演变归因及生态脆弱性研究

The Three-North Shelter Forest Program is the largest ecological reforestation /afforestation program in the world. Although it has made great achievements since its initiative in 1978, it raises a heated and worldwide debate as its eco-hydrological effect is not as notable as expected. To reveal its eco-hydrological effect, this study attempts to investigate the changes in the hydrological cycle and the eco-hydrological vulnerability in the Three-North region by land surface modeling and data assimilation with remote sensing and ground-based measured data sets. The focuses of this study include: (1) Discussing the spatial-temporal variations of hydrological environment and the vegetation growth; (2) Diagnosing the attribution of the changes of the hydrologic system and quantifying the hydrological effect of the reforestation/afforestation based on the developed macroscale hydrological model and data assimilation schemes; (3) Predicting the future hydrological scenarios in future conditioned on the climate scenarios from four general circulation models; And (4) assessing the soil moisture stress of ecological system with various forest and grass vegetations. The aims of this study are to elaborate on the hydrological response to environment changes and to reveal the hydrological effect of the forest coverage. The results are expected to foster the application of land surface models, the remote sensing technology and data assimilation schemes in forest hydrology since, as demonstrated in this study, these strategies are useful tools to characterize the hydrological processes in a forest system. Moreover, this study will be valuable for the comprehensive evaluation on the Three-North Shelter Forest Program and the implementation of the reforestation/afforestation practice in future.

规模宏大的三北防护林体系工程已经持续建设三十多年，但是其生态水文效应还没有明确结论，在国内乃至国际上争议颇大。本项目通过发展陆面水文模型和数据同化方法，结合遥感和地面综合观测数据，从区域尺度上探讨三北地区水循环演变机制和生态脆弱性。主要研究内容包括：分析水文环境时空演变格局以及植被生长情势；基于发展的水文模型和多源数据同化方法，诊断近六十年来水文系统变化的主控因素，量化植树造林工程的水文效应；考虑未来多种气候变化情景，探讨三北地区水循环的发展趋势；分析不同林草系统的耗水特性，评估生态系统的水分胁迫和生态脆弱性。从而阐明变化环境下水循环的响应机制，揭示大面积森林覆盖对区域水循环的调控过程。研究成果将促进陆面水文模型、遥感和数据同化方法在森林水文学中的应用，为大尺度森林水文过程的研究提供新的思路，并为评估三北防护林工程的生态水文效应和后期的合理实施提供科学依据。

陆面水文循环过程主要受到气候变化和土地覆被变化的影响，而生态防护林的建设会明显地改变地表覆被状态。三北防护林体系工程已经持续建设三十多年，在一定程度上改善了区域的生态环境，减少了侵蚀和河流泥沙流量。目前针对小区或小流域尺度已有许多研究结论，它们大致认为在小尺度上，防护林建设会显著改变蒸散发和产流过程。但是在区域尺度上还鲜有研究，三北防护林在区域尺度上的生态水文效应还没有明确的结论。.本项目应用陆面水文模型，并发展数据同化方法，结合遥感和地面观测，从区域尺度上分析三北防护林区植被的变化，探讨关键水文变量的演变趋势，研究它们的主要驱动因子，并探索这种土地利用变化在未来的气候情境下会有什么样的水文效应。.研究结果表明，三北地区除了东北三省外，近二十年来（1989-2009），森林和草地的面积有一定程度的增加，叶面积指数近十年（2000-2009）呈上升趋势。近二十年来，三北区蒸散发、径流和土壤水呈下降趋势，降水下降在这些变化中起到主导作用，其它气象因素（如气温和风速）影响可忽略，而土地利用变化（植树造林等）的影响也很小。但是，根据全球气候模式模拟的未来八十年气候情景，土地利用变化的水文效应将会加强，可能增加干旱和洪涝的风险。另外，三北区植被的生长情况受到极端气候事件的影响，华北区干旱明显降低了叶面积指数。本项目发展的数据同化方法提高了水文模拟精度，可以实现水文模型和多源遥感数据的融合。.本项目的研究意义在于结合气候和土地利用变化，深入理解了区域尺度的森林水文效应，为三北防护林的生态环境评估提供了参考，在研究手段上实现了生态、水文和遥感的交叉融合，为变化环境下水文预报提供了有效的工具。