基于生态水文最优化原理的黄土高原植被承载力模拟研究

Under the impacts of climate change and the “Grain for Green” project, the contradiction between vegetation restoration and water resource shortage has become a new ecological problem in the Loess Plateau. It is an urgent need for the sustainable utilization of water resources and the sustainable development of ecosystem to evaluate and predict the carrying capacity of typical vegetation in the Loess Plateau. In this research, we will explore the coupling relationship between vegetation and soil moisture based on the vegetation investigation of the typical ecosystem and the monitoring of the eco-hydrological processes. By analyzing the variation characteristics and optimization strategies of vegetation in adaptation to the changes of climate and hydrological condition, the optimal objective function of the vegetation-hydrology coupling processes will be quantified and the eco-hydrological optimization model will be developed. Finally, we will quantify and predict the optimal vegetation coverage of typical vegetation in the Loess Plateau based on the developed model. This research will provide scientific basis for the sustainability evaluation of the “Grain for Green” project and the scientific management of soil and water resources in the Yellow River Basin.

在气候变化和退耕还林（草）工程的双重影响下，植被恢复与水资源短缺的矛盾成为黄土高原面临的新生态问题。正确评估和科学预测黄土高原的植被承载力及其时空格局，是实现黄土高原水资源可持续利用和生态系统可持续发展的迫切需求。本项目在黄土高原典型生态系统样带调查和生态水文过程定位监测的基础上，开展黄土高原植被-土壤水分耦合关系模拟，分析植被在适应气候和水文环境过程中的变化特征和最优化策略，解析植被水文耦合变化过程的最优化目标函数，发展黄土高原生态水文最优化模型，量化和预测黄土高原不同气候和立地条件下典型植被的最优植被盖度，为黄土高原退耕还林（草）工程可持续性评价和区域水土资源综合管理提供科学依据。

黄土高原植被恢复是生态修复工程的重要组成部分，然而在受益于植被恢复所带来的生态环境效益的同时，区域水资源安全和生态系统可持续发展也面临着潜在的挑战。研究植被承载力是回答植被恢复是否过量、布局是否合理的关键，对区域资源环境的可持续开发利用有着重要的现实意义。本项目基于统计分析和模型模拟的方法，对黄土高原的植被-水分关系和植被承载力及其对气候变化的响应进行了较为系统的研究，主要研究内容和研究结果包括以下三方面：(1)基于遥感植被数据，应用统计方法定量分析了黄土高原地区最大植被边界及其变化，结果显示在植被恢复区最大植被边界从2001年开始显著扩张，但2011年之后无显著变化趋势，表明人工植被快速生长速度受到限制。(2)基于Common Land Model在黄土高原进行了平衡态植被模拟，探究了当地植被生长的潜在最优化机制，发现基于WUE最大的潜在最优化机制所得植被分布与实际植被分布更为吻合，表明在干旱半干旱区植被的生长演化机制更倾向于基于更少的水分获得更大的植被生产力。(3)基于通量塔观测和模型模拟的植被数据分析了植被经历干旱后的恢复时间及其时空变化规律，发现在半干旱半湿润地区植被的恢复时间较长，森林类型的生态系统需要较长的时间才能恢复到干旱前的状态，且干旱恢复时间在过去30年呈现轻微但显著的增长趋势。本项目揭示了黄土高原植被的变化特征和生长演化优化策略，明晰了植被对气候变化尤其是极端事件的响应特征，可为气候变化背景下区域的可持续发展以及生态文明建设提供重要的科学依据和理论支撑。