黄河上中游草地退化和退耕还林的区域气候水分效应

Flowing across the semi-arid and semi-humid areas in China, the Yellow River Basin is important for runoff generation, sediment transportation and water consumption, all of which are vulnerable to land use/cover change (LUCC). In recent years, grassland degradation in the source region and afforestation in the Upper and Middle Yellow River Basin (UM-YRB) have become the most obvious characteristics of vegetation cover change, which leads to runoff reduction and soil desiccation. Due to the lack of accurate information on vegetation cover change in the UM-YRB, there is a limited understanding of underlying mechanisms that control the influences of vegetation cover change on the regional hydrological cycle and climate. In this study, we will analyze the characteristics of vegetation cover change in the UM-YRB during the last 20 years based on high-resolution LUCC products. Secondly, the advanced model WRF-Hydro with optimized hydrological parameterizations will be employed to conduct long-term simulations in the UM-YRB in order to compare the respective contributions of grassland degradation and afforestation and quantify the vegetation–precipitation feedbacks. Furthermore, these investigations allow for evaluation of the consequences of afforestation in the UM-YRB for water resources and provide a scientific basis for water resource management under climate change and LUCC.

黄河上中游地跨半干旱和半湿润气候带，是流域最主要的产水、输沙和耗水区，也是对气候变化最敏感的区域之一。近年来，黄河源区草地退化和上中游的退耕还林显著地改变了流域的植被覆盖，是导致黄河流域径流减少、土壤变干的重要因素，但由于未能准确描述植被变化的时空分布，至今对该地区植被变化对区域气候水分的影响和反馈机理仍缺乏深刻的认识。本研究拟以高分辨率土地利用/覆盖变化和退耕还林资料为基础，分析黄河上中游近20年的植被覆盖变化特征；其次，利用先进的区域耦合模式WRF-Hydro，改进陆面水文参数化方案，针对黄河上中游地区植被变化进行高分辨率的耦合模拟，定量计算黄河源区草地退化及上中游地区退耕还林对流域水分平衡的各自贡献与综合效应，在流域尺度上探讨植被覆盖变化对区域降水的反馈及机理，评估植被变化特别是退耕还林对黄河上中游水资源的影响，为气候变化和人类活动背景下流域水资源管理和可持续发展提供科学依据。

以草地和森林为代表的植被变化是近年来黄河流域最显著的下垫面变化特征，自“退耕还林/还草”生态工程实施以来，黄河流域的植被覆盖得到了显著的改善。项目基于黄河流域高分辨率的植被变化信息和MODIS土地利用/覆盖产品，结合区域陆气耦合模式WRF-Hydro和陆面水文模型SWAT,利用NCEP-fnl和ERA-Interim大气背景场，对黄河流域进行了短期和中长期的植被变化在线耦合模拟，系统研究了植被变化对黄河流域的气候、水文循环的影响。研究结果表明，在中长期模拟试验中，植被覆盖的好转能够促进黄河流域的降水增多，使地下水埋深变浅，水资源状况得到改善；但在短期的模拟试验中，会由于植被变化信息来源的不同，对降水的反馈存在一定不确定性。由于蒸散发增大的缘故，植被覆盖的好转会减少径流产流量。通过离线陆面水文模拟的研究发现，土地利用/覆盖变化是导致黄河流域农业干旱的重要原因，而人类取用水则是水文干旱的主导因素，在黄河流域中下游尤为显著。对黄河流域2002年以来的陆地水储量分析结果表明，黄河流域的水储量正不断减少，其主要贡献来自于消耗迅速的地下水储量，并为观测所验证。而通过离线陆面过程模式的模拟表明，NoahMP模式能够合理模拟黄河流域的土壤湿度、径流和地下水位，而CLM模式则揭示了黄河流域上游西风带西北干旱区的水分收支存在着强烈的区域性差异。此外，项目还发现了厄尔尼诺/拉尼娜事件对黄河主汛期降水的多寡存在着较好的对应关系，并针对“黄河流域生态保护和高质量发展”这一国家战略，结合项目的阶段研究成果，给出了相应的应对措施、建议对策和发展思考。本项目的研究有助于更加深入地理解在流域尺度上植被变化对区域水分循环的影响机制，也能为流域生态保护措施和水资源管理决策提供相应的科学依据。