黄河中游河龙区间植被变化对水热平衡的影响机理研究

Vegetation change is one of the important factors determining the hydrology process. Vegetation in the middle Yellow River has been greatly changed in recent years for the implement of ecological restoration projects. The change in vegetation will greatly change the underlying condition and water cycle of basins, and further have impacts on the water-energy balance. The aims of this study is to quantitatively assess the mechanism of vegetation change on water-energy balance. Using different the land use/cover data, the spatiotemporal dynamic of vegetation for recent 35 years will be discussed. The runoff change for the 12 sub basins will be detected and analyzed, and then the contribution of vegetation change to runoff will be quantitatively assessed based on the Budyko framework. Based on the vegetation index, field experiments and observation to soil moisture, a coupled water and energy balance distributed model will be constructed, which can reflect the vegetation change. This model will be used to simulate the water (soil moisture and evapotranspiration) and energy balance (latent and sensible heat flux) factors in the context of vegetation change, and reveal the mechanism of vegetation change on water-energy balance. Results of this study will help enhance our understanding of the hydrology and water resource effects induced by human activities, and provide an important scientific basis for assessing effect of vegetation reservation and making strategies of water resource management in the middle reaches of the Yellow River Basin.

植被变化是影响流域水文过程的重要因素之一，改变流域下垫面以及水循环过程，并对流域水热平衡产生深远影响。本项目拟选取植被变化显著的黄河中游河龙区间12个子流域为研究对象，利用不同时期土地利用数据，分析近35年植被空间变化格局，量化不同植被类型间转化的速度和方向；利用Budyko假设理论和弹性系数法，对2000年前后径流变化进行归因分析，重点分析植被变化对径流变化的贡献；利用遥感植被指数、人工降雨模拟实验和土壤湿度定点监测方法，构建可反映植被变化信息并耦合水分与能量平衡的分布式水文模型，模拟水分和能量收支的变化过程，阐明植被变化对能量再分配、土壤下渗、蒸散发及其组分的影响，并最终揭示植被变化对径流变化的影响机理。本研究结果将有助于深入理解以植被变化为主的人类活动对流域水热平衡的影响，为黄河流域植被恢复效果的评估和水资源管理策略的制定提供参考依据。

植被变化通过改变流域下垫面条件，进而影响流域水文过程，并对流域水热平衡产生深远影响。本项目选取植被变化显著的黄河中游12个典型子流域为研究对象，分析了植被空间变化格局，构建了水热耦合分布式水文模型，揭示了植被变化对径流变化的影响机理，并预估了未来植被变化对产流量的影响。主要研究结果有：（1）分析了黄河中游植被时空格局，退耕还林工程改变了各植被类型的平衡状态和转化速度，植被变化已成为2000-2010年径流下降的主要驱动因素；（2）揭示了植被变化对12个流域水热平衡影响，1982-2016年NDVI在12个流域均呈现显著增加趋势，尤其以植被恢复工程实施后更为显著。相对1982-1999年，2000-2016年NDVI相对变化率在9.1%~17.5%之间，均值为12.9%。NDVI对水热平衡变化的绝对贡献率达到77.5%，植被变绿成为12个流域水热平衡变化的主导因素；其次为气候要素，贡献率为22.5%。（3）阐明了12个流域未来植被和气候变化背景下径流的变化格局，植被变绿减少径流的作用有限，因为fPAR增加20％的条件下，2020-2049年径流将减少3.5％，2050-2099年径流将减少4.1％。（4）为了更好地认知黄河中游在全国尺度下的水文气象变化机理，项目探讨了全国不同气候区近2个世纪（1999-2017）以及未来（2018–2100）干燥指数变化格局及其归因，到21世纪末，在RCP8.5排放情景下，全国大部分区域AI值将显着增加，其值将比1999-2017年期间高出约16.5％，这将加剧黄河中游水资源匮乏的现状，需要加强水资源的优化配置。（5）对比并量化了气候变化对不同气候区径流的影响。在能量限制、过渡区和水分限制区，干旱指数对径流变化的相对贡献率的中位数分别约为79.9％，55.5％和5.1％。这表明气候变化是能量限制区和过渡区中径流变化的主要影响因素，而人类活动已成为水分限制区径流变化的主要因素。本研究结果有助于深入理解以植被变化为主的人类活动对流域水热平衡的影响，为黄河流域植被恢复效果的评估和水资源管理策略的制定提供参考依据。