青藏高原东缘生态过渡带不同模式植被恢复过程对土壤水分影响的多尺度效应研究

Research on impacts of vegetation recovery on soil moisture in the ecotone at the eastern margin of Tibetan Plateau is of great practical significance to guaranteeing the regional, national and even Asian sustainable utilization of water resources. With the Longwu River Basin in the ecotone at the eastern margin of Tibetan Plateau as the study area, this study will analyze the vegetation recovery region, vegetation recovery pattern, vegetation recovery rate, and its spatio-temporal processes in the recovery mode of grazing prohibition, returning cultivated land to forestry area or grassland and natural forest conservation. And then the spatial pattern of soil moisture is simulated and the laws of spatio-temporal change of soil moisture is further clarified during 2001-2020 at the levels of the vegetation type and the vegetation biomass with methods such as the geostatistical methods, remote sensing retrieval and field survey. Considering the influence of climate change, unfreezing and other factors, this study will reveal the influence of different processes of vegetation recovery on the soil moisture at different scales by multi-level model and PSM model, identify the processes that play a key role in influencing the soil moisture, and estimate the contribution and time-lag effects of different mode of vegetation recovery on the soil moisture change by spatial lag model and polynomial distribution lag model. This study aims to analyze the relationship between spatio-temporal heterogeneity of soil moisture and vegetation recovery at multiple scales from multiple perspectives, explore the laws of the different modes of vegetation recovery on the spatio-temporal evolution of soil moisture, with the expectation to provide scientific reference for protecting the water conservation service and guaranteeing the ecological safety and the regional sustainable development.

开展青藏高原东缘生态过渡带植被恢复对土壤水分时空演化影响的多尺度效应研究，对保障区域、全国乃至亚洲水资源可持续利用都具有十分重要意义。本研究以青藏高原东缘生态过渡带隆务河流域为研究区，1）基于多个层面动态监测研究区2001-2020年禁牧、退耕还林还草和天然林保护等不同模式植被恢复区域、格局、速率和过程；2）基于野外监测数据和遥感数据，率定针对不同植被类型的遥感反演模型参数，定量反演逐旬、逐月、逐年土壤水分空间格局，科学辨识土壤水分时空演化规律；3）采用时间与空间、宏观与微观多尺度相结合方式，研究不同模式植被恢复过程对土壤水分时空演化的影响规律及多尺度效应；耦合空间滞后模型和多项式滞后分布模型，测算不同模式植被恢复过程对不同深度土壤水分的时滞效应。本研究旨在从多个尺度探究不同模式植被恢复过程对土壤水分时空演化影响规律及多尺度效应，以期为提高水源涵养能力、维持区域水资源可持续发展提供科学依据

植被变化对区域水平衡影响是目前国际水文科学最具活力的研究领域之一，而土壤含水量是区域水平衡重要组成部分，恢复植被、改善植被调节水文能力，已成为保障我国生态环境可持续发展的重要问题。本项目研究了青藏高原东缘生态过渡带2001-2019年不同模式植被恢复区域、速率和过程；基于多源遥感数据与野外监测数据，构建青藏高原东缘生态过渡带根区土壤水分反演模型，揭示研究区土壤水分表层和不同深度土壤水分时空演化规律；基于多尺度模型解析青藏高原东缘生态过渡带植被生长时期根区土壤水分变化的驱动机制和时滞效应。.结果表明，1）研究区2001-2019年植被覆盖面积和植被生物量总体呈上升趋势，具有良好恢复效果，空间上具有西北地区低、东南地区高的分布特征。对比不同恢复模式，综合恢复模式植被生物量总增幅为11.5%，植被恢复效果较好；2011年之前，自然恢复模式植被生物量与人工恢复模式相近，而2011年之后其植被生物量增幅超过人工恢复模式，且2016年后呈持续上升态势，说明近年来自然恢复模式效果较好，其植被生物量年均增长3.1 gC∙m-2∙a-1，而人工恢复模式年均增长量仅为1.66 gC∙m-2∙a-1。2）根区土壤水分在5月中旬至6月中旬小幅下降，6月下旬回升到五月初的水平（0.15），9月份恢复到5月初水平；对于不同深度土壤水分，0-5cm层土壤水分随降雨波动显著，深层相对稳定，基本呈现为0-5cm>5-20cm >35-50cm>20-35cm；土壤水分空间分布特征整体为南高北低，根区土壤水分空间分布基本一致，但深层土壤水低于表层，且随土壤深度增加，土壤水分空间分布受土壤质地影响越显著。3）植被恢复过程对土壤水分驱动机制结果显示，林地与草地对土壤水分涵养能力影响始终高于其他土地利用类型；利用地理探测器分析根区土壤水分影响要素贡献率，发现植被生物量解释力在植被生长时期逐渐增强，q值由5月0.08上升至9月0.37，并且随着土壤深度增加，植被对土壤水分影响越来越显著；植被生长对于土壤水分演变影响具有一定程度的滞后效应，植被恢复对于土壤水分涵养能力提升具有显著作用。