大规模生态工程实施对黄河流域生态水文的影响

1．引言

为了应对气候变化和生态环境退化，中国政府实施了退耕还林还草、天然林保护、三北防护林、三江源生态保护和建设等多项生态工程；生态工程的实施显著改善了区域生态环境，提高了地表植被覆盖度，减少了地表水土流失，遏制了土地沙漠化，等。此外，生态工程的实施对地表水文过程也有显著影响，但以往的研究多集中在生态工程对单一水文变量的影响方面，对水储量的影响研究略显薄弱。黄河流域生态环境脆弱，人类活动密集，水资源严重短缺。同时黄河流域也是中国生态工程的重要实施区，生态工程对该流域水储量的影响尚不明确。本研究联合多源遥感数据资料，采用广义加性混合模型等方法，分析了生态工程建设对黄河流域土地利用和土地覆盖的影响，并定量化了生态工程、农业灌溉、气候因子对流域水储量变化的贡献。

图1. 黄河流域生态工程分布示意图（GGP-退耕还林还草；TSNP-三北防护林；NFCP-天然林保护；EPSNR-三江源生态保护和建设；ER-生态工程）

2．黄河流域水储量时空变化格局

采用GRACE重力卫星数据定量评估了黄河流域格网尺度的水储量时空动态变化规律，在自然（降水、气温等）和人为活动（生态工程、农业灌溉等）等多类型因子驱动下，黄河源头区域的水储量呈增加趋势，而中下游区域的水储量呈减少趋势。黄河源头区域与中下游区域水储量的相反变化趋势，一定程度上反映了不同生态工程对水资源的影响效应不同。自然草地、种植草地、自然林地和种植林地四个区域的水储量均呈减少趋势，但林地水储量减少速率大于草地，种植植被区域水储量减少速率大于自然植被区域。

图2. （a）黄河流域水储量变化，（b）黄河流域草地、林地水储量变化

3．自然和人为驱动因子对黄河流域水储量的贡献

采用广义加性混合模型定量区分了生态工程、农业灌溉、气候因子对水储量变化的贡献。年尺度上，草地面积、径流量、降水和农业耗水量对黄河流域水储量变化的贡献分别是66.31%、26.12%、11.73%和5.86%。月尺度上，地下水对黄河流域水储量变化的贡献最大（9.88%），其次为NDVI指数（1.93%）。与黄河流域中下游区域相比，黄河源头区域的人类活动少，土壤水对该区域月尺度水储量变化的贡献最大（3.78%）。

图3. （a）年尺度上各广义加性混合模型性能，（b）月尺度上不同驱动因子贡献量.（P-降水；ET-蒸散发；Q-径流；NDVI-归一化植被指数；SM-土壤水；GW-地下水；YRB-黄河流域；SYRB-黄河源头区域）

本研究阐明了大规模生态工程实施对黄河流域水储量变化的贡献，为决策者了解水成本和制定生态恢复工程策略提供了科学依据，同时本文的研究方法也适用于全球其它地区。

本研究主要由国家自然科学基金（41701503，41801262和U21A2014）等项目资助。论文第一作者曹艳萍现为河南大学讲师，通讯作者谢遵义为河南大学特聘教授；论文合作作者还包括昆士兰大学William Woodgate博士，兰州大学马轩龙研究员，詹姆斯·库克大学Jamie Cleverly博士，中国林业科学研究院庞营军副研究员，河南大学秦奋教授，悉尼科技大学Alfredo Huete教授。