黄土高原的“退耕还林”工程是世界上最大的植被重建工程。然而，植被重建引起的土地利用变化会影响水循环和碳循环，其不同的后果尚未得到很好的理解。因此，重新布设植被措施的合理性和可持续性受到质疑。本研究量化了植被重建引起的土地利用转换对黄土高原典型流域水循环和碳循环的影响，并确定了森林或草地重建后既有利于水土保持又有利于固碳的适宜区域。我们使用了一个耦合的水文-生物地球化学模型，通过设计各种来自还林政策的假设土地利用转换情景，模拟水和碳方面的一些关键成分的变化。与基准条件（2000年土地利用）相比，当用森林或草地取代陡坡耕地时，产沙量和产水量都大幅下降。将坡度大于25°、15°和6°的耕地退耕还林（CTF）将增强碳固存，而对土壤含水量的负面影响可以忽略不计，而用草地取代耕地（CTG）将导致净初级生产力下降，但土壤含水量大幅增加（3.8%-14.9%）。与基准条件相比，CTF土壤有机碳将增加0.9%-3.2%，而CTG则保持相对稳定。通过测试各种假设的还林还草情景，我们确定了CTF和CTG的潜在优先地区，在这些地区重新植被可能是适宜的，并可能有利于保持水土和加强碳固存。我们的研究强调了在还林还草政策下未来水和碳耦合管理的挑战，我们的定量结果和潜在还林还草区域的识别可以为决策者提供信息，以寻求黄土高原的最佳管理。

碳 ； 土地利用变化 ； 黄土高原 ；泥沙； SWAT-DayCent ； 水资源

在区域和全球范围内，为了恢复退化的生态系统，广泛采用了还林还草政策，如植树造林计划和建立保护区。植被重建可以导致土地利用的变化，这在陆地生态系统中起着重要作用，因为它与水、碳和养分循环明显相关。土地利用变化可以通过改变植被覆盖和地表过程来影响水文过程和碳循环（如植被生产、土壤碳储量和二氧化碳通量）。了解植被重建引起的土地利用变化的综合环境影响对于生态系统管理和相关政策的制定至关重要。

植被重建是中国生态系统恢复和水土保持的重要工程。中国政府于1999年发起的与大规模重建植被有关的著名战略，即“退耕还林（GGP）”项目，旨在将低产陡坡耕地退耕还林或还草。中国黄土高原因其稀疏的植被覆盖而以严重的土壤侵蚀而闻名，这使其成为GGP的试点地区。

黄土高原GGP的主要目标是将陡坡上的耕地（大部分在15°以上）转化为森林或草地，以减轻土壤侵蚀。据报道，黄土高原的植被覆盖率已从1999年的31.6%增加到2013年的59.6%，在过去二十年中，约16000 km2的陡坡耕地已转化为种植植被（森林或草地）。因此，由于植被重建引起的土地利用变化，水循环和碳循环发生了很大变化。中国政府计划到2050年再投资95亿美元用于黄土高原的植被重建。从这个意义上说，未来土地利用将经历持续的变化，这将对包括水、泥沙和碳固存在内的关键环境要素产生积极和消极的影响。

在过去的几十年里，许多研究调查了植被重建引起的土地利用变化对黄土高原水循环或碳循环的影响。相关报道指出黄土高原典型黄土丘陵沟壑区陡坡地（坡）退耕还林可以减少地表径流和土壤含水量。自退耕还林实施以来，土地利用变化对径流的影响越来越大。植被重建计划是减少黄土高原径流和产沙量的主导因素。使用多元回归方法来量化造林对区域土壤有机碳（SOC）固存的影响，结果发现从农田到森林和草地的转换可以增强碳固存。通过对遥感数据的分析，人们发现植树造林显著提高了生态系统生产力。这些研究对于理解土地利用变化对水、泥沙和碳动力学的影响是有价值的。然而，他们只关注一个方面（例如，水或碳），很少有研究评估综合影响，这可能会扭曲土地利用计划，特别是考虑到水沙和碳之间的权衡。更重要的是，与GGP推动的土地用途转换相关的一些重大挑战仍未解决。例如，有许多问题涉及有多少坡度在15°到25°之间的土地应该退耕还林或还草，以及如何加强碳固存以减缓气候变化，同时通过重新植被保持区域水安全。回答这些问题涉及许多挑战，例如基本的解释模型、更现实的情景设置，以及识别潜在的重新植被区域以告知决策者。

为了应对上述挑战，本文首次应用耦合水文-生物地球化学模型（SWATDayCent）来调查GGP驱动的土地利用转换的潜在环境影响，并优化植被重建政策。与以往的研究不同，这项研究集中于与碳水相关的多个环境指标，以更全面地了解植被重建引起的环境影响。选择典型的黄土丘陵沟壑区——泾河流域（JRB）作为案例研究区。通过设定GGP下一系列潜在的土地利用转换情景，我们使用SWAT-DayCent模拟了水（如产水量、土壤水和泥沙量）和碳（如净初级生产力（NPP）和有机碳）几个关键组成部分的变化。

泾河流域是黄土高原上一个典型的大型黄土丘陵沟壑流域（图1）。流域面积45421 km ² ，位于半湿润和半干旱过渡地带，属于典型的温带大陆性气候。泾河发源于六盘山，全长约455 km ² 。年平均降水量和温度分别约为350-600mm和8-13°C。由于降水的空间变化，气候从南到北从半湿润到半干旱变化。流域内主要的土地利用类型是耕地、草地和森林，占总面积的90%。根据不同的生物物理和气候条件，泾河流域可分为四个生物气候带：半湿润森林、半湿润至半干旱森林-草地、半干旱草地和干旱和半干旱沙漠-草地。由于气候干燥和土壤疏松，该盆地经常遭受严重的缺水和水土流失。

图1. （a） JRB的位置和数字高程。红色虚线表示生物气候边界，JRB分为四个区域：森林（半湿润森林区）、森林-草地（半湿润至半干旱森林-草地区）、草地（半干旱典型草地区）和沙漠-草地（干旱和半干旱沙漠-草地区）。（b） 典型黄土地貌和（c）坡地的照片。这些照片是2018年9月在JRB典型的黄土丘陵沟壑区拍摄的。DEM：数字高程模型（m）。本研究的模拟是基于张家山（ZJS）站进行的。

SWAT-DayCent 耦合模型是通过整合广泛使用的流域分布式水文模型（土壤和水评估工具（ SWAT ））和主要的生物地球化学模型（ CENTURY 模型的每日版本， DayCent ）开发的。在 SWAT-DayCent 的耦合中， SWAT 模型被设置为基本框架， DayCent 被嵌入到 SWAT 中，并添加了一些新的数据转换和消息传递功能。在运行过程中， SWAT 模型首先模拟基于水文响应单元（ HRU ）的水文过程，并生成逐日所需的数据。然后， DayCent 可以自动获取每个 HRU 的具体信息，并模拟所有 HRU 的生物地球化学循环。主要输出包括 SWAT 产生的水文成分（例如，产水量、河流流量、土壤水分和蒸散量（ ET ））和 DayCent 产生的生物地球化学成分（例如， NPP 、 SOC 、土壤呼吸和生物量），使我们能够分析流域尺度的水循环和碳循环。 SWAT-DayCent 的细节和应用可以在我们之前的研究中找到。这种耦合的水文 - 生物地球化学模型可以同时模拟流域尺度的水文和生物地球化学循环，因此可以支持综合的水 - 碳分析和管理。事实上，没有一个单一的模型能够模拟流域尺度的水文和生物地球化学过程。 SWAT-DayCent 的应用为研究人类活动对流域尺度的水循环和碳循环的影响提供了一个合适的视角。

地理信息系统（GIS）界面ArcSWAT用于描绘分水岭并自动输入模型参数。ArcSWAT所需的空间输入包括地形、土地利用、土壤类型和气象信息。数字高程模型（DEM）是从航天飞机雷达地形任务（SRTM）获得的，分辨率为90m 。2000年30 m分辨率的土地利用数据来自中国科学院遥感与数字地球研究所。土壤特性数据由中国西部生态与环境科学数据中心提供，分辨率为1 km。每日气象数据来自中国气象局数据中心。

使用张家山（ZJS）站（图1）的月径流（1973-1979年用于校准，1980-1990年用于验证）和产沙量（1973-1978年用于校准，1979-1987年用于验证）数据来校准和验证SWAT部分，并使用年度遥感NPP（2000-2010年）来验证DayCent部分。对于SWAT，使用敏感性分析确定了最敏感的参数（附录A中的S1表）。对于DayCent，最重要和最敏感的参数“PRDX”是根据自己的经验和以前的研究选择的。就数值标准而言，径流模拟的Nash系数（NSE）、相关系数（R ² ）和百分比偏差（PB）分别为0.70、0.71和6.7%，而泥沙模拟的数值分别为0.58、0.71和24.9%（图2）。根据模型评估标准，这些统计评估表明SWAT校准良好。对于验证，SWAT模型也表现良好，径流模拟的NSE、R2和PB分别为0.54、0.62和5.3%；而对于泥沙模拟，这三项分别为0.60、0.67和30.2%。对于DayCent，采用Model-R耦合器进行验证，该校准方案可在之前的研究中找到。统计评估方法显示，所有三种生态系统（作物、森林和草地）的|PB|值均小于5%，R ² 范围为0.21至0.55，均方根误差（RMSE）范围为20.8至39.3克碳/平方米/年（g C·m ^-2  a ^-1 ）（图3）。虽然DayCent的表现不如SWAT，但考虑到遥感NPP和碳模型的不确定性较大，模型表现还是令人满意的。

图2.  张家山站每月（a）径流和（b）产沙模拟

图3. （a）农田、（b）森林、（c）草地和（d）整个流域的遥感NPP和DayCent模拟NPP的比较。红色虚线代表1：1线。

2.4.1.重新植被项目大纲

GGP由中国政府实施，旨在恢复该国的森林和草原，以减轻水土流失。GGP项目实施中最重要的标准之一是坡度——坡度超过一定程度（称为目标坡度）的耕地应被转化为森林或草地。在黄土高原所在的西北地区，目标坡度是15° 。这表明坡度比15° 更陡的农田将被强烈推荐用于退耕还林或还草。此外，坡度小于6° 的土地需要保护用于农业，因为它们的土壤侵蚀程度低，土壤肥力相对较高，并且需要粮食生产。基于上述政策和要求，设置了土地用途转换场景，如下节所述。

2.4.2.植被重建情景

首先，就GGP而言，根据2000年的实际土地利用情况建立了六种潜在的重新植被设想（表1）：

（1）CTF：将陡坡耕地退耕还林。情景S1–S3指的是坡度大于25°、15°和6°的耕地转化为森林。

（2）CTG：将陡坡耕地改为草地。情景S4-S6指的是坡度大于25°、15°和6°的耕地转化为草地。

除了坡度之外，生物气候条件也应考虑到重新植被的适宜性和可持续性。在本的研究中，泾河流域分为四个生物气候带：森林、林草、草地和沙漠-草地（图1）。众所周知，森林和林草地带适合植树造林，而草地和沙漠-草地地带可以种草。在这种适宜性的驱动下，建立了三个额外的重新植被方案。

（3）退耕还林（CTFG）：将坡度大于25°、15°和6°的耕地分别在森林和林草地带退耕还林，或在草地和荒漠草地地带退耕还草。这些转换由场景S7–S9表示。

表2列出了相应的土地使用比例。利用历史气候应力数据（1976-2005年），建立了具有基准条件（2000年土地利用）和九种植被重建情景的SWAT-DayCent模型，并运行了30年。

表1. 潜在植被重建情景的缩写和定义

表2. 2000年土地利用和拟议的重新植被备选方案中土地利用比例的百分比（%）

“—”表示与2000年土地利用相比没有变化。BS代表2000年的实际土地利用情况。

图4. 2000年土地利用和拟定的重新植被方案之间流域平均产水量（WY）、产沙量（SY）、土壤水分（SW）、净初级生产力和有机碳的百分比变化。径向轴上的数字表示相对于2000年土地利用的百分比变化（%）。

通过比较基线条件和重新植被引起的情景之间的差异，量化了重新植被对流域平均环境的影响。为了确定适合植树造林或种草的区域，执行了叠加分析（栅格计算）来计算特定HRU的净变化。如果目标元素之间存在冲突，则建议进行权衡——一个元素增加，另一个元素减少，而如果水的可用性、土壤保持和碳汇同时增加，则会产生协同作用。如果重新植被可以同时有益于水（增加土壤含水量）、土壤（减沙）和碳（有机碳增量），则确定适合重新植被的候选区域。基于对土壤含水量、产沙量和有机碳的总影响程度，为候选区域的CTF或CTG定义了五个推荐度——非常低、低、中、高和非常高。总影响量的计算是将重新植被（CTF或CTG）对每个单独指标（即土壤水、减沙或有机碳）的影响归一化，然后将它们的归一化值相加。当特定目标区域（HRU）的总影响幅度（TIM）低于5%百分点时，可以确定非常低的推荐度，当TIM高于或等于5%但低于25%百分点时，确定为低推荐度，当TIM高于75%但低于或等于95%百分点时，定义为高推荐度，当TIM高于95%百分点时，定义为非常高推荐度，当TIM在25%和75%百分点之间时，可以将特定区域标记为中等推荐度。非常高的推荐度表明造林或种草可以实现最大的环境效益（即对上述环境指标的积极影响：土壤含水量、泥沙量和有机碳储量），其次是高、中、低和非常低的推荐度。

图5. CTF情景下（S1-S3）WY、SY、SW、NPP和SOC变化的空间模式。数字表示相对于2000年土地利用的百分比变化（%）。空白表示无变化的区域。

图6. 如图5所示，但在CTG情景下（S4–S6）。

图7. 如图5所示，但是在CTFG场景下（S7-S9）。

图8. 坡耕地的土地利用转换有利于水资源、土壤保持和碳固存的潜在地区：（a） CTF和（b） CTG。颜色表示特定区域的推荐程度，红色、橙色、浅绿色、绿色和深绿色分别表示非常低、低、中等、高和非常高的推荐程度。

1、 环境指数的变化 ：

2、环境指数变化的空间模式 ：

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