黄土高原侵蚀性降水对植被恢复的响应及其水土保持效应黄土高原侵蚀性降水对植被恢复的响应及其水土保持效应

研究背景

植被恢复通常被认为是水土保持的最有效措施之一。植被恢复对径流和土壤侵蚀的影响主要通过改变降水总量和侵蚀性降水实现。 200 0 年以来实施的“退耕还绿色工程”（ GfGP ）极大地改变了黄土高原植被覆盖，结合各种工程实践（例如，淤地坝、梯田、平沟、鱼鳞坑），有效地减少了黄土高原的土壤侵蚀。理论上，根据一定的水沙关系，水沙负荷的减少应具有相似的幅度。但观察到的卫星数据并不支持这一点。这意味着有未知的物理机制驱动水土流失过程，这可能是当地的气候 - 植被通过陆地 - 大气相互作用动态反馈的结果。目前从陆地 - 大气耦合角度对植被恢复的水土保持效益的研究大多只考虑降水总量的变化，没有体现侵蚀性降水与植被恢复之间的响应机制及其对土壤保持的影响，可能会有失偏颇。该研究明确考虑大规模植被恢复后气候 - 植被如何反馈改变侵蚀性降水量，全面调查了黄土高原植被恢复对径流和产沙的联合变化的影响。

1. 选择 12 个位于黄土高原丘陵沟壑区的植被恢复流域作为代表性流域

2. 研究使用 WRF 模型，以诺亚陆面模型作为 WRF 模型中输入的陆地面。为了研究大规模植被恢复如何影响由于陆 - 气相互作用引起的水土流失，设计两个实验来探索降水对人工植被恢复的响应：（ a ）对照实验（ WRF-CTL ）和（ b ）动态植被实验（ WRF-DYN ）。这两个实验共享物理参数化方案的相同设置，并且仅在与植被恢复有关的陆地表面条件（反照率、叶面积指数、土地覆盖类型、植被比例等）有所差异。两个实验模拟量、频率和降水强度的差异用以研究侵蚀性降水对植被恢复的潜在反馈。

1. 在 1982-2015 年期间，所有 21 个测量站（ 9 个在主流， 12 个在支流）的流量和产沙量都经历了急剧减少，且无论是黄河干流还是支流流域，径流量的下降趋势都明显低于产沙量的下降趋势。

2. WRF-DYN 模拟表明，在 2000-2015 年期间，黄土高原植被恢复明确表示时，年均降水量以 6.15mm/ 年的速度增加。模拟和观测降水量之间的决定系数（ R ² ）为 0.61 ，均方根误差（ RMSE ）为 43 mm yr ^?1 ，绝对误差为 ?14 mm yr ^?1 。与 WRF-DYN 不同的是， WRF-CTL 实验表明，如果不考虑植被动态， 2000-2015 年期间年均降水量的增长速度 3.85 mm yr ^-1 ）要慢得多。与 WRF-DYN 相比，这导致了更低的 R ² （ 0.52 ），更高的 RMSE （ 62 mm yr ^?1 ）和更高的绝对误差（ ?70 mm yr ^?1 ）。这些结果突出了在区域气候模拟中考虑植被恢复的重要性，并表明植被动态在降雨过程中起着重要作用。如果忽略植被恢复与当地气候之间的反馈作用，黄土高原的降水总量被严重低估。

3. 大规模植被恢复后，降雨以频率较高的小雨为主，降水总量增加，降水强度降低，侵蚀性降水事件减少。

4. 研究发现 WRF-DYN 中的水分通量传输比 WRF-CTL 中的水分通量传输更强，这解释了为什么 WRF-DYN 中的降水总量高于 WRF-CTL 。比较这两个 WRF 实验中的对流可用势能（ CAPE ）后发现 WRF-DYN 的平均 CAPE （ 274.88 J kg ^?1 ）比 WRF-CTL （ 131.04 J kg ^?1 ）大得多，表明 WRF-DYN 的对流事件更频繁。 WRF-DYN 模拟中从地面到 300 hPa 压力水平的垂直速度剖面（ VVEL ）比 WRF-CTL 模拟低 35.7% ，表明 WRF-DYN 中的抬升运动更频繁。这些结果解释了 WRF-DYN 模拟的侵蚀性降水强度低于 WRF-CTL 的原因，进一步支持了研究结果，即植被可以通过陆 - 气相互作用降低侵蚀性降水的频率。

5. 12 个流域的工程措施（梯田和格挡坝）总处理面积的百分比从 1980 年代至 2010 年代的 0.36% 增加到 2.06% 。工程措施在控制水土流失方面是非常有效的，然而，被梯田和淤地坝减少的部分径流可以通过间流或基流再循环回河道。此外，下降的径流进一步增强了当地的土壤保持，因为大量的沉积物堆积在格挡坝和梯田得以保存，减少下游河道的泥沙负荷。因此，工程措施的保土作用远大于其保水作用。这可以部分解释为什么在黄土高原径流量的减少小于产沙量的减少。

该研究强调了考虑黄土高原植被恢复后侵蚀性降水和植被之间的动态反馈对水土保持效益的重要性。除了由 GfGP 导致的降水总量增加之外，研究还发现降水强度与频率的显著变化。即黄土高原轻、中度降水事件较频繁，侵蚀性降水事件较少。但是，由于详细的数据难以获取，如何分割植被恢复与工程措施对水土保持的贡献率仍是十分困难的。