案例正文

黄土高原植被恢复及对其生态水文过程的影响

Vegetation restoration and its effects on eco-hydrological processes over the Loess Plateau，China

本案例为西北农林科技大学林业硕士专业学位研究生课程《森林生态系统理论与应用》教学使用部分内容。该案例亦适合林学和生态学专业研究生《应用生态学》、《生态管理理论与技术》、《林业技术推广》等课程选用。

摘要：黄土高原退耕还林（草）工程实施以来，大量坡耕地被转化为草地和林地，植被恢复效果显著，水土流失得到了有效控制。但由于植被剧烈变化，导致部分区域水资源供需矛盾进一步加剧。应当加强对黄土高原雨水资源潜力的利用，缓解植被剧烈变化导致的水资源消耗，并根据不同植被类型的蒸散耗水规律和区域土壤水分植被承载力，提出基于土壤水资源消耗补给平衡的植被恢复策略。该案例通过分析大规模植被恢复后黄土高原蒸散发、降水、径流量的变化趋势，明晰植被重建对生态水文过程的影响，为黄土高原生态恢复可持续发展和黄河流域水资源高效利用提供科学支撑，也可为基层科技工作者、相关科研人员在保障退耕还林（草）工程的可持续健康发展提供实际参考及科学依据。

关键词：黄土高原；退耕还林（草）工程；植被恢复；生态水文过程

Abstract: since the implementation of the “Grain for Green” project on the Loess Plateau, a large number of slope farmland has been transformed into grassland and woodland, the vegetation restoration effect is remarkable, and the soil erosion has been effectively controlled. However, due to the dramatic change of vegetation, the contradiction between supply and demand of water resources in some regions is further intensified. In this case, the change trend of evapotranspiration, precipitation and runoff in the Loess Plateau after large-scale vegetation restoration was analyzed to clarify the impact of vegetation restoration on eco-hydrological process. In order to provide scientific support for the sustainable development of ecological restoration in the Loess Plateau and the efficient utilization of water resources in the Yellow River Basin, and also provide practical reference and scientific basis for the grass-roots scientific and technological workers and related scientific researchers in ensuring the sustainable and healthy development of the “Grain for Green” project.

Key words: Loess Plateau, “Grain for Green” project, vegetation restoration, eco-hydrological process

引言

水是地球上各生态圈/层之间物质循环和能量交换的主要驱动力，对整个生态系统服务功能起着关键的调节作用。水循环尤其是陆地水循环对全球变化极为敏感，陆地水循环演变及其在全球变化中的作用，是全球气候治理、应对全球变化及水危机的重要基础和支撑，也是国际地圈生物圈计划（IGBP）和国际水文计划（IHP）等关注的重大热点和前沿命题[1-2]。随着气候变化和人类活动影响的深入，陆地水循环过程及通量发生了明显的改变，由此引发一系列生态环境效应。生态水文学是一门新生的交叉学科，主要研究生态过程与水文过程在不同时空尺度的相互作用，从学科的发展来看，生态水文学在水循环的过程机理、驱动机制以及模型耦合等方面显示出学科的前沿性和优越性，并且在水循环的实践应用中得到了广泛关注[3-4]。

森林生态系统的水文调节功能是一个复杂的物理过程，它是以生态系统的水文学过程和机制为研究核心，以植物与水分之间的相互关系为基础理论，在林地中水分受植被的影响而表现出来的水分分配和运输过程，其实质是植被减少和减缓了地表径流，增加土壤调蓄水分的作用，同时使林内降水量、降水强度和降水时间发生改变，使其在减少水分入渗、减缓地表径流、有效减少地表径流泥沙含量和改善流域水质等方面具有重要作用。其研究内容主要包括植被类型、林分结构等对林冠截留、树干径流、枯枝落叶层截持、土壤入渗与贮存、地表径流、地下水位的涵养以及地表蒸散等的影响。黄土高原是我国乃至世界上水土流失最严重、面积最大的地区之一，长期以来，水资源短缺生态环境脆弱等一系列问题都与水文过程密切相关，加之独特的水文、气候、地貌特征，该区的生态水文过程成为国内外众多学者关注的焦点[5]。

1 背景介绍

干旱缺水与水土流失并存是制约黄土高原农业生产与生态建设的瓶颈[6]。为改善黄土高原植被覆盖状况，治理水土流失，国家自20世纪90年代末开始实施退耕还林（草）工程，先后投资超过87亿美元。该工程实施近20年来，大量坡耕地被转化为草地和林地，植被覆盖度提高了25%，生态恢复效果显著[7]。

然而，大面积植被建设必然引起区域蒸散耗水量急剧增加[8]，进一步加剧了水资源短缺态势，导致黄河流域径流量锐减，其中花园口断面径流量从559×108 m3·a-1（1970s）降低到452×108 m3·a-1（2010～2015），降幅接近20%。另一方面，近年来黄土高原年均气温呈现出明显的上升趋势，平均增温速率为0.033℃·a-1，即近40年气温约上升1.32℃，远高于全球（0.013℃·a-1）和中国（0.022℃·a-1）的平均增速，其气候变暖趋势极显著[9]。在本来就已经十分缺水的黄土高原，在区域气候变暖的大背景下，再进行如此大规模植被恢复，其可持续性如何？通过何种手段能够保障退耕还林（草）工程的可持续健康发展，成为了一个亟需解决的问题。

2 案例内容

2.1 黄土高原概况

黄土高原地处中国黄河中上游地区（33°43' ~ 41°16' N,100°54' ~ 114°33' E），平均海拔1000 ~ 1500m，总面积约为64×104 km2，包括太行山以西、乌鞘岭以东、秦岭以北、长城以南广大地区[10-12]。该区地处暖温带季风气候区的边缘，大陆性和季风不稳定性更加突出，年降水量在150 ~ 750 mm，四季分明，年平均温度为3.6 ~ 14.3℃[13-14]。黄土高原海拔梯度及退耕还林（草）工程实施强度最大和植被恢复最剧烈的16个子流域见（图1 a）黄土高原植被类型从东南到西北依次为森林草原、典型草原、荒漠草原和荒漠，叶面积指数也相应下降[15]（图1 b）。

2.2 黄土高原植被覆盖时空变化分析

黄土高原东南部和东部叶面积指数（LAI）值呈增加趋势，而西北部干旱半干旱地区（荒漠、沙地以及裸岩）LAI值呈下降趋势。黄土高原LAI增加剧烈的地区对应着退耕还林（草）工程开展的核心区域[16]（图2 a）。东南部的植被类型主要为针阔叶林、寒温性灌丛和草丛[17]，而西北部由于东南季风带来的暖湿气流不能深入内陆，主要的植被类型是草原、草甸和荒漠，因此LAI年均值较低[18]。

图2中左上角插图显示的是黄土高原全区平均LAI的年际变化趋势，结果表明LAI年均值虽有年际波动，但从2001年到2015年，黄土高原平均的年LAI值从0.55 m2·m-2 增加到了0.81 m2·m-2，呈显著上升趋势，，年平均增加量为0. 017 m2·m-2。图2(b)为黄土高原16个子流域的LAI年均值的时间变化，从图中可以看出16个流域的LAI均呈现增加趋势，汾河流域和昕水河流域的平均LAI较高。

2.3 黄土高原年降水量时空变化分析

图3（a）为2001～2015年黄土高原年降水量的MK趋势检验（MK 检验中的统计量S用于检验水文或气象序列的趋势），结果表明黄土高原中部和东北部，降水有明显的增加，部分地区显著增加，黄土高原西北部个别地区降水量变化呈下降趋势。图3（a）左上角插图为黄土高原区域平均年降水量的变化趋势，从2001～2015年，整个黄土高原降水量年均值随时间推移呈现出上升趋势。图3（b）为黄土高原16个子流域年降水量的变化过程，2001～2015年，黄土高原退耕还林（草）工程实施强度最大的16个子流域降水量均呈现增加的趋势，清涧河流域、北洛河流域、大理河流域和延河流域的增加幅度较大，增幅超过10 m·a-1。

2.4 黄土高原实际蒸散发时空变化分析

通过构建考虑植被动态变化的区域尺度PT-JPL蒸散发模型，模拟了2001～2015年黄土高原大规模植被恢复影响下的实际蒸散发以及植被蒸腾、土壤蒸发和冠层截留蒸发。同时，通过控制模型中的植被因子保持2001年的状态不变，模拟了假设植被不变情景下（即未开展退耕还林还草工程），2001～2015年黄土高原蒸散发变化趋势。图4为黄土高原蒸散发（ET）及其分量（植被蒸腾Et、土壤蒸发Eb和冠层截留蒸发Ei）的模拟结果，其中左侧部分代表植被动态变化下的ET，右侧部分代表植被保持2001年不变情景下的ET。从图4（a）和图4（e）可以看出，黄土高原86%的地区ET增加，中部和东部地区增加较多，西北部地区减少较多。相比之下，在没有植被覆盖的情况下，ET下降了63.5%以上。通过对比分析植被恢复与植被不变的两组模拟试验，发现现有植被恢复情境下，黄土高原蒸散发从2001～2015以4.39 mm·a-1的速率增加；而植被保2001年不变的情景下，黄土高原蒸散发ET以0.51 mm·a-1的速率下降。退耕还林（草）工程的实施使黄土高原蒸散耗水量平均每年增加了31×108 m3 （4.90 mm·a-1）。图4（b）和图4（f）显示的是植被变化对植物蒸腾的影响，当植被增加时，在黄土高原中部地区，Et显著增加。从插图来看，植被增加导致黄土高原植被蒸腾每年增加4.47 mm，而植被不变的情景，蒸腾每年降低0.28 mm。图4（c）和图4（g）显示的是黄土高原Eb的变化，与Et不同，在植被变化剧烈的地区，Eb降低，这是因为植被密集拦截了更多的能量，导致到达地面的能量减少。从插图显示的区域平均的Eb来看，植被变化的土壤蒸发每年降低0.82 mm，而植被不变情景的土壤蒸发每年仅降低0.56 mm。图4（d）和图4（h）表示Ei的变化，与Et一致，在植被增加剧烈的地区，Ei也呈现了明显的增加趋势，因为植被变得密集后，植物截留的水分会增加。从插图中区域平均的Ei来看，植被变化情景下的Ei以0.90 mm·a-1的速率增加，而植被不变情景的Ei以0.10 mm·a-1的速率增加。综合来看，植被恢复与重建导致的植被蒸腾增加是ET增加的主要原因。

2.5 黄土高原径流的变化

图5为2001～2009年间黄土高原植被恢复最为剧烈的16个子流域径流年际变化趋势图。皇甫川的年平均径流量在16个子流域中最小，为11.35 mm，秃尾河的年平均径流量为57.86 mm，大于其他河流。退耕还林（草）工程实施后，16个径流下降流域变化幅度介于-3.78～0.40 mm·a-1之间，平均变化幅度为-1.45 mm·a-1。16个子流域中，除汾河（每年增加0.40 mm）和渭河（每年增加0.07 mm）径流增加外，其余14个流域径流量均呈下降趋势，其中清涧河降幅最大，径流量每年减少3.78 mm。大规模植被恢复后，因蒸散发的剧烈上升、土壤入渗强度的增加、植被根系与枯枝落叶物的拦截作用，黄土高原河川径流量显著下降。

2.6 退耕还林（草）工程实施的对生态水文过程的影响

由于黄土高原近十几年来的植被变化剧烈，地表生态水文过程和水资源供需平衡关

系发生了巨大的变化。研究结果表明，大规模植被建设开始后，黄土高原降水以5.16 mm·a-1的速率增加，16个植被建设强度最大的子流域中有14个发生了径流锐减，平均下降幅度为-1.45 mm·a-1在植被的影响下，蒸散发以4.39 mm·a-1的速率增加，植被恢复导致的冠层蒸腾增加是蒸散耗水上升的主要因素，退耕还林（草）工程平均每年多消耗水资源量为31×108m3(4.90 mm·a-1)。

2.6 对策与建议

由于大规模植被恢复后，降水量和蒸散发量呈现出同步上升的趋势，为缓解水资源供需矛盾问题，保障退耕还林（草）工程的可持续健康发展，建议：第一，根据不同植被类型的蒸散耗水规律和区域土壤水分植被承载力，提出基于水资源消耗补给平衡的植被恢复策略；第二，充分发掘雨水资源化潜力，对降雨径流进行合理的调控利用，将地表径流转化为土壤有效水，削除黄土高原土壤侵蚀的原动力，为大规模植被恢复提供水源，同步缓解干旱缺水和水土流失。分别从开源和节流的角度实现区域水资源高效利用，促进黄河流域生态保护和高质量发展，具体如下：

（1）在未来黄土高原的植被建设中，我们建议进一步细致的普查和研究不同植被类型的蒸散耗水规律，形成地方标准，在明确主要植被类型的耗水规律基础上，选择植被种植的种类，进而制定相关生态建设规划和策略。此外，在过去的20年间，黄土高原部分地区在实施退耕还林（草）工程过程中，在过去的20年间，黄土高原部分地区在实施退耕还林（草）工程过程中，没有遵循土壤水资源可持续利用原则，盲目和过度的植被恢复大量消耗了土壤水资源，打破了原有的土壤水补给量和植被恢复耗水量的动态平衡关系，出现了以土壤干燥化和植被退化为代表的新的生态问题。未来需要基于土壤水资源消耗补给平衡关系，确定不同区域的土壤水分植被承载力，根据不同植被类型的蒸散耗水规律和区域土壤水分植被承载力，提出合理的植被建设类型、密度和规模等具体的生态恢复策略，为黄土高原退耕还林（草）工程可持续健康发展和黄河流域水资源高效开发利用提供科学支撑与技术保障。

（2）因退耕还林（草）工程实施后，黄土高原降水量呈现出显著的上升趋势，意味着雨水资源化潜力有所增加，有必要对雨水资源高效利用与挖潜技术进行研发。对降雨径流进行合理的调控利用，不仅可削除黄土高原土壤侵蚀的原动力，还能为大规模植被恢复提供水源，增加土壤水库库容，同步缓解干旱缺水和水土流失，实现生态恢复和农业产生的协同发展，对黄土高原生态恢复至关重要。然而，目前雨水资源高效利用的研究主要聚焦在坡面径流调控与高效利用技术方面，例如雨水集流新材料、雨水标准化存储设施以及集雨补灌技术等，对于流域尺度雨水资源化潜力预测与评估、农田尺度土壤有效水挖潜利用技术与产品的研究尚未涉及，而且农田尺度土壤有效水挖潜利用也是对朱显谟院士28字国土整治方略核心“全部降水就地入渗拦蓄”的继承和发展。据此，建议大力开展雨水资源高效利用技术研发与集成示范，研发农田土壤有效水挖潜利用技术，并进行示范应用。

3 思考问题

（1）黄土高原植被恢复过程中需要考虑哪些生态水文方面的因素？

（2）植被恢复是否可以大面积植树或大面积种草？

（3）黄土高原生态环境改善对当地民众的生活会产生哪些影响？

（4）随着退耕还林（草）工程的实施，以及人们认知水平的逐渐提高，我们还可从哪里方面进行提高和改进？

附录：

图1 黄土高原植被类型

图2 退耕还林（草）工程实施后，黄土高原植被变化趋势（2001～2015年）

图3 2001～2015年间黄土高原年降水量变化趋势

图4 植被变与不变情景下的黄土高原实际蒸散发的MK趋势检验（2001～2015年）

图5 2001～2009年黄土高原年际径流变化趋势

参考文献

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案例使用说明

1. 教学目的和用途

本案例可广泛适用于不同专业背景的林业硕士及《应用生态学》、《生态管理理论与技术》、《林业技术推广》等课程的学习。

主要教学目的为：本案例选择黄土高原退耕还林（草）工程实施以来，大量植被恢复后对黄土高原其生态水文过程的影响为例，通过背景介绍、相关专业知识导入，介绍了生态水文过程、森林水源涵养功能。然后重点从黄土高原植被覆盖、年降水量、实际蒸散发、径流4个方面分析其时空变化情况，在基础上分析和总结退耕还林（草）工程实施的对生态水文过程的影响，及其在未来黄土高原的植被建设中的对策和建议。帮助学生系统、科学、客观的了解黄土高原退耕还林（草）工程，为学生在今后科学应用森林生态理论指导实际工作提供一定参考。

2. 案例讨论的准备工作

长期以来，由于盲目毁林开垦和进行陡坡地、沙化地耕种，造成了我国严重的水土流失和风沙危害，洪涝、干旱、沙尘暴等自然灾害频频发生，人民群众的生产、生活受到严重影响，国家的生态安全受到严重威胁。1999年，四川、陕西、甘肃3省率先开展了退耕还林试点，由此揭开了我国退耕还林的序幕。2002年1月10日，国务院西部开发办公室召开退耕还林工作电视电话会议，确定全面启动退耕还林工程。退耕还林（草）工程实施即将20周年，在取得极大生态环境效益的同时，也暴露出许多问题，具有很好的典型性和代表性，适合选择作为案列教学。课前需要准备以下资料和信息：

（1）黄土高原范围、气候、土壤和植被分布等资料

（2）退耕还林（草）工程相关背景知识和实施细则

（3）生态水文学基础知识

3. 案例分析要点

本案例通过黄土高原植被覆盖、年降水量、实际蒸散发、径流4个方面时空变化情况数据分析，从生态水文过程角度，探退耕还林（草）工程实施的不利影响，提出未来黄土高原植被建设的对策和建议，需要学生了解和思考的知识点有：

（1）黄土高原在植被恢复过程中要考虑哪些生态水文方面的因素？

（2）植被恢复可以大面积植树或大面积种草吗？

（3）黄土高原生态环境改善对当地民众的生活产生哪些影响？

（4）随着退耕还林（草）工程的实施，以及人们认知水平的逐渐提高，我们还可从哪里方面进行提高和改进？

通过以上问题的解答，使学生了解和掌握退耕还林（草）工程实施对黄土高原生态水文过程不利影响及应对举措，从而完成本次课程的教学任务，达到教学的目标。

4. 课堂计划

本案例计划80分钟。提前将课件和相关阅读文献发给学生，以便于上课讨论。

课时分配：