黄土高原植被与水循环关系

黄土高原植被与水循环关系摘要:为了改善水土保持效果,研究了黄土高原地区植被和水循环的相互关系。

以黄土高原51个小流域为研究区域,分析了归一化植被指数( NDVI)与降水和蒸散发的关系。

结果表明: 在多年平均降水量越多的区域, 植被密度越大, 实际蒸散发量也越高。

在降水越充沛的区域, NDVI 的变差系数较小, 植被的年际波动也较小。

植被密度大的地区, 蒸发效率高, 但蒸发系数较低; 增加植被会增加地表水和地下径流的分配比例。

提高土壤含水量是增加植被覆盖的途径之一。

关键词:黄土高原; 植被; 降水; 蒸散发; 归一化植被指数黄土高原（英文：Loess Plateau 亦作Huang-t'u Kao-yuan或Huangtu Gaoyuan）是世界最大的黄土沉积区。

位于中国中部偏北。

北纬34°～40°，东经103°～114°。

东西千余千米，南北700千米。

包括太行山以西、青海省日月山以东，秦岭以北、长城以南广大地区。

跨山西省、陕西省、甘肃省、青海省、宁夏回族自治区及河南省等省区，面积约40万平方千米，海拔1500到2000。

除少数石质山地外，高原上覆盖深厚的黄土层，黄土厚度在50～80公尺之间，最厚达150～180。

黄土高原的地理位置比较特殊，即处于从平原向山地高原过渡、从沿海向内陆过渡、从湿润向干旱过渡、从森林向草原过渡、从农业向牧业过渡的地区，各种自然要素相互交错，自然环境条件不够稳定，表现为地址地震灾害、水旱灾害和气象灾害，以及水土流失、土壤侵蚀等自然灾害比较频繁和严重。

而人类的不合理开发利用，如滥垦、滥牧、过樵、过牧，都会引起自然环境的强烈反应，所以使得自然灾害发生地频度增多，据记载，1999年, 中国开始在黄土高原地区展开植树造林和水土保持工程。

然而, 植树造林与水土保持实践需要考虑到植被覆盖与当地水量平衡之间的复杂关系。

因此,探究中国黄土高原地区植被和水循环之间的相互作用, 为水土保持工作提供科学依据, 黄土高原特殊的地形和地貌使得当我们是当前急迫需要开展的研究课题。

本文分析了黄土高原地区植被与降雨、蒸散发、径流成分等之间的关系; 研究目的在于预测干旱半干旱区在气候变化和人类活动影响下的流域生态水文响应, 并为黄土高原的水土保持提供科学依据。

1 研究区域及资料情况选择黄土高原地区的51个小流域作为研究区域( 图1) 。

研究区内85个站的长期气象观测数据来源于中国气象局, 包含逐日降水量、气温、日照时间、风速、相对湿度、辐射等。

研究区域内51个子流域出口的月径流数据来源于水利部水文局( 图1)[ 3]。

流域边界从1km的数字高程模型( DEM) 中提取。

降水采用距离方向权重方法插值; 逐日潜在蒸发量用Shuttleworth推荐的Penman公式计算[ 4]。

通过水量平衡获得各小流域多年平均实际蒸散发量。

1982—2000年1km分辨率的逐月归一化植被指数( NDVI) 从NOAA-AVHRR全球数据库获得; ND-VI 为近红外波段和红光段反射率之差除以两者之和, 是植被生长状态和植被覆盖度的最佳指示因子。

研究区内还有56个站点1991—2000年逐旬的土壤含水量( 饱和度) 数据, 来源于中国气象局。

采用Kriging方法对10、20、50cm深的表层土壤水饱和度进行空间插值, 求得小流域的平均值。

土地利用图来源于中国科学院[ 5], 根据土地利用可计算各小流域平均林地覆盖比例为13%, 草地和雨养耕地覆盖比例为78%。

黄土高原地区常见植被为刺槐、松油、柠条和苜蓿等。

研究区1982—2000年多年平均的降水量为331～824mm, 径流深度为8～150mm, 实际蒸散发量为299～674mm, 潜在蒸散发量为751～1219mm, NDVI 值为0. 11～0. 45。

2. 1 多年平均NDVI与降水量的关系NDVI 反映了植被覆盖状况, 与区域的水分状况密切相关。

通过分析51个小流域多年平均NDVI和多年平均降水量的关系, 发现NDVI 与降水量在空间上具有良好的正相关性, 相关系数R= 0. 74。

这反映了在黄土高原地区植被生长主要是受降水的控制。

将研究区的51个小流域按多年平均NDVI的大小, 分为个数大致相等的3组: 0. 11～0. 17, 0. 17～0. 32, 0. 32～0. 45。

由表1和图1可见, 区域降水西北少东南多, 植被覆盖也是西北部较稀疏, 东南部较密集; 通过土地利用资料比较发现, 3组流域对应的平均林地覆盖率也有显著差异,从东南到西北分别为35%、10%和3%, 森林比例逐渐降低。

表1 黄土高原地区多年平均NDVI及其对应的降水量黄土高原地区植被的生长季节主要是4～9月,该时段气温适宜, 降水集中, 利于植被的生长。

在研究区的51个小流域中, 生长季节的降水量约占年降水量的86%。

分析1982—2000年降水量和NDVI的空间关系, 发现生长季节平均降水量与生长季节平均NDVI 之间的关系( 图2) 比年降水量与年均。

反映了植被生长主要受生长季节降水量的影响, 降水量大的地区植被覆盖度更高。

不仅植被覆盖度大小受降水量影响, 覆盖度的年际变率也受其影响。

分析51个小流域年均NDVI的变差系数( Cv) 与生长季节平均降水量的关系, 发现存在较强的负相关性,相关系数R=-0. 72。

这表明生长季节的降水量对水量相对较多的地区, NDVI 的年际波动越小, 植被受气候波动影响的脆弱性也较低。

2. 2 NDVI与降水的年际变化对黄土高原51个小流域降水量和NDVI进行面积加权平均, 得到研究区逐年平均的降水量和NDVI 值。

分析降水量和年平均NDVI 及生长季节平均NDVI 的关系( 图3) , 发现降水和NDVI 的年际波动基本一致, 在降水量比较充沛的年份, 如1984年、1990年和1998年, 对应的NDVI 一般也较大; 但在个别年份植被生长对降水的响应略有滞后。

生长季节平均NDVI 相比年平均NDVI对降水的响应更为敏感。

3 NDVI与蒸散发的关系3. 1 NDVI与蒸散发量的相关分析蒸散发包括植被蒸腾、土壤蒸发以及冠层和地表对降水的截留蒸发等。

中国北方干旱半干旱地区年蒸散发量一般占到年降水量的80%。

植被的蒸腾及冠层截留蒸发是蒸散发的重要贡献者, 流域蒸散多年平均NDVI 与多年平均蒸散发量之间的关系,发现具有良好的正相关性, 相关系数R= 0. 79; 说明植被越多的地方, 蒸散发也越大, 反映了植被增多对增加蒸散发所做的贡献。

比较生长季节平均蒸散发量和生长季节平均NDVI 的关系( 图4) , 发现比年均蒸散发和年均NDVI 的正相关关系更显著, 相关系数R= 0. 88, 反映植被的蒸腾作用主要在生长季节。

实际蒸散发量与年均NDVI 之间的正相关关系说明, 当区域的植被覆盖增加时, 蒸散发量也将增加, 这与大多数森林水文实验的观测结果一致[ 2]。

利用20世纪90年代的土地利用资料, 分析表2中负相关的少数小流域的土地利用状况发现, 雨养耕地平均面积比例为46%, 高于其他小流域平均的耕地比例( 为37%) 。

所以, 这些流域中NDVI 与实际蒸散发的年际变化成负相关关系的原因可能与耕地比。

比较51个小流域多年平均的NDVI 与蒸发效率( E/ E0) 的关系( 图5) , 发现两者也存在较好的正相关关系, 相关系数R=0. 76。

说明植被覆盖多的地区, 蒸发效率也越高。

这一现象可以解释为, 在该地区由于年潜在蒸发量远大于年降水量, 植被指数NDVI 和实际蒸散发量均主要受降水的控制, 因此二者有显著的正相关性。

蒸发系数( E/ P) 反映了降水在蒸散发和径流间的分配比例, 蒸发系数越大, 表示有越多的降水通过土壤蒸发、植被蒸腾和冠层对降水截留蒸发等不可见的形式消耗, 而转化为径流的降水就越少。

分析发现NDVI 与蒸发系数( E/ P) 之间具有较明显的负相关性, 相关系数R= -0. 72( 图6) , 表明在黄土高原地区, 当降水增加时植被覆盖度增加, 流域的实际蒸散发量也增加, 但蒸发系数( E/ P) 却减小。

这一现象可解释为, 在这一地区当降水量增加时, 增加的降水量转化为径流的比例大于转化为蒸散发的比例。

多年平均土壤水饱和度在空间上存在正相关性, 相关系数R=0. 40; 说明在黄土高原地区, 土壤水含量低的区域, 其植被覆盖也低。

分析小流域内逐年NDVI 与逐年土壤水饱和度的关系, 发现大多数流域, 两者也存在较强的正相关性; 仅在少数流域( 7个小流域) , 两者呈微弱负相关。

在多数流域NDVI和土壤饱和度之间的正相关关系, 说明在该地区植被生长主要由土壤水分决定; 在少数流域中NDVI与土壤饱和度之间的负相关关系, 可能反映了在水分补给不足的情况下, 植被蒸腾和冠层截留等产生的蒸散发对土壤水分的消耗导致了土壤水分降低,其内在机理还有待进一步研究。

利用Chapman改进的数字滤波技术将流域出口断面的径流划分为地表和地下径流 [ 7]。

分析发现51个小流多年平均NDVI 与地下径流占总径流的比例成正相关关系, 相关系数R=0. 66。

由此可见,植被的覆盖状况与径流成分有一定的联系, 在黄土高原地区, 增加植被覆盖度, 将增加地下径流占总径流的比例。

这可能是由于植被对土壤状况的改良而导致更多的降水入渗土壤, 使得壤中流和地下径流增加, 地下径流是河流基流量的主要来源, 基流增加有利于水资源的开发利用。

5 讨论本文关于黄土高原地区植被指数和林地比例降水量及蒸散发量的关系的结论, 与前人研究成果具有一致性, 如莫兴国等 [ 8]和余卫东等 [ 9]指出黄土高原地区降水量、蒸散量、径流量和森林地带的空间分布有明显的由南向北递减特征。

本文未研究气温变化对植被生长的影响, 作者认为气温主要影响物候, 而植被覆盖度主要受降水量控制。

另外, 文中采用了水量平衡计算的实际蒸散发和Budyko水热耦合平衡方程计算的实际蒸散发, 两者的长期平均和逐年结果一致性良好, 在以前的研究中已经验证了Budyko 水热耦合平衡方程 [ 3]; 通过对比水量平衡结果和水热耦合平衡结果, 证明了大气与陆面之间的复杂耦合与反馈作用, 即当陆面植被增加导致蒸散发量增加时, 大气蒸发能力受陆面水热通量变化的影响而下降, 然后再影响到陆面蒸散发。

如表2所示, 当采用水量平衡计算的实际蒸散发时, NDVI与蒸散发量年际变化呈负相关或弱负相关的流域个数为16个; 当采用Budyko水热耦合平衡方法计算的实际蒸散发时, 呈负相关或弱负相关的流域个数为8个。

同时, 本文还针对植被覆盖度与径流成分进行分析，结果表明植被增加导致地下径流成分所占比例增加, 但也有研究认为, 水土保持将减少地下径流量。