流域蒸发对植被恢复响应的区域差异性研究

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在气候变化和人类活动的影响下,全球诸多地区植被覆盖度呈现增加趋势。植被恢复直接影响流域蒸发,进而影响其它的水循环过程,改变流域水资源的时空分配格局。因此,研究流域蒸发对植被恢复响应的区域分异规律,分析流域水热条件对这一分异现象的影响机理,成为流域水资源研究的重要问题,也是国际水文学研究的前沿。这一工作有助于提高植被恢复条件下流域水文过程的模拟精度,也能为植被恢复情况下流域水资源差异化管理提供理论依据和科学参考。  本文选取植被恢复显著的黄河中游地区(窟野河流域、泾河流域、渭河流域)和鄱阳湖地区(赣江上游、赣江下游和抚河流域)的6个流域为研究区,分析了研究区近30年(1982-2012)的水文气象和下垫面变化情况,通过构建反映植被变化情况的分布式水文模型HIMS-PML(Hydro-Informatic Modeling System with Penman-Monteith-Leuning),模拟了流域水循环各要素变化情况,探究了流域蒸发对植被恢复响应的区域差异性,同时对蒸发各组分的变化情况进行了分析,最后利用Budyko理论探究这一差异性的形成机理。主要结论如下:  (1)分析了近30年来各研究区水文气象特征及植被变化情况。近30年来,黄河中游地区降水呈现一定的下降趋势,气温呈现上升趋势,径流呈现显著的下降趋势;鄱阳湖地区气温呈现上升趋势,径流变化趋势不显著,降水在赣江流域呈现下降趋势,在抚河流域呈现上升趋势。近30年来,黄河中游地区主要植被覆盖为草地,鄱阳湖地区为林地,6个研究区土地利用的空间格局均未发生显著变化,植被指数NDVI(Normalized Difference Vegetation Index)均呈现上升趋势,表明随着气候变化和我国“退耕还林”政策的实施,研究区植被恢复明显。  (2)构建了反映植被变化信息的分布式水文模型HIMS-PML。HIMS-PML模型能够较好的模拟流域水循环的各要素。在黄河中游地区径流模拟的纳什效率系数NSE高于0.6,鄱阳湖地区径流模拟的NSE高于0.8,表明该模型能有效刻画研究区的径流变化情况。同时,模型模拟蒸发与通量站观测蒸发、水量平衡蒸发具有较高的一致性。  (3)揭示和分析了流域蒸发对植被变化响应的区域差异性。根据HIMS-PML模型对流域蒸发及其组分的模拟结果,发现黄河中游地区植被变化导致流域总蒸发上升,其中植被蒸发和冠层截留蒸发增加,土壤蒸发基本不变;鄱阳湖地区植被变化对流域总蒸发的影响不大,其中植被蒸发和冠层截留蒸发增加,土壤蒸发显著下降。表明不同气候区流域蒸发对于植被恢复的响应存在明显差异。  (4)探究了流域蒸发对植被变化响应的区域差异性机理。根据Budyko假设,在以鄱阳湖地区为代表的能量限制区,蒸发系数(ET/P)取决于流域可获取的能量,由于近30年该流域能量波动较小,因而蒸发系数基本不变;在以黄河中游地区为代表的水分限制区,蒸发量取决于可用于蒸发的水量,由于植被增加,流域储水能力增强,导致用于蒸发的水分增加,蒸发系数也随之增加。  本文揭示了流域蒸发对植被恢复响应的区域差异性,表明以黄河中游为代表的水分限制区,植被恢复导致流域总蒸发增加,进而减少流域水资源可利用量,而在以鄱阳湖地区为代表的能量限制区,植被恢复对流域总蒸发影响不明显,未明显影响流域水资源可利用量,这一结果对于植被恢复下流域水资源的差异性管理提供一定的指导意义。
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