基于生态水文模型的社会-自然系统水资源适配性综合评价框架及其在黄土高原植被恢复中的应用

《Agricultural Water Management》：An integrated evaluation framework for assessing water suitability in socio-natural systems based on ecohydrological modeling

本研究针对黄土高原植被恢复中水资源消耗增加与可持续管理的矛盾，构建了基于RHESSys模型的社会-自然系统水资源适配性综合评价框架。通过量化自然侧（Mn）、社会侧（Ms）和社会-自然耦合侧（Msn）三维度适配性，揭示草地（Msn=1.75）比林地（1.63）更具水资源优势，社会经济因子对适配性存在显著负效应（路径系数-0.56~-0.98）。研究成果为半干旱区生态恢复与水资源协同管理提供科学依据。

　　

在全球土壤侵蚀和水资源短缺最严重的区域之一——中国黄土高原，大规模的植被恢复工程如退耕还林（Grain-for-Green Program, GfGP）虽有效控制了水土流失，却引发了新的生态忧虑：绿色植被的蓬勃生长是否会过度消耗有限的水资源？这种"绿色悖论"成为制约区域可持续发展的核心矛盾。尽管前人研究分别从自然系统（如气象干旱指数SPEI、Palmer干旱指数PDSI）或社会系统（如水短缺指数WSI、水供需比WSDR）角度提出过评估指标，但往往忽视了两个关键问题：植被真正可利用的水分仅限于根系层土壤水分，而非全部降水；且现有评估体系多孤立看待自然或社会维度，难以捕捉水资源供需关系的复杂性。正是在这样的背景下，一项发表于《Agricultural Water Management》的研究，通过创新构建社会-自然系统水资源适配性综合评价框架，为破解这一难题提供了科学方案。

研究团队以黄土高原典型植被恢复区——三川河流域（Sanchuan River Watershed, SRW）为研究对象，依托具有物理机制的分布式生态水文模型RHESSys（Regional Hydro-Ecological Simulation System），首次实现了对水资源适配性的三维度量化评估：自然侧适配性（M_n）反映植被水分供需匹配度，社会侧适配性（M_s）表征人类用水供需平衡，而社会-自然耦合适配性（M_sn）则综合体现系统整体协调性。研究通过耦合模型模拟、空间统计分析和机制解析（包括相关分析、地理探测器和结构方程模型），系统揭示了1990-2020年间流域水资源适配性的时空演变规律及驱动机制。

关键技术方法主要包括：1）采用RHESSys生态水文模型模拟流域水文过程（包括土壤水分、蒸散、径流等），模型率定与验证基于水文站径流数据及MODIS蒸散产品；2）构建自然侧水分供给（VWS）与需求（VWD）算法，其中需求计算引入土壤水分修正系数K_s；3）建立社会侧水分供给（W_s）与需求（W_d）量化框架，数据源于地方水资源公报；4）运用地理探测器解析环境因子解释力，并通过结构方程模型（SEM）量化多因子作用路径。

研究结果展现出丰富的科学发现：

4.1. 社会与自然侧水资源供需特征

空间上，自然侧水分供给（VWS）高值集中于流域中西部（0.03-596.84 mm），而需求（VWD）在植被密集的东南部最高（达1290.07 mm），导致东南部M_n低至0.46。社会侧水分供需受行政边界影响显著，人类活动密集的中部地区M_s较低（0.70-1.00）。时间序列上，自然侧供需差距在2000年GfGP实施后逐渐缩小，M_n呈持续上升趋势并稳定于0.8以上；社会侧需水量总体上升，但M_s波动较小，显示社会系统具备更强调控能力。

4.2. 社会-自然水资源适配性时空特征

流域M_sn空间分布不均（0.8-2.0），北部和西部适配性较高，而东南部较低。时间上，1999年后M_sn由下降趋势（-0.033 a^-1）转为缓慢上升（0.012 a^-1），表明生态政策与水资源管理措施初见成效。不同土地利用类型中，草地表现出最优的水资源适配性（M_sn=1.75），高于灌木（1.70）和林地（1.63），印证了草地在水资源约束下的生态适应性。

4.3. 影响因子分析

地理探测器显示社会经济因子（GDP）对M_n、M_s和M_sn均具最强解释力。结构方程模型进一步揭示：社会经济因子对三类适配性均产生直接负效应（路径系数分别为-0.56、-0.97、-0.98）；植被因子虽对M_n有直接负效应（-0.90），但通过调节社会与气候系统产生显著正间接效应（0.58）；气象因子作用较弱，多通过间接途径影响适配性。

研究结论强调，黄土高原植被恢复应遵循"以水定绿"原则。草地因其较低蒸散耗水和较强水分调节能力，是半干旱区更可持续的植被类型；而林地与灌木需通过选择耐旱物种、降低密度或适时疏伐来缓解水资源压力。社会经济因子作为关键负驱动因子，提示需协调经济发展与水资源保护关系。该研究提出的综合评价框架不仅为黄土高原，也为全球类似生态脆弱区的水资源管理与生态恢复提供了可推广的理论和方法支撑。