陆地水储量的减少限制了中国黄土高原地区由于植树造林而导致的木本植物结构的增加

《Journal of Environmental Management》：Decreasing terrestrial water storage limited the increase of woody plant structure resulting from afforestation in the Loess Plateau, China

黄土高原植被叶面积指数（LAI）与陆地水储量异常（TWSA）时空演变及耦合机制研究。利用2000-2022年遥感数据，发现LAI增长趋势放缓，木本植物NDVI>0.35区域占比从47.79%降至11.63%，TWSA显著下降影响86%区域，LAI-TWSA反馈关系从正转负，揭示水分胁迫对木本植物生长的约束效应，草本植物因结构稳定维持生长。

　　在人类活动与自然环境相互作用日益加剧的背景下，生态恢复和水资源管理成为全球关注的重要议题。中国黄土高原作为一个典型的生态脆弱区域，长期以来面临着水资源短缺、土壤侵蚀以及植被退化等问题。为了应对这些挑战，政府和科研机构在过去几十年中实施了大规模的植树造林项目，以提高区域的植被覆盖率和生态系统的稳定性。然而，随着这些项目的持续推进，生态系统的响应机制变得愈加复杂，特别是在植被结构变化与水资源储存之间的关系方面，研究仍存在诸多空白。因此，本文以黄土高原为研究对象，利用遥感数据对植被冠层结构参数（如叶面积指数，LAI）的空间-时间变化进行分析，同时探讨地表水储量异常（TWSA）的变化趋势及其与植被之间的相互作用机制，为生态恢复与水资源管理提供科学依据。

黄土高原位于中国黄河流域中游，地理范围大致为北纬33°43′至41°16′，东经100°54′至114°33′，总面积约为64万平方公里。该地区具有典型的内陆干旱与半干旱气候特征，降水分布不均，季节性变化显著，年均气温约为7℃，从东南向西北逐渐降低。黄土高原的土壤质地较为疏松，保水能力差，加上降水稀少，使得植被生长受到严重限制。尽管近年来通过大规模植树造林项目，区域植被覆盖率有所提升，但植被的生长速度仍然缓慢，甚至出现停滞现象，形成了“小老树”的特殊形态。这种现象不仅反映了植被生长的困难，也揭示了植被结构变化与水资源供需之间的密切关系。

植被结构的变化对区域水循环具有深远影响。植被冠层的形态、密度以及叶面积指数（LAI）等参数，决定了植被对水的消耗能力以及对降水的拦截作用。LAI是衡量植被冠层密度的重要指标，它反映了单位地表面积上植物叶片的总面积，通常用于评估植被的生长状况和对水循环的影响。然而，LAI与NDVI（归一化植被指数）之间存在一定的差异。NDVI主要反映植被的绿色度和覆盖度，而LAI则更直接地与植被的冠层结构相关，能够更准确地体现植被对水的消耗情况。因此，在研究植被对水循环的影响时，仅依赖NDVI可能无法全面揭示植被结构变化对水资源的调控作用。本文通过引入LAI作为关键参数，结合遥感技术，探讨植被结构变化与地表水储量之间的相互作用机制。

TWSA（地表水储量异常）是通过遥感卫星数据获取的一种反映土地干湿状况的指标，它在不同水文和气候区域之间具有空间可比性。GRACE卫星数据通过校准水文模型，为TWSA的估算提供了新的方法。TWSA的变化不仅受到降水、蒸发和地下水补给等因素的影响，还与植被的生长和结构变化密切相关。植被的增加会提高地表蒸散发，从而减少土壤水分和地表径流，导致TWSA下降。然而，当植被覆盖率达到一定水平后，其对水的消耗可能趋于稳定，甚至出现负反馈效应，即植被的进一步增长会受到水分供应的限制，从而减缓其生长速度。这种负反馈机制在黄土高原的植被恢复过程中表现得尤为明显，特别是在树木等木质植被类型中，其生长速度明显减缓，而草本植物则保持相对稳定的增长态势。

研究发现，在2000年至2022年间，黄土高原的LAI增长趋势逐渐放缓，显著增长区域的比例从47.79%下降至11.63%。与此同时，TWSA表现出明显的下降趋势，影响范围覆盖约86%的高原区域，且在2011年后下降速率有所减缓。这一现象表明，随着植被恢复的推进，植被对水资源的需求不断增加，导致地表水储量的持续减少。然而，由于植被的进一步增长受到水分供应的限制，其对TWSA的影响逐渐减弱，从而形成了一个动态平衡的过程。在这一过程中，木质植被与草本植被表现出不同的响应机制。木质植被的LAI增长趋势由上升转为下降，而草本植被的LAI增长速率则逐渐减缓，但并未出现明显的负反馈效应。这种差异可能与植被类型的不同生理特性有关，例如木质植被的根系更深，能够获取更多的地下水资源，而草本植被则更依赖于地表水分。

LAI与TWSA之间的关系在植被恢复过程中呈现出明显的动态变化。在植被恢复初期，随着LAI的增加，植被对水的消耗能力也随之增强，导致TWSA下降。然而，当植被覆盖率达到一定阈值后，LAI的增长可能受到水分供应的限制，从而形成负反馈机制。这种负反馈机制在木质植被中尤为显著，表明植被的进一步增长将受到水资源短缺的制约。相反，草本植被则在LAI增长过程中表现出较强的适应能力，其对水分的需求相对较低，能够在有限的水资源条件下维持较高的生长速率。因此，LAI与TWSA之间的相互作用机制不仅取决于植被的类型，还受到区域水文条件和气候特征的影响。

在黄土高原的植被恢复过程中，植被结构的变化对区域水循环产生了重要影响。一方面，植被冠层的增加会增强蒸散发，从而减少土壤水分和地表径流，导致地表水储量的下降。另一方面，植被的结构变化可能会影响区域的气候系统，例如通过改变地表反照率和粗糙度，影响大气循环模式，进而导致降水分布的变化。这种复杂的相互作用机制表明，植被恢复不仅是改善生态环境的手段，同时也可能对区域水循环产生深远影响。因此，在制定生态恢复政策时，需要充分考虑植被结构变化对水资源供需的影响，以实现生态与水资源的协调发展。

为了更全面地理解植被结构变化与水资源之间的相互作用，本文采用了多种遥感数据进行分析。LAI数据通过MODIS遥感卫星获取，并结合辐射传输模型和角度效应进行反演。这种方法能够更准确地反映植被冠层的密度和结构特征，而不仅仅是绿色度。同时，TWSA数据则通过GRACE卫星数据进行校准，以评估区域水储量的变化趋势。通过对LAI和TWSA的时空变化进行分析，本文揭示了植被结构变化对水资源的调控作用，以及水资源短缺对植被生长的制约效应。

研究结果表明，黄土高原的植被恢复虽然在一定程度上改善了区域的生态环境，但同时也对水资源的供需平衡带来了挑战。在植被恢复初期，由于植被覆盖率的提高，地表水储量的下降速度较快，这可能导致区域水资源的进一步紧张。然而，随着植被恢复的深入，植被对水的消耗能力逐渐趋于稳定，地表水储量的下降速率也随之减缓。这一现象表明，植被恢复与水资源管理之间存在复杂的相互作用关系，需要在政策制定和实施过程中进行综合考虑。

此外，本文还探讨了植被结构变化对区域水循环的具体影响。例如，植被冠层的增加会改变地表水的蒸发和截留过程，从而影响区域的水循环模式。这种变化不仅会影响地表水的分布，还可能对地下水补给产生间接影响。因此，在进行生态恢复项目时，需要充分评估植被结构变化对水资源供需的潜在影响，以确保生态恢复的可持续性。

为了更好地理解植被结构变化与水资源之间的相互作用，本文采用了多种分析方法，包括趋势分析、空间异质性分析以及相互作用机制的探讨。这些方法不仅能够揭示植被恢复过程中LAI和TWSA的变化趋势，还能够分析其背后的影响因素，如降水、温度、土壤水分等。通过对这些因素的综合分析，本文为黄土高原的生态恢复和水资源管理提供了科学依据。

在当前全球气候变化和人类活动加剧的背景下，黄土高原的生态恢复和水资源管理显得尤为重要。一方面，黄土高原的生态环境脆弱，水资源短缺问题突出，需要通过科学的生态恢复措施来改善区域的生态状况。另一方面，生态恢复过程中的植被结构变化可能对水资源供需产生深远影响，因此需要在政策制定和实施过程中充分考虑这一因素。本文的研究结果表明，植被恢复虽然能够提高区域的植被覆盖率，但同时也可能加剧水资源的紧张状况，特别是在植被生长受到水分供应限制的区域。

综上所述，本文通过对黄土高原植被结构变化与地表水储量异常之间的相互作用机制进行深入研究，揭示了植被恢复过程中水资源供需的变化趋势。研究结果表明，植被结构的变化对区域水循环具有重要影响，特别是在植被恢复初期，其对水资源的消耗能力较强，可能导致地表水储量的快速下降。然而，随着植被恢复的深入，植被对水的消耗能力逐渐趋于稳定，地表水储量的下降速率也随之减缓。这一现象表明，植被恢复与水资源管理之间存在复杂的相互作用关系，需要在政策制定和实施过程中进行综合考虑。未来的研究可以进一步探讨不同植被类型对水资源的响应机制，以及气候变化对植被恢复和水资源供需的潜在影响，以期为区域生态恢复和水资源管理提供更加科学的指导。