自然生长与人工恢复对黄河流域植物生物量影响的差异

《Ecological Engineering》：Divergent impacts of natural growth and artificial restoration on plant biomass in the Yellow River Basin

植被变化对黄河流域生态系统生物质的影响分析，采用SWAT-PML模型模拟1998-2020年自然增长（NG）与人工恢复（AR）的贡献差异，发现NG使生物质增加10.3g C m-2（8.4%），AR贡献6.6g C m-2（5.0%），总植被变化贡献13.7%。区域分布显示NG主导北部和西北部（46.3%面积），AR集中在东南部及青藏高原边缘。不同生态系统响应差异显著：农田增幅最大（26.3%），森林（17.9%）和草地（12.5%）次之，沙漠生态系统增幅最低（3.8%）。

　　本研究探讨了植被变化（VC）在生态系统生物量波动中的关键作用，特别是自然生长（NG）和人工恢复（AR）两种过程对生物量的影响。研究团队采用了一种集成的生态水文模型，即SWAT-PML模型，该模型结合了土壤与水评估工具（SWAT）和Penman-Monteith-Leuning（PML）模型，以评估1998年至2020年间中国黄河流域（YRB）的生物量变化情况。研究结果表明，在过去的23年中，自然生长对生物量的提升贡献显著，导致生物量增加了10.3克碳每平方米（8.4%），而人工恢复的贡献则相对较小，仅为6.6克碳每平方米（5.0%）。总体而言，植被变化推动了生物量的13.7%增长，且在YRB的大部分地区（84.8%）对生物量的提升起到了积极作用。

自然生长主要影响黄河流域的北部和西北部地区，覆盖了流域总面积的46.3%。这些区域的气候较为干旱，因此自然植被的生长受到更多环境因素的限制。相比之下，人工恢复主导的生物量积累区域则位于黄河流域的东南部和西部，这些区域的生态环境更为适宜，能够更有效地支持人工植被的恢复和生长。研究还发现，不同生态系统类型对植被变化、自然生长和人工恢复的响应存在显著差异。其中，农田生态系统表现出最强的生物量增长，其次是森林和草地生态系统，而沙漠生态系统则受到的影响最小。这些发现表明，在整个黄河流域，自然生长在碳固存方面比人工恢复更为有效，尤其是在气候较为干旱的北部和西北部地区。然而，在黄河流域的东南部以及青藏高原边缘地区，人工恢复对于生态系统健康和生物量恢复起到了关键作用。

植被作为生态系统中的主要生产者，其生产力决定了能量和生物量的流动，从而影响其他生物的生存和繁衍。因此，植被生物量是生态系统总生物量的重要组成部分，它通常指植物材料的干重，可以分为地上生物量和地下生物量。植被生物量不仅是评估植物生长状况和碳固存潜力的关键指标，还为资源管理和生态治理提供了可靠的依据。在实际应用中，植被生物量的监测通常依赖于传统的地面测量方法和遥感技术。地面测量方法，如直接收割，需要对植被进行切割、干燥和称重，以估算其生物量。然而，这种方法往往需要大量的人力和时间，且受环境条件和地形的影响较大，因此不太适合大规模、长期的植被生物量评估。而遥感技术则能够覆盖更广泛的区域，提供更全面的数据，有效克服了地面测量方法的诸多限制。尽管如此，遥感技术主要适用于地上生物量的估算，对于地下生物量的监测仍然存在一定的局限性。因此，为了更全面地评估植被生物量，包括地上和地下部分，生态水文模型的应用显得尤为重要。这些模型不仅能够模拟和计算植被生物量的变化，还支持对植被动态如何影响总体生物量的深入研究。

近年来，黄河流域实施了多项植被恢复计划，例如“退耕还林还草”工程（GFGP），这些计划在区域生态环境改善方面取得了显著成效。这些措施不仅增加了植被覆盖度，还提升了植被生产力和生物量。然而，植被生物量的增加并非完全归因于人工恢复，自然生长同样起到了重要作用。尽管如此，关于自然生长如何单独驱动植被生物量的变化，仍然缺乏充分的时空数据支持。此外，人工恢复对植被生物量的影响程度和地理分布也需要进一步研究。因此，区分自然生长和人工恢复对植被生物量的具体影响，对于制定更有效的植被恢复策略、保护生物多样性、评估碳汇功能以及预测未来生态发展趋势具有重要意义。

为了实现这些目标，本研究采用了一个集成的生态水文模型SWAT-PML，该模型结合了SWAT和PML模型的优势，能够更准确地模拟植被生物量的变化。研究团队构建了三种不同的模拟情景，分别代表当前的植被状况、稳定的植被状态以及基于恢复前植被条件的模拟植被状况。通过这些情景的对比分析，研究能够更系统地评估自然生长和人工恢复对黄河流域生物量的差异化影响。研究的主要目标包括：（1）分析黄河流域不同模拟情景下的生物量年度变化；（2）评估植被变化（VC）、自然生长（NG）和人工恢复（AR）在黄河流域的时空效应；（3）探讨这三种因素对不同陆地生态系统中生物量的影响。

黄河流域位于北纬32°10′至39°05′，东经95°53′至119°05′之间，涵盖三个主要的地质地貌区域：青藏高原、黄土高原和华北平原。该区域的生态稳定性受到其有限的资源承载能力和环境完整性维持能力的制约。黄河流域面临诸多挑战，其中最紧迫的问题是水资源短缺、土地退化和气候变化等。这些因素对植被的生长和生物量的积累产生了深远的影响。因此，研究黄河流域植被变化的驱动机制，对于理解该区域的生态演变和制定相应的治理措施具有重要意义。

在研究过程中，研究团队通过SWAT-PML模型对黄河流域的生物量变化进行了详细的模拟和分析。模型能够模拟不同情景下的植被变化，并计算其对生物量的贡献。此外，模型还能够支持对植被动态如何影响总体生物量的深入研究。研究结果表明，自然生长在黄河流域的北部和西北部地区对生物量的提升贡献最大，而人工恢复则主要在东南部和西部地区发挥积极作用。这种空间分布的差异性反映了不同区域的生态环境特点和植被恢复的适宜性。在气候较为干旱的北部和西北部地区，自然生长的潜力较大，因此其对生物量的贡献也更为显著。而在气候较为湿润的东南部和西部地区，人工恢复的实施效果更为明显，这些区域的生态系统更容易受到人为干预的影响。

此外，研究还发现，不同生态系统类型对植被变化、自然生长和人工恢复的响应存在显著差异。其中，农田生态系统表现出最强的生物量增长，其次是森林和草地生态系统，而沙漠生态系统则受到的影响最小。这种差异性可能与不同生态系统类型的生产力、资源利用效率和环境适应能力有关。例如，农田生态系统通常受到人为管理的影响较大，因此其生物量的增长更容易受到农业活动的促进。而森林生态系统则具有较高的生产力和碳固存能力，因此其生物量的增长相对更为稳定。草地生态系统则受到气候变化和土地利用变化的影响较大，因此其生物量的增长可能存在一定的波动性。相比之下，沙漠生态系统由于其特殊的地理环境和有限的水资源，其生物量的增长受到的限制较多，因此对植被变化的响应较为有限。

本研究的发现对于黄河流域的生态治理和资源管理具有重要的指导意义。首先，自然生长在黄河流域的北部和西北部地区对生物量的提升贡献显著，因此在这些区域的生态保护和恢复策略中，应更加重视自然生态系统的自我调节能力。其次，人工恢复在黄河流域的东南部和西部地区发挥着重要作用，这些区域的生态系统更容易受到人为干预的影响，因此在这些地区的植被恢复工作中，应更加注重科学规划和有效实施。此外，不同生态系统类型的响应差异表明，在制定植被恢复策略时，应根据具体生态系统的特性，采取针对性的措施，以实现最佳的生态效益。

研究还指出，植被变化的驱动机制不仅包括自然生长和人工恢复，还受到气候变化、土地利用变化和其他环境因素的影响。因此，在评估植被变化对生物量的影响时，应综合考虑多种因素，以更全面地理解生态系统的动态变化。此外，研究结果表明，自然生长在碳固存方面比人工恢复更为有效，尤其是在气候较为干旱的地区。因此，在这些地区的生态保护工作中，应更加注重自然植被的恢复和保护，以提高碳固存能力。然而，在气候较为湿润的地区，人工恢复的实施效果更为显著，这些区域的生态系统更容易受到人为干预的影响，因此在这些地区的植被恢复工作中，应更加注重科学规划和有效实施。

本研究采用的SWAT-PML模型能够更准确地模拟植被变化对生物量的影响，为黄河流域的生态治理和资源管理提供了科学依据。模型的集成性使其能够同时考虑生态和水文因素，从而更全面地评估植被变化的驱动机制。此外，模型的应用还能够支持对不同植被恢复策略的比较分析，为政策制定者提供参考。研究结果表明，自然生长和人工恢复在黄河流域的生物量变化中都起到了重要作用，但其影响程度和地理分布存在显著差异。因此，在制定植被恢复策略时，应充分考虑这些差异性，以实现最佳的生态效益。

总的来说，本研究揭示了黄河流域植被变化的复杂性，以及自然生长和人工恢复在不同区域和生态系统类型中的不同作用。这些发现不仅有助于理解黄河流域的生态演变过程，还为未来的生态治理和资源管理提供了科学支持。研究结果表明，自然生长在黄河流域的北部和西北部地区对生物量的提升贡献最大，而人工恢复则主要在东南部和西部地区发挥积极作用。这种空间分布的差异性反映了不同区域的生态环境特点和植被恢复的适宜性。此外，不同生态系统类型的响应差异表明，在制定植被恢复策略时，应根据具体生态系统的特性，采取针对性的措施，以实现最佳的生态效益。因此，本研究的成果对于黄河流域的生态保护和可持续发展具有重要的现实意义。