揭示植物的适应性：为什么石灰岩在水资源供应能力上优于白云石

《Journal of Hydrology: Regional Studies》：Unveiling plant adaptations: How limestone outperforms dolomite in water supply capacity

本研究通过融合随机森林与卡尔曼滤波算法，重建了1960-2023年呼伦湖流域总陆地水储量（TWS）和地下水储量（GWS）时间序列，揭示了气候变暖与干旱化背景下TWS的非线性响应机制。研究发现流域经历了冷干（1972-1981）、冷湿（1981-1990）、暖干（1990-2007）和暖湿（2007-2021）四个阶段，其中GWS对气候变化的敏感性最高，而土地利用变化（如森林和裸地面积变化）显著影响了不同子流域的水资源恢复能力。研究证实降水是TWS变化的主要驱动因素，而温度通过影响蒸散发加剧了水资源压力，为区域水安全管理和气候变化适应提供了科学依据。

　　该研究围绕横跨中国和蒙古的呼伦湖流域（Hulun Lake Basin, HLB）展开，聚焦于长期陆地水资源储量（Terrestrial Water Storage, TWS）及其组成部分——地表水储量（Surface Water Storage, SWS）、土壤水分储量（Soil Moisture Storage, SMS）和地下水储量（Groundwater Storage, GWS）的变化趋势，旨在深入理解气候变化与土地利用变化对流域水循环的复杂影响。HLB面积约为218,000平方公里，位于中国北方和蒙古交界处，属于干旱与半干旱地区，其水资源管理面临诸多挑战，尤其是在数据稀缺和气候敏感的背景下。为了应对这一挑战，研究团队采用了一种融合模型，结合了随机森林（Random Forest, RF）与卡尔曼滤波（Kalman Filter, KF）算法，以重建1960年至2023年间的TWS与GWS时间序列，并进一步分析其非线性响应机制。

### 研究背景与意义

陆地水资源储量是评估区域水资源状况的关键指标，广泛应用于水资源管理、水文过程分析以及生态系统安全评估等领域。然而，随着全球气候变化的加剧，特别是干旱和半干旱地区的水资源日益紧张，极端气候事件的频率显著增加，对区域水文过程产生非线性影响。这些变化不仅加剧了水资源风险，还对下游湖泊的可持续性构成威胁。因此，定量分析气候变化对区域TWS的非线性影响，成为保障区域水资源安全的重要任务。

在数据获取方面，传统模型受限于其参数复杂性与对极端条件的模拟能力不足，且难以准确反映地下水储量这一关键组成部分。另一方面，基于观测数据的方法，如地表监测，受限于气象与水文站点的分布不均，常常存在数据缺失问题。而GRACE卫星任务虽然提供了高时空分辨率的TWS观测数据，但其观测记录仅覆盖了约20年，难以满足气候变化长期影响评估的需求。因此，研究团队采用多源数据融合方法，通过结合模型数据与观测数据，弥补了时间跨度与空间分辨率的不足，为研究提供了更全面的视角。

### 方法与数据融合

研究首先利用多源数据，包括气候数据（如降水、温度和蒸散发）以及水文数据（如地表水、土壤水分和地下水），构建了一个长期且一致的TWS数据集。为了提高数据的准确性，研究采用了贝叶斯线性融合算法，该算法能够动态调整不同数据源的权重，以减少误差并提高一致性。此外，研究还结合了机器学习和状态空间模型，通过随机森林算法捕捉降水、气温等气候因素与地下水储量之间的复杂非线性关系，而卡尔曼滤波则用于建模时间演变过程，通过递归更新不断优化预测结果。

为了进一步增强地下水储量的重建精度，研究引入了波浪方程（Water Balance Equation）作为物理约束条件，通过整合GRACE卫星数据（2002-2023）与气候和水文数据，推导出地下水储量的变化趋势。同时，为了将地下水储量时间序列延长至1960年，研究还采用了一种基于机器学习与卡尔曼滤波的混合算法，以捕捉地下水系统的长期动态变化。

### 结果分析

研究结果显示，HLB的TWS变化可划分为四个主要阶段：冷干期（1972-1981）、冷湿期（1981-1990）、暖干期（1990-2007）和暖湿期（2007-2021）。这些阶段的划分基于气候变化的周期性特征，以及水文变量对气候的响应。研究还发现，降水是TWS变化的主要驱动因素，其对地下水储量的弹性最高，而蒸发和温度则对TWS的降低起到关键作用。特别是在暖干阶段，降水持续低于蒸发需求，导致整体水资源短缺，并伴随气温以每年0.04°C的速度上升，这一升温速率高于全球平均水平。

此外，研究指出，地下水储量在TWS变化中起到了关键的调节作用。尽管地表水和土壤水分的波动性较高，但地下水储量的变化趋势相对稳定，能够在极端气候条件下起到缓冲作用。然而，地下水储量对气候变化的响应具有非线性特征，特别是在干旱加剧的情况下，其变化幅度较大。同时，研究发现，土地覆盖变化对TWS的影响存在显著的空间异质性。例如，在2005年至2020年期间，乌尔逊河流域的荒漠化区域出现了显著的TWS增加，而克鲁伦河流域则表现出有限的恢复，这反映了不同子流域土地覆盖变化对水文响应的差异。

### 气候与水文的非线性关系

研究进一步探讨了气候变化对TWS及其组成部分的非线性影响。通过弹性分析，研究发现降水对TWS的正向作用最强，特别是在暖湿阶段，降水的增加显著促进了地下水和土壤水分的补给，从而推动TWS的整体上升。相比之下，蒸发的负面影响在暖干阶段尤为突出，导致TWS快速下降。温度的变化则对水文过程产生了双重影响：在暖干阶段，温度升高加速了水体的蒸发，加剧了水资源的短缺；而在暖湿阶段，温度下降则有助于减少蒸发损失，促进TWS的恢复。

研究还通过波浪分析（Wavelet Analysis）揭示了TWS变化的周期性特征。结果显示，TWS的变化具有主要周期约为29年的波动，同时存在次级周期，如9年和14年。这种多尺度的周期性变化，表明TWS对气候变化的响应并非单一的线性关系，而是呈现出复杂的非线性特征。研究进一步指出，不同TWS组成部分对气候的响应阈值不同。例如，地下水储量对降水的敏感度最高，且在较低的降水阈值下即可发生显著变化；而地表水储量则需要更高的降水和较低的蒸发条件才能实现有效补给。

### 土地覆盖对TWS的影响

土地覆盖变化对TWS的影响在不同子流域表现各异。研究发现，森林覆盖虽然在HLB中占比不高，但其对TWS的贡献相对稳定，能够在一定程度上缓冲水文变化。相比之下，荒漠化和灌木林地则对TWS变化更为敏感。在1990年至2005年期间，HLB整体经历了显著的TWS下降，主要原因是降水减少导致土壤水分储量下降，而森林覆盖率的稳定未显著改善这一趋势。然而，在2005年至2020年期间，随着荒漠化区域的扩张，TWS在乌尔逊河流域出现了显著恢复，而克鲁伦河流域的TWS恢复则较为有限，反映出土地覆盖变化对水文响应的异质性。

此外，研究指出，荒漠化区域的低蒸散发特性使其在降水增加时能够更有效地促进地下水补给，从而改善TWS。这表明，土地覆盖类型对水文过程的影响具有显著的区域差异。在某些地区，荒漠化可能在一定程度上缓解了水资源压力，而在其他地区，如灌木林地，土地覆盖变化可能导致水资源进一步恶化。

### 人类活动的影响

研究还探讨了人类活动对水资源变化的潜在影响。通过分析夜间灯光（Nighttime Light, NTL）数据，研究发现，随着人类活动的增加，特别是城市扩张和农业开发，土壤水分和地表水储量呈现出下降趋势。NTL与土壤水分和地表水储量之间的显著负相关关系，表明人类活动可能加剧了水文系统的压力。然而，NTL与地下水储量之间的相关性较弱，这可能是因为地下水储量具有更强的缓冲能力，其对地表活动的响应相对滞后。

此外，研究还指出，跨流域引水工程（如呼伦湖恢复项目）在2005年之后显著促进了地下水储量的恢复，这表明人类干预在某些情况下可以缓解气候变化对水资源的不利影响。然而，由于缺乏长期的人类活动数据，研究未能完全量化这些干预措施的具体影响，未来研究需要进一步整合这类信息。

### 研究意义与局限性

该研究的成果为呼伦湖流域的水资源管理和气候变化适应提供了重要的科学依据。通过构建长期、高分辨率的TWS数据集，研究揭示了气候变化对水文过程的非线性响应机制，有助于制定更精准的水资源调控策略。同时，研究还发现，地下水储量是TWS变化的关键驱动力，这为未来研究提供了新的视角，特别是在气候变化与水资源安全的关联性方面。

然而，研究也存在一定的局限性。首先，多源数据融合过程中仍存在不确定性，尤其是在历史数据缺失的情况下，可能影响长期趋势的准确性。其次，由于缺乏详细的人类活动数据，研究未能全面评估地下水开采、土地管理等人为因素对水资源变化的具体影响。最后，尽管随机森林与卡尔曼滤波的混合模型在一定程度上提高了TWS重建的准确性，但其对某些非线性过程的模拟可能仍存在简化，未来研究可以考虑引入更复杂的模型以提高预测能力。

### 结论

总体而言，该研究通过多源数据融合方法，成功重建了呼伦湖流域1960年至2023年的TWS和GWS时间序列，揭示了气候变化与土地覆盖变化对水文过程的非线性影响。研究发现，降水是TWS变化的主要驱动因素，而蒸发和温度则在特定阶段对水资源造成显著压力。此外，地下水储量在维持水文平衡方面发挥了关键作用，特别是在极端气候条件下。土地覆盖变化对TWS的影响存在显著的空间异质性，荒漠化区域的扩张在某些情况下可能促进水资源的恢复，而灌木林地和森林则表现出较强的稳定性。

研究的结论对于制定适应气候变化的水资源管理政策具有重要意义。例如，政策制定者可以利用TWS的阶段性变化特征，设计更具针对性的水资源调配策略。同时，研究还强调了土地覆盖变化与水文响应之间的复杂关系，为生态保护和土地利用规划提供了科学依据。未来研究可以进一步探索人类活动对水资源变化的长期影响，并尝试将该方法应用于其他干旱和半干旱流域，以提升模型的适用性和推广价值。