探究水分循环在中国不同生态系统中的水消耗作用

《Journal of Hydrology》：Unraveling the role of moisture recycling in water consumption across different ecosystems in China

本研究提出Net Water Consumption（NWC）新指标，分析2001-2020年中国森林、草地、农田及裸地等生态系统的NWC，发现其与蒸发蒸腾量（ET）差异显著，揭示土地覆盖变化对NWC的影响，强调水分循环在水资源管理中的重要性。

　　水的消耗是水文学和水资源管理中的关键因素，尤其在中国这样面临显著水资源短缺和环境挑战的地区。传统上，人们主要依赖蒸散发（ET）来评估水的消耗情况。然而，这种评估方式未能充分考虑水分循环这一过程，即蒸发的水重新进入大气并再次降落在陆地上。水分循环在理解水的消耗中具有重要作用，因为它能够将部分蒸散发的水分重新带回陆地，从而增加水资源的可用性。为了弥补传统方法的不足，本研究引入了一种新的指标——净水分消耗（Net Water Consumption, NWC），该指标在水分循环框架内对实际水损失进行了更准确的评估。

本研究利用高分辨率的土地覆盖、蒸散发以及大气水分连接数据，对2001年至2020年间中国不同生态系统的净水分消耗进行了评估。结果显示，森林、草地、农田和裸地的年均净水分消耗分别为415亿立方米、876亿立方米、478亿立方米和69亿立方米，而净水分消耗比（NWC/ET）分别为46%、37%、57%和15%。值得注意的是，净水分消耗的空间和时间分布与传统的基于蒸散发的评估方法存在显著差异，这表明水分循环在理解水的消耗中具有不可忽视的作用。

在生态系统的背景下，土地覆盖变化对净水分消耗产生了深远影响。例如，森林的净水分消耗因植树造林而增加了4.26亿立方米/年，而草地和农田的净水分消耗则分别减少了3.54亿立方米/年和0.91亿立方米/年。这些变化凸显了净水分消耗在水资源管理中的重要性，同时也强调了在制定水资源政策时，必须综合考虑生态系统的水分循环机制，以实现可持续的水资源利用。通过提供一个全面的水消耗视角，本研究为应对气候变化和土地利用变化带来的水资源安全挑战提供了重要的参考依据。

中国地处东亚，濒临西太平洋沿岸，其地形复杂多样，从西向东呈现出三级阶梯式变化。考虑到地理位置、地形和气候特征（如温度和湿度条件）的差异，中国可以划分为三个主要的自然区域：东部季风区（占国土面积的46.8%）、青藏高原（占27.6%）以及西北干旱区。这种多样性的地形和气候条件，使得水分循环在不同区域的影响力各异，从而影响水的消耗模式。在这一背景下，净水分消耗的概念尤其具有现实意义，因为它能够更准确地反映不同生态系统对水的净消耗情况。

本研究引入了净水分消耗（NWC）这一指标，旨在解决传统方法在评估水消耗时的局限性。净水分消耗的计算方式是将通过降水返回区域的水量从总蒸散发中扣除，从而代表水离开区域的净损失。这一指标不仅考虑了水分循环的作用，还能够更全面地评估水的消耗情况。鉴于水分循环在不同空间尺度上的影响，其作用在更大的空间范围内更为显著，因此，净水分消耗对于评估中国这样广阔区域的水消耗情况尤为重要。

中国水资源的时空分布不均，这使得水资源的供需矛盾在不同地区尤为突出。因此，理解不同生态系统对水资源的实际消耗情况对于有效的水资源管理至关重要。特别是在最近几十年，中国实施了大规模的植树造林、草地恢复和农田调整等土地利用变化措施，这些变化迅速改变了土地利用和植被覆盖状况。这些变化对地表条件和水文过程产生了深远影响，进而对水资源的供应和管理产生了重大影响。

例如，黄土高原的大规模植树造林导致了径流的显著减少，接近了可用水资源的极限。而中国西北地区农田的扩展则导致了地表水储量的大量消耗。尽管这些土地覆盖变化的水文影响已被广泛研究，但水消耗的评估仍主要依赖于传统的蒸散发方法，这往往忽略了实际水消耗的完整情况。因此，有必要对不同生态系统中的净水分消耗进行深入研究，以评估土地覆盖变化的可持续性，并为水资源政策提供科学依据，以平衡生态保护与农业、工业和城市用水需求。

此外，中国为了实现碳中和目标，启动了大规模的植树造林计划，这使其成为世界上绿化速度最快的国家之一。这些土地覆盖变化预计会对水资源动态产生重大影响。因此，本研究通过利用高分辨率的土地利用/覆盖、蒸散发以及大气水分连接数据，引入了净水分消耗这一指标，旨在实现以下目标：（1）评估中国不同生态系统中的净水分消耗及其时空变化；（2）探究净水分消耗变化的驱动因素；（3）阐明净水分消耗相对于传统蒸散发方法所带来的新见解。通过这一研究，我们希望为中国水资源管理提供更全面的视角，从而指导更加可持续的土地和水资源管理策略的制定，以应对气候变化和土地利用变化带来的水资源安全挑战。

在生态系统的视角下，净水分消耗能够更准确地反映实际的水损失情况。相比之下，传统的蒸散发评估方法往往高估了水的消耗，因为它忽略了水分循环对水损失的缓解作用。水分循环不仅能够将部分蒸发的水分重新带回陆地，还能通过增加降水来补充水资源。因此，净水分消耗的引入，有助于更全面地理解不同生态系统对水资源的消耗，并为水资源管理提供更科学的依据。

在区域和季节变化方面，净水分消耗的模式与传统的蒸散发方法存在显著差异。例如，某些生态系统在特定季节或区域的净水分消耗可能高于或低于蒸散发，而这种差异往往源于水分循环的动态变化。因此，净水分消耗能够更准确地反映不同生态系统对水资源的净消耗，为水资源管理提供更现实的参考。同时，这种指标的引入也有助于理解不同土地覆盖变化对水资源的影响，从而为制定更有效的水资源管理策略提供支持。

净水分消耗的概念在水文学和水资源管理中具有重要意义。它不仅能够更准确地评估水的消耗情况，还能够反映水分循环对水资源的补充作用。通过将水分循环纳入评估框架，净水分消耗为理解水的消耗提供了新的视角，使水资源管理更加科学和有效。此外，净水分消耗的引入也有助于理解不同土地覆盖变化对水资源的影响，从而为制定更可持续的土地和水资源管理策略提供依据。

在这一研究中，净水分消耗的评估基于高分辨率的数据集，这些数据集涵盖了土地覆盖、蒸散发以及大气水分连接等方面。通过对这些数据的分析，我们能够更准确地评估不同生态系统对水资源的净消耗情况，并揭示其时空变化。这一方法不仅能够更全面地反映水的消耗，还能够为水资源管理提供更科学的依据，从而帮助制定更有效的政策。

净水分消耗的引入，不仅有助于解决传统方法在评估水消耗时的局限性，还能够为理解水分循环的作用提供新的视角。在不同生态系统中，水分循环的动态变化对水的消耗产生了重要影响。因此，净水分消耗的评估不仅能够反映实际的水损失，还能够为水资源管理提供更全面的信息。

此外，净水分消耗的评估还能够为理解不同土地覆盖变化对水资源的影响提供支持。例如，植树造林和草地恢复等措施可能增加蒸散发，但同时也会促进区域降水，从而补充水资源。这种双重效应使得传统基于蒸散发的水消耗评估方法难以准确反映实际的水资源消耗情况。因此，净水分消耗的引入，能够更全面地评估水的消耗，并为水资源管理提供更科学的依据。

综上所述，本研究通过引入净水分消耗这一指标，为理解中国不同生态系统对水资源的消耗提供了新的视角。这一指标不仅能够更准确地反映实际的水损失，还能够为水资源管理提供更科学的依据。通过将水分循环纳入评估框架，净水分消耗为水资源管理提供了更全面的信息，从而帮助制定更有效的政策。