植被恢复对黄土高原水流特性的影响

《Journal of the Indian Chemical Society》：Revegetation impacts on the flow characteristics in the Loess Plateau

植被恢复对黄土高原水文特性的影响研究。基于85个流域的长期观测数据，分析发现植被恢复显著改变了地表径流与基流特征，表现为流持续时间曲线形状参数（κ）整体增大，消退系数非线性（β）空间异质性增强。数值模拟表明，土壤含水率垂直分异增强导致浅层蓄水增加，可能引发饱和超渗流机制，这解释了部分流域β值下降的现象。研究结果为半干旱区生态修复的水资源管理提供理论支撑。

　　在黄土高原这一典型的干旱/半干旱地区，近年来实施了大规模的植被恢复工程，如“退耕还林还草”计划（Grain for Green Program, GFGP）。这一计划自1999年启动以来，显著提高了区域的植被覆盖率，从最初的31.6%提升至2013年的约60%，并在2021年进一步达到65%。植被恢复不仅改善了土壤的水文功能，还对当地的水循环产生了深远影响。然而，其对水文过程的具体影响因地区而异，尤其在快速径流（fast flow）方面表现得尤为复杂。因此，本研究通过分析黄土高原85个流域的流特性参数，包括基流指数（Baseflow Index, BFI）、总流量持续曲线（Total Flow Duration Curve, TFDC）、快速流量持续曲线（Fast Flow Duration Curve, FFDC）和慢速流量持续曲线（Slow Flow Duration Curve, SFDC），以及退水曲线（recession curves）的时空变化，探讨了植被恢复对水文过程的调控作用。

研究发现，植被恢复前，基流指数（BFI）与TFDC、FFDC和SFDC的形状参数（κ）和尺度参数（θ）之间存在显著相关性。然而，在植被恢复之后，BFI对快速流量持续曲线（FFDC）的影响几乎消失，这表明快速径流的形成机制发生了明显变化。进一步的退水曲线分析表明，植被恢复后，地下水补给的稳定性有所提高，但退水曲线的非线性特征却表现出复杂的演变趋势。这一现象可能与植被引起的土壤水力性质垂直异质性增加有关。在降雨过程中，土壤的高渗透性（特别是表层土壤）有助于雨水的快速入渗，形成浅层蓄水，进而引发饱和过量径流（saturation excess runoff）这一新的径流生成机制。这种机制的出现可能解释了退水曲线非线性变化的部分原因。

在具体流域中，如Shejiagou（SJG）流域，研究通过数值模拟分析了植被恢复对径流过程的影响。该流域位于陕西省志丹县，面积为4.26平方公里，是渭河支流的一个重要组成部分。SJG流域的地貌特征包括复杂的沟壑网络和较大的地形坡度，这些因素导致了严重的水土流失。研究采用了基于物理原理的分布式水文模型（Integrated Hydrological Model, InHM）进行模拟，考虑了不同降雨强度、前序土壤饱和度以及植被覆盖率的组合情景。模拟结果显示，植被恢复显著提高了表层土壤的饱和导水率（Ks），这种变化可能促进了饱和过量径流的形成，从而改变了退水曲线的非线性特征。

研究还发现，植被恢复后，快速流量持续曲线（FFDC）的形状参数（κ）和尺度参数（θ）的变化趋势与植被覆盖率的变化密切相关。总体来看，FFDC的κ值在植被恢复后显著增加，而θ值则相应减少，表明快速径流的分布范围发生了变化。此外，SFDC的κ值表现出较大的空间异质性，这可能与土壤水力性质的垂直分层有关。在一些流域中，由于植被覆盖的增加，表层土壤的渗透性提高，地下水补给的稳定性增强，这导致退水曲线的非线性特征（β值）出现变化。然而，β值的变化并非统一，部分流域甚至表现出β值的下降趋势，这与土壤垂直异质性的增强以及径流生成机制的转变有关。

从区域尺度来看，植被恢复对水文过程的影响呈现出一定的空间格局。例如，沿渭河、泾河和北侧河流（如窟野河）的流域中，κ值的变化幅度较大，而沿无定河的流域则表现出最大的β值下降。这些变化可能与不同流域的土壤结构、地形特征以及植被类型差异有关。研究还发现，β值的变化与NDVI（归一化植被指数）的空间异质性密切相关。在NDVI变化较小的流域中，β值的变化更为显著，这可能是因为植被恢复导致了土壤水力性质的垂直分层，从而改变了地下水与地表径流之间的相互作用。

进一步的数值模拟表明，表层土壤导水率（Ks）的增加可能会导致饱和过量径流的出现，从而影响退水曲线的非线性特征。模拟结果显示，在 infiltration excess 运行机制下，β值随着Ks的增加而上升；而在 saturation excess 运行机制下，β值则随着Ks的增加而下降。这种变化趋势可能解释了部分流域中β值下降的现象。此外，植被恢复还可能通过改变土壤的渗透性和储水能力，影响地表径流的生成路径，从而对整体水文响应产生深远影响。

研究结果表明，植被恢复对黄土高原水文过程的影响是复杂且多维的。一方面，植被覆盖的增加有助于提高地下水补给的稳定性，改善基流指数（BFI）和总流量的分布；另一方面，它也可能通过改变土壤的垂直异质性，影响快速径流和慢速径流的形成机制，从而导致退水曲线非线性特征的变化。这些变化不仅反映了植被恢复对水文过程的直接调控作用，也揭示了生态修复活动对区域水循环的间接影响。

此外，研究还发现，植被恢复对水文过程的影响存在一定的滞后效应。由于水文响应的复杂性，植被恢复的短期效应可能不明显，而其长期影响则需要更长时间的观测和分析。因此，未来的研究应结合更多的实地测量数据，进一步验证植被恢复对水文过程的调控机制，并探索不同植被类型和土地利用方式对水文响应的差异。同时，考虑到气候变化对水文过程的潜在影响，研究还应关注气候变化与植被恢复之间的相互作用，以更全面地理解区域水循环的变化趋势。

总体而言，植被恢复对黄土高原水文过程的影响是深远的，它不仅改变了土壤的水力性质，还可能通过改变径流生成机制，影响退水曲线的非线性特征。研究结果为干旱/半干旱地区的植被恢复对水文过程的调控作用提供了新的视角，并为可持续水资源管理提供了科学依据。未来的研究应进一步拓展至更广泛的流域范围，结合多源数据和更精细的模型分析，以更准确地评估植被恢复对水文过程的长期影响。