湿润喀斯特区植被恢复对土壤水分与地下水的削减效应及对产水量的稳定性维持机制

本文系统评估了中国西南喀斯特地区1982–2018年间大规模生态恢复工程（ERPs）实施背景下植被绿化与气候变化对水文过程的影响。研究发现，尽管绿化显著提高了蒸散发（ET，+2.08–2.67 mm yr?1）并降低了陆地水储量（TWS，?2.19–2.96 mm yr?1），但产水量（Water Yield）保持稳定；干旱年份中植被恢复导致土壤水分与地下水消耗加剧。研究强调未来生态工程需统筹碳汇增益与水资源可持续性间的平衡。

　　

引言

在全球CO₂浓度持续升高和地表绿化趋势显著的背景下，生态恢复工程（ERPs）成为缓解生态退化的重要手段。中国西南喀斯特地区作为全球最大的连续喀斯特分布区之一，自1980年代中期起实施大规模ERPs，植被覆盖率显著提升。然而，该区域水文过程对植被恢复与气候变化的响应机制尚不明确，尤其是水资源可持续性面临潜在挑战。本研究通过长期观测与模型模拟，系统解析植被绿化对水文变量的影响，为喀斯特地区生态恢复策略提供科学依据。

材料与方法

研究区域涵盖中国西南部5.9×10⁵ km²的喀斯特区，包括8个子流域（如Hong River、Xiang River等）。数据涵盖1982–2018年气候参数（降水Pre、温度Tmp、辐射Rad）、植被指数（NDVI、EVI）、水文变量（蒸散发ET_GLEAM、径流深度RF、土壤水分SM）及陆地水储量（TWS）。采用广义线性混合模型（GLMM）与贝叶斯广义线性混合模型（BGLMM）量化气候与植被对水文变化的贡献率，并通过Budyko模型验证ET估算结果。标准化降水蒸散指数（SPEI）用于识别干湿期变化。

结果

植被绿化与气候动态

西南喀斯特区NDVI在1982–2018年间显著增加（+39.85%），森林面积以3.2%·decade^?1的速度扩张，成为全球喀斯特区绿化最显著区域。气候参数显示，Pre、Tmp和Rad分别增加2.75%、3.04%和8.52%，但1993–2013年间Pre呈下降趋势（?34.72%），气候由湿润转向干旱。

水文变量变化

ET_GLEAM与ET_Budyko均显著上升（+2.08–+2.67 mm yr^?1），而RF虽略有增加（+1.61 mm yr^?1）但未达显著水平。SM呈下降趋势（?3.51%）。径流系数（RC）在ERP实施前后（1961–1981 vs. 1982–2018）无显著变化，表明产水量稳定性。

陆地水储量与干旱响应

TWS以?2.19—?2.96 mm yr^?1的速度下降，且在干旱期（1993–2013年）降幅最大（?5.14—?6.78 mm yr^?1），与SPEI下降趋势（?0.11 yr^?1）一致。GLMM分析表明，植被绿化对TWS减少的贡献率达26.43%–52.09%，主要源于干旱年份土壤水分与地下水的消耗。

讨论

植被恢复对水文过程的影响

植被绿化通过增强ET消耗水资源，但独特喀斯特水文结构（如地下裂隙、快速渗漏）维持了产水量的稳定性。土壤薄层和岩溶地貌导致地表水快速补给地下水，使得径流对气候与植被变化的响应不敏感。

水资源消耗的机制

干旱年份中，植被蒸腾需求增加，而降水补给不足，导致水分亏缺由土壤和地下水储量补偿。典型案例区Nandong流域（1990–2014年）显示，NDVI上升伴随地下水埋深增加（?1.89 mm yr^?1），证实绿化对地下水的消耗效应。

对未来生态工程的启示

尽管西南喀斯特属湿润气候，植被恢复在干旱期可能加剧水资源压力。未来ERPs需规避干旱期实施，并统筹碳汇增益与水资源可持续性。全球喀斯特区（占生态恢复优先区的20%）可借鉴本研究，发展耦合岩溶水文过程的生态水文模型，强化地下水监测与保护。

结论

西南喀斯特区植被恢复显著提升ET并削减TWS，但产水量保持稳定。干旱年份中绿化导致土壤水分与地下水消耗加剧。未来生态工程需协调碳-水权衡关系，确保水资源可持续性。本研究为全球喀斯特区生态恢复提供理论依据与实践范式。