基于GRACE和多源数据集的中国西北地区“水塔”地区陆地水储存的时空变化及其驱动因素

《Water Resources Research》：Spatiotemporal Variations of Terrestrial Water Storage and Driving Factors in the Water Towers of Northwest China Based on GRACE and Multi-Source Data Sets

冰川退缩与植被变化驱动西北中国水塔单位陆地水储量时空演变及管理策略

　　近年来，全球范围内对水资源变化的研究日益受到重视，特别是在干旱和半干旱地区，山地作为重要的“水塔”结构，承担着为下游地区提供水源的关键角色。这些区域不仅储存了大量淡水，还通过冰川、积雪和湖泊等形态调节水资源的供给。然而，尽管水塔在维持生态平衡和支撑区域经济发展方面具有重要作用，其内部的水储量变化趋势及其驱动因素仍存在诸多未解之谜。特别是在中国西北地区（NWC），由于气候变化和人类活动的双重影响，水塔的水储量变化呈现出明显的区域差异。因此，本研究利用GRACE/GRACE-FO卫星数据以及多种遥感数据，系统分析了过去20年间西北地区七个主要水塔单元（WTUs）的陆地水储量（TWS）及其组成的变化，并探讨了气候和植被因素对这些变化的影响机制。

研究结果表明，TWS的变化在不同的水塔单元中呈现出显著差异。具体而言，叶尔羌河和伊犁河流域的水塔单元表现出TWS的下降趋势，而柴达木盆地和黄河上游流域则显示出TWS的上升趋势。这一现象可能与区域内的气候变化和人类活动密切相关。例如，冰川退缩和积雪融水是导致叶尔羌河、伊犁河和额尔齐斯河流域水塔单元TWS减少的主要因素，而湖泊扩张、地下水储量增加和土壤水分变化则在其他流域中发挥了更为重要的作用。此外，植被变化对TWS的影响也因水塔单元而异，植被恢复可能通过影响地下水和土壤水分，间接导致TWS的增加，但同时也可能因植被蒸散发的增强而加剧水储量的减少。

在西北地区，气候变化的影响尤为显著。过去几十年间，该地区经历了比全球平均水平更高的温度上升，这不仅加速了冰川的退缩，还改变了积雪的融雪时间，进而影响了水循环的动态平衡。与此同时，随着降水的增加，区域内的湿度也在上升，这一趋势可能在一定程度上缓解了水塔单元的水储量减少。然而，降水的增加并未能完全抵消因温度上升带来的蒸散发增强，尤其是在叶尔羌河和伊犁河流域，高温导致的植被恢复和蒸散发增加对水储量的负面影响更为突出。而在黄河上游流域，植被恢复则成为TWS变化的主要驱动因素，其通过增加地下水和土壤水分，提升了区域的水资源储存能力。

此外，研究还发现，水塔单元的TWS变化不仅受到气候变化的影响，还与人类活动密切相关。例如，大规模的植树造林项目虽然有助于改善生态环境，但也可能对水资源产生负面效应。在西北地区，由于植被覆盖的增加，土壤水分的蒸发作用增强，从而减少了地下水的补给，最终导致TWS的下降。因此，如何在生态保护和水资源管理之间取得平衡，成为当前研究和政策制定的重要课题。

从方法论上看，本研究采用了多种数据源和分析手段，包括GRACE/GRACE-FO卫星遥感数据、多源遥感数据集以及结构方程模型（SEM）等。通过将这些数据整合，研究者能够更全面地理解TWS变化的驱动因素。例如，研究中发现，降水（PRE）、蒸散发（ET）、温度（TEM）和植被指数（NDVI）对TWS变化的影响存在显著的区域差异。在一些水塔单元中，ET和NDVI是主要的负面因素，而在另一些单元中，降水和温度则显示出更强的正面影响。这种复杂的相互作用关系，使得水塔单元的TWS变化具有高度的非线性和异质性。

研究还强调了不同水塔单元之间水储量变化的异质性，这与各区域的地理特征、气候条件和人类活动密切相关。例如，在塔里木河流域，湖泊扩张成为TWS增加的重要驱动力，而在叶尔羌河流域，冰川退缩和积雪融水则是TWS减少的主要原因。这些发现对于制定更加精准的水资源管理策略具有重要意义，特别是在干旱和半干旱地区，水资源的稀缺性使得任何对水储量变化的误解都可能带来严重的生态和经济后果。

从应用角度来看，研究结果对西北地区的水资源管理提供了科学依据。例如，在叶尔羌河流域，由于冰川退缩和蒸散发增强，水塔单元的TWS呈下降趋势，这提示需要加强长期的冰川融水监测，以减少水资源的流失。而在塔里木河流域，湖泊扩张为TWS的增加提供了重要支撑，因此有必要评估湖泊水储量变化对下游水资源需求的影响，以实现湖泊水资源的合理利用。此外，在ET主导的伊犁河流域，控制蒸散发并增强植被覆盖可能有助于减少水资源的流失，而在NDVI主导的黄河流域，适当的植被管理可以提升地下水和土壤水分的储存能力。

然而，本研究也指出了当前研究方法的一些局限性。例如，GRACE数据的分辨率较低，可能导致对TWS变化的估算存在一定的不确定性。此外，由于缺乏某些类型的水体数据（如水库），TWS的估算可能遗漏了一些重要的水储量来源。这些限制在一定程度上影响了研究结果的精确性，但通过结合多源数据和采用结构方程模型，研究者能够更全面地揭示水塔单元的水储量变化机制。

总体而言，本研究揭示了西北地区水塔单元在TWS变化方面的复杂性和多样性，强调了气候变化和人类活动对水储量的深远影响。这些发现不仅有助于加深对区域水循环过程的理解，也为未来水资源管理策略的制定提供了科学依据。在面对日益加剧的水资源短缺问题时，如何通过科学手段优化水资源利用，减少气候变化和人类活动带来的负面影响，成为区域可持续发展的重要课题。