论文部分内容阅读
大规模植被恢复在遏制土地退化、改善生态系统服务以及缓解气候变化方面取得了成功。在世界范围内,大量的国家和国际组织正在规划或者实施雄心勃勃的植被恢复工程,比如在巴西进行的热带雨林恢复工程以及在非洲中部的大规模造林计划。但是,如何结合当地的水文气候条件确定植被恢复的安全阈值以保障工程的可持续性的问题却研究较少,这为植被恢复工程的规划和实施带来了挑战。作为我国干旱半干旱地区关键的生态屏障,西北农牧交错带在遏制荒漠化、保障国家生态安全方面起着重要作用。过去的几十年,不合理的开发活动给当地带来了严重的生态环境问题。为改善退化的生态环境,20世纪70年代以来,我国实施了一系列生态恢复工程,使得中国西北农牧交错带的植被大面积恢复和扩张。然而,恢复和新种植的植被对水的需求尤其令人关注。该地区的大规模植被恢复计划可能加剧生态系统和人类对水的需求冲突。因此,平衡生态系统耗水需求和人类用水对于促进该地区可持续植被恢复和保障社会经济系统的用水需求至关重要。但是该地区下垫面和地表水热过程具有较高的时空变异性,且缺乏高密度、长期的观测数据,使得在植被恢复工程不断推进的背景下,区域生态系统耗水量的变化难以准确估算,如何确定该区域植被恢复的安全阈值成为亟待解决的科学问题。本研究通过明确区域特征对实际蒸散发过程机理的影响,开发了适用该地区的地表实际蒸散发模型Revised Budyko Framework（RBF）,分析区域尺度实际蒸散发的变化规律;量化不同影响因子特别是植被条件变化对区域实际蒸散发的变化的贡献;同时综合考虑区域植被恢复工程实施和区域植被耗水量的变化,基于RBF模型以及区域长期气候条件,搭建以区域水资源承载力为基础的植被恢复优化框架,首次提出中国西北农牧交错带植被恢复的最优方案。主要研究结论如下:（1）首先,在研究区利用站点实测数据验证对比了三种不同复杂程度模型对实际蒸散发的模拟性能。结果表明高复杂程度的WRF-CLM4.0模型（r=0.89,RMSE=0.66 mm/d,NSE=0.90）以及简单的CR模型（r=0.91,RMSE=0.85 mm/d,NSE=0.85）在实际蒸散发的模拟中相对于中等复杂程度的WRF-Noah模型（r=0.82,RMSE=0.94 mm/d,NSE=0.81）表现更好,在研究区实际蒸散发模拟中具有较好的应用价值。然后,通过对比不同模型在实际蒸散发过程的模型机理和模型的结构,我们发现,在中国西北农牧交错带地区:1.土壤水分是影响该地区实际蒸散发模拟的主要因素,模型机理中对土壤水分的影响权重的考虑很大程度上影响了模型对实际蒸散发量的模拟,2.在中国西北农牧交错带,模型结构中的复杂性往往不能转化为模型更高的模拟性能和准确性,这启发我们,在该地区进行实际蒸散发模型的选择或者构建时,简约的模型结构可能会更具竞争力。（2）本研究开发了一个简约的RBF模型来模拟和归因分析研究区实际蒸散发的变异性。该模型主要基于国际上被广泛使用的Budyko假设,本研究将植被指数NDVI引入其中,拓展了该假设在年内尺度的应用以及对植被变化影响的考虑,同时引入包含降水以及地表土壤储水量的水分供应的概念,这使得该模型实现了在高时空分辨率下的应用。而且,改进后的模型框架旨在实现模型的简约,并减少观测数据缺乏区域的数据需求。在干旱半干旱区不同的环境和植被条件下利用站点实测数据对RBF的模拟结果进行评估,该模型均表现出较好的模拟性能（在西北农牧交错带:R~2=0.96,NSE=0.95;在青藏高原地区,模拟结果的R~2=0.91,NSE=0.90;在沙漠灌溉玉米地区,模型模拟结果R~2=0.78,NSE=0.78）,而且,在研究区的模拟中与FAO作物系数模型和CR模型相比,RBF的模拟结果均优于前两个模型。该模型框架提供了一种简单、高时空精度的方法来量化气候、地表土壤水储量和植被条件对实际蒸散发变异性的贡献,特别是在数据稀缺的干旱半干旱的地区。（3）基于新开发的RBF模型,以长期气候条件为基础,以区域植被最大耗水量（蒸散发）为限制因素,结合区域居民,工业和畜牧用水的时间变化规律,构建出优化区域植被恢复的框架,提出了最优的中国西北农牧交错带植被恢复的阈值以及最优的恢复策略。该阈值为最大植被耗水系数所允许的NDVI值,代表了中国西北农牧交错带植被恢复潜力的上限。最优的植被恢复策略为每年植被恢复强度,即区域NDVI值每年的增长速度的可行的区间。通过该框架的计算以及新阶段国家植被恢复工程政策《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划》分析,可以得到当地植被恢复的最大阈值为0.31,可行的恢复强度为0.0021～0.0036,即每年植被扩张0.82%～1.27%。对于最优的植被恢复策略,我们通过可行的植被恢复强度,基于过去区域植被恢复的经验给出了合理的参考:在新阶段规划植被恢复的速度（在恢复面积或者种植密度上）时,应该是过去的20年平均恢复进度的1/3到3/5,是过去10年恢复进度的1/2到4/5。