西安交大水碳耦合管理助力黄土高原植被恢复工程 | Engineering

植被恢复是修复退化生态系统和进行栖息地保护的有效措施。植被恢复可以引起显著的土地利用变化，进而影响区域的水循环和碳循环过程。土地利用变化通过改变植被覆盖度和地表过程影响水文过程（如地表径流、产水量、洪水频率和基流）和碳循环（如植被生产、土壤碳储量和二氧化碳通量）。因此，解析植被恢复引起的土地利用变化的综合环境影响对于生态系统管理和相关政策的制定具有重要意义。

西安交通大学吴一平研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年8月刊发表了题目为《利用水碳耦合管理实现黄土高原植被恢复的可持续发展》的研究性文章，以黄土高原泾河流域为例，量化了植被恢复引起的水碳效应，并以“减沙、保水、固碳”为原则确定了流域尺度上退耕还林（草）的适宜区域。文章利用水文-生物地球化学循环耦合模型（SWAT-DayCent），通过设计多种基于植被恢复政策的土地利用转换情景，模拟了水碳循环关键要素的变化。文章表明，与基准情景（2000年土地利用）相比，当以森林或草地代替坡耕地时，产沙量和产水量都大幅下降。当用森林植被替代坡耕地（坡度大于25°、15°和6°）（CTF）时，会增加土壤的固碳量且对土壤水分产生轻微影响（＜1.0%）；而当用草地替换坡耕地（CTG）时，会导致净初级生产力的下降和土壤含水量大幅增加（3.8%⁓14.9%）。与基准情景相比，土壤有机碳（SOC）在CTF情景下增加0.9%⁓3.2%，而在CTG情景下保持相对稳定。通过分析土地利用变化与水碳效应的关系，进一步确定了实施CTF和CTG的适宜区域，并能实现“减沙、保水、固碳”的效益最大化。文章基于水碳耦合模拟提供了一个植被恢复工程实施的新视角，即在恰当区域进行退耕还林（草）可实现水碳耦合效益最大化，这可为区域未来生态恢复工程的优化提供科学支撑。

值得注意的是，退耕还林（草）会减少流域产水量，且减少幅度取决于土地利用转换的程度。与农田相比，林地具有相对较大的叶面积和蒸腾速率，因此林地替代农田后会导致较高的水分损失。文章也表明，产沙量会随森林和草地面积的增加而减少。一般来说，草地或树木替代农田会提高地表粗糙度和蒸散量，从而减少产水和产沙量。退耕还林对土壤水分的影响较小。与林地相比，草本植物根深较浅，生长所需的水分较少，导致了CTG和农田分别转换为草地（CTFG）情景下土壤水分的增加。除土地利用类型外，地形因子（如坡向和高程）对土壤水分也有显著影响，因此土壤水分对土地利用变化的响应相对复杂。由于森林具有较大的生产力，将坡耕地转为林地后会提高生产力，从而增加SOC的固存。坡耕地转为草地则会导致较低的植被生产力和SOC含量。

文章也存在一定的局限性。首先，尽管文章中设置的土地转换场景包括许多不同的组合，但未考虑具体的植被类型（即涉及转换的森林和草地类型）。未来研究中应该评估不同林、草类型对水碳循环过程的影响。其次，在模拟水文与生物地球化学过程中，只关注土地利用变化，未考虑其他工程措施（如淤地坝和梯田建设）的影响。另外，文章中模拟的水碳关键要素可能对气候变化较为敏感，未来研究中应检测这些要素对气候变化的敏感性。最后，人口增长和经济发展会加剧水资源消耗，因此制订植被恢复措施时需考虑社会经济发展的用水量。

以上内容来自：Fubo Zhao, Yiping Wu, Xiaowei Yin, Georgii Alexandrov, Linjing Qiu. Toward Sustainable Revegetation in the Loess Plateau Using Coupled Water and Carbon Management [J]. Engineering, 2022, 15(8): 143-153.

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原文链接：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2020.12.017

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