海拔依赖性的生态水文解耦与流域尺度脆弱性：金沙河流域水-植被相互作用25年评估

《Ecohydrology & Hydrobiology》：Elevation-dependent ecohydrological decoupling and basin-scale vulnerability: A 25-year assessment of water–vegetation interactions in the Jinsha River Basin

金沙江流域水生态耦合与植被韧性研究揭示：2000-2024年流域46.3%区域呈现加剧水分胁迫（WASI<-200 mm/年），但39.4%区域植被持续绿化（LAI年增0.8%），中高海拔区（2700-4300米）尤为显著。这种生态脱钩现象源于生态修复（如退耕还林）与气候变化的双重作用，构建的复合脆弱性指数（CVI）和早期预警系统（EWS）筛选出40%关键管理区及36%监测优先区。

　　

孙东英|法蒂玛·扎赫拉·克赫拉齐|索尼娅·纳贾姆·谢赫

江苏大学管理学院，中国镇江212013

摘要

了解水文压力如何改变高山流域植被的恢复力是生态水文学和可持续水-生物群落管理的核心。本研究利用约500米分辨率的遥感数据（包括降水量（P）、潜在蒸散量（PET）、实际蒸散量（ET）和叶面积指数（LAI），调查了金沙河流域（2000-2024年）中随海拔变化的水-植被相互作用及水文生态脆弱性。通过构建水分可用性压力指数（WASI）和干旱指数（AI）来量化水文气候压力，同时利用非参数趋势检测方法（Mann-Kendall、Sen斜率）和空间自相关分析（Moran’s I、Getis-Ord Gi*）揭示空间聚类现象和变化热点。结果显示，46.3%的流域出现水分亏缺加剧，而39.4%的流域植被覆盖率增加，这表明生态水文响应存在脱节。中高海拔地区（约2700-4300米）的生态压力与生产力之间的负相关最为显著，反映了在水文条件恶化背景下人为因素对植被的积极影响。结合趋势强度和水-植被耦合关系的综合脆弱性指数表明，约40%的流域属于高或关键管理优先区域。早期预警系统进一步确定了约36%的流域需要定期监测。这些发现突显了气候压力下水-生物群落反馈的空间分布规律，并提供了一个可应用于适应性流域管理的生态水文学框架，符合可持续发展目标（SDGs）6和15的要求。

引言

淡水资源对于维持生态系统、农业生产及人类生计至关重要，但它们正日益受到气候变化、人口快速增长和土地利用变化的综合影响（Baggio等人，2021；W. Liu等人，2025；Lu等人，2025）。全球评估显示，目前有超过20亿人生活在水资源紧张的地区，预计到本世纪中叶，降水与蒸散量的气候变化将进一步加剧水资源短缺（Baggio等人，2021；D. Gao等人，2025）。这些水文气候变化不仅影响人类水资源安全，还直接改变生态系统的水分供应、植被生产力和陆地-大气相互作用，尤其是在气候敏感的河流流域。因此，水资源压力日益威胁生物多样性、食物系统和社会经济稳定，凸显了可持续发展目标（SDGs）之间的相互关联性，尤其是SDG 6（清洁水和卫生设施）和SDG 15（陆地生命）（Baskaran和R，2022；Biswas等人，2022；Tsani等人，2020）。为此，联合国生态系统恢复十年计划强调了需要采取综合方法，同时解决水资源管理和生态系统恢复力问题（UNEP & FAO，2020）。

山区河流流域被誉为世界的“水塔”，为下游人口和生态系统提供大量淡水（Viviroli等人，2007）。然而，它们的水文稳定性日益受到海拔相关的气候变化、冰冻圈变化以及森林砍伐和基础设施开发等人为因素的影响（H. Liu等人，2011；Zhan等人，2018）。这些流域在调节水分供应与植被生产力之间起着关键作用，进而影响土壤湿度平衡、蒸散过程和生态系统恢复力（Lakhiar等人，2024；W. Liu等人，2025）。这种耦合关系的破坏会降低植被的抗旱能力，改变物候周期，并对依赖水资源的生计产生连锁影响。

以往的研究通过遥感观测、水文建模和统计趋势分析，大大加深了对水资源可用性与植被动态长期相互作用的理解。尽管水文气候压力不断增加，但在全球和大陆尺度上仍观察到广泛的植被绿化现象，这通常归因于土地管理实践、二氧化碳施肥和生态恢复工作（Hossain等人，2024；W. Liu等人，2025）。相比之下，在干旱和半干旱地区，植被生产力和水资源可用性往往同时下降，这些地区的气候限制主导了生态系统功能（Elbeltagi等人，2023）。

在中国及其山区河流流域，水-植被相互作用尤为复杂。长江上游、黄河流域和青藏高原的研究表明，植被对降水与蒸散量变化的响应存在显著异质性，这受到大规模生态恢复项目（如退耕还林工程）的强烈影响（Piao等人，2005；S. Qu等人，2018；Zhou等人，2025）。来自金沙江及其相邻上游流域的最新证据表明，即使水文压力加剧，植被绿化也可能持续存在，这引发了关于潜在水资源枯竭和长期可持续性的担忧（D. Gao等人，2025；Lv等人，2025）。

方法上，非参数趋势检测技术（如Mann-Kendall检验和Sen斜率估计器）以及植被-水分耦合指标，提高了对非线性及滞后生态水文响应的识别能力（Gocic和Trajkovic，2013；Kendall，2015）。然而，大多数现有研究仅关注趋势特征或耦合诊断，很少有研究将海拔依赖性变化、脆弱性的空间聚类和运营管理优先级纳入统一的分析框架中，尽管这些因素对流域层面的主动治理具有共同重要性。

鉴于此，金沙河流域是一个特别适合研究在加剧的水文气候和人为压力下水-植被耦合动态的案例。作为长江上游最大的上游流域，金沙江在调节下游水资源供应、生态系统功能和水电发电方面发挥着关键作用。该流域具有明显的高程梯度和多样的气候带，导致水文过程和植被响应存在强烈的空间异质性。此外，近几十年的大规模生态恢复、土地利用变化和水资源调控使得该流域对植被动态与水资源可用性之间的潜在脱节尤为敏感。

基于此背景，本研究开发了一个综合评估框架，用于分析金沙江流域的水-植被压力。该框架结合了多源遥感数据、统计趋势检测、滞后耦合分析、空间自相关诊断和多标准早期预警系统（EWS）。通过明确纳入海拔梯度和管理优先级，该方法将观测性生态水文分析与适用于流域管理的空间决策支持工具相结合。

本研究的具体目标是：（1）量化整个流域的水资源可用性和植被生产力的长期趋势；（2）评估水-植被耦合的空间和时间模式，包括滞后响应；（3）利用空间明确的早期预警系统识别脆弱性热点和管理优先区域。除了深化对水-生态系统相互作用的理解外，这些发现还为山区河流流域的气候适应性规划提供了一个可借鉴的框架，与可持续发展目标6和15直接相关。

研究区域

金沙河流域是长江上游最重要的生态和水文意义重大的山区河流系统之一。它发源于青藏高原东部，流经青海、西藏自治区、四川和云南等省份，全长约2300公里，最终在四川省宜宾市与岷江汇合（H. Liu等人，2011；Zhan等人，2018）。地理上，该流域涵盖了青海、西藏自治区、四川和云南的部分地区，面积约为50万平方公里。

概念基础与分析框架

评估植被对水文气候压力的响应时，使用物理上可解释且可大规模复制的指数更为有效。因此，本研究采用WASI和干旱指数（AI）来描述年度水资源状况，并通过LAI将这些指标与植被状况联系起来。长期变化通过适用于非高斯噪声地质物理时间序列的非参数趋势检测方法进行评估，而空间依赖性则通过全局和局部空间分析方法进行评估。

流域水文特征

金沙江流域2000-2024年的平均WASI数据显示出明显的空间梯度（图2）。上游高海拔地区水资源严重不足，WASI值低于-200毫米/年，而下游地区的水资源可用性超过500毫米/年。整个流域的平均WASI为109.3毫米/年，表明总体上存在净水资源盈余；然而，近一半的流域面积（46.3%）长期面临水资源短缺问题。

讨论

本研究揭示了金沙江流域的一个明显生态水文悖论：尽管大部分流域的水文气候压力加剧，植被绿化现象仍然持续存在，在某些地区甚至有所增强。近一半的流域WASI呈负趋势，但在约39%的流域范围内LAI呈正趋势。类似的水资源可用性与植被绿化之间的脱节现象也在其他大型河流流域和山区得到报告。

结论

研究表明，近年来金沙江流域的水资源压力持续加剧，但植被绿化现象在大部分地区依然存在，尤其是在中高海拔地区。这种明显的恢复力反映了生态恢复、管理干预和植物生理反应的综合影响，但也掩盖了新的脆弱性，即植被生产力与水文可持续性的脱节现象。

资助

中国国家社会科学基金（24BGL209；24BGL191）、国家自然科学基金（72204099）以及江苏省哲学与社会科学重点研究基地“绿色发展与环境治理研究中心”为本研究提供了重要财务支持。本文表达的观点仅代表作者本人，并不一定反映其他机构的立场。

声明

伦理批准：不适用。

参与同意：不适用。

出版同意：不适用。

数据可用性

数据可应要求向通讯作者索取。

CRediT作者贡献声明

孙东英：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、方法论、概念构建。法蒂玛·扎赫拉·克赫拉齐：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件使用、资源获取、方法论、数据整理、概念构建。索尼娅·纳贾姆·谢赫：项目管理、数据整理。