《Journal of Hydrology》：Vegetation restoration mitigates meteorological drought on the Loess Plateau
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植被恢复通过增加蒸散发（23.2 mm/decade）显著缓解了黄土高原气象干旱（SEDI湿润趋势0.21 decade-1），主要归因于植被结构优化（+0.104 decade-1）和有利气候条件（+0.170 decade-1），二者占比超130%。
郑文德|施尚宇|科梅勒·阿斯卡里|菲德尔·罗伊格|刘先锋|刘文钊|王飞
中国科学院与教育部水土保持与生态环境研究中心水土保持与荒漠化控制国家重点实验室，中国陕西省杨陵市712100
摘要
黄土高原（LP）的大规模植被恢复显著增加了区域蒸发蒸腾量（ET），引发了人们对水资源安全的担忧。然而，这种变化对气象干旱（即水分供应（ET）与大气需求（PET）平衡的净影响仍缺乏定量研究。为了解决这一问题，我们采用反事实建模框架，分析了2001年至2022年的数据，使用标准化蒸发蒸腾亏缺指数（SEDI）将“基线”（实际绿化）情景与“固定植被”（无绿化）情景进行了对比。随后通过两步归因分析，量化了植被结构、二氧化碳生理作用、植被生理过程以及气候因素对ET的影响。结果表明，植被恢复是导致ET增加（23.2毫米/十年）的主要因素。尽管如此，气象干旱得到了显著缓解：基线情景下的SEDI呈0.21毫米/十年的湿润趋势，几乎是“固定植被”情景下0.11毫米/十年趋势的两倍。这一现象可以通过两种机制来解释：（1）在组成层面，植被对ET的贡献（17.83毫米/十年）几乎是其对PET负面影响的（9.02毫米/十年）的两倍，从而减少了大气水分亏缺；（2）在驱动因素层面，SEDI的湿润趋势（0.21毫米/十年）主要由有利的气候变化（0.170毫米/十年，占净趋势的81.4%）以及植被结构变化（0.104毫米/十年，占49.5%）所驱动，这两者共同抵消了二氧化碳生理作用（-26.3%）和植被生理作用（-4.7%）带来的干燥压力。这些发现表明，虽然人类主导的生态恢复增加了总的水分消耗，但成功地缓解了气象干旱。这为“ Grain for Green”计划的气候适应性效益提供了关键的科学证据，并为其他水资源有限的地区的可持续水资源管理提供了启示。
引言
植被作为连接水圈、大气圈和生物圈的重要纽带，调节着地表与大气之间的水分、碳和能量交换（黄等人，2023年；连等人，2022年）。因此，植被被广泛认为是陆地生态系统结构和功能完整性的关键指标。近几十年来，由于大气中二氧化碳浓度上升、气候变暖、降水模式改变以及大规模生态恢复项目的共同作用，全球植被呈现明显的“绿化”趋势（范等人，2024年；彭等人，2022年；徐等人，2023年）。这些广泛的植被变化通过复杂的生物物理和生化机制对区域和全球陆地水文过程产生了深远影响（哈斯勒等人，2024年；王等人，2023年）。
在水分有限的干旱和半干旱地区，植被绿化对水文循环有着特别强烈的影响。陆地水文循环主要包括蒸发蒸腾（ET）、降水（P）、径流（R）和水分储存（尤其是土壤湿度）。植被通过根系吸收水分并通过蒸腾作用将其释放到大气中，这一过程虽然消耗了土壤水分，但同时增加了大气湿度并可能改善了局部微气候条件（邵等人，2022年；王等人，2022年）。绿化还通过降低地表反照率和增强太阳能量吸收来影响降水，从而促进对流；同时，增加的冠层粗糙度改变了边界层动力学和湍流，可能增强了区域蒸发和降水（曹等人，2019年；邱等人，2021年）。此外，植被通过拦截降雨、增加凋落物覆盖和改善土壤结构来减少地表径流，所有这些都有助于提高水分渗透能力。植被对土壤湿度的影响较为复杂：虽然它通过蒸腾作用消耗水分，但也可以通过促进渗透和减少地表径流间接补充水分（李等人，2024年；马等人，2023年）（表1）。
中国黄土高原（LP）主要位于干旱和半干旱气候区，该地区的水资源可用性严重限制了自然和人工生态系统的发育。过去二十年里，由于大规模生态恢复（特别是“ Grain for Green”项目）和持续的气候变化，LP的植被覆盖率显著增加（范等人，2024年；田姣等人，2023年；薛等人，2022年；张等人，2021年）。因此，了解植被绿化的水文后果已成为一个重要的研究焦点。许多研究表明（冯等人，2016年；胡等人，2021年；邱等人，2024年；邵等人，2022年），植被恢复显著减少了土壤水分和径流，从而加剧了“水文”和“农业”干旱。其他研究则开始探讨绿化如何通过生物物理反馈机制改变ET和降水（杨等人，2024年；张等人，2021年；张等人，2025年；周等人，2024年）。
尽管取得了这些进展，植被绿化对气象干旱的净影响（即大气水分供应与需求的平衡）仍不甚明了。植被通过两种相反的过程调节这一平衡：一方面，增强的ET将更多水蒸气输送到大气中，有助于大气湿润（Dalezios等人，2017年）；另一方面，绿化降低了地表反照率并增加了地表粗糙度，从而提高了近地表温度和净辐射，加剧了潜在的蒸发蒸腾（PET），放大了大气蒸发需求。因此，植被绿化对气象干旱的总体影响取决于这两种机制的相对强度（韩等人，2022年；江等人，2021年；罗德里格斯等人，2024年；孙等人，2025年）。然而，这种相互作用在LP地区尚未得到系统评估。
黄土高原的气象干旱通常使用标准化降水蒸发蒸腾指数（SPEI）和标准化蒸发蒸腾亏缺指数（SEDI）进行评估（姜等人，2021年；李等人，2019年；刘等人，2016年；吴等人，2018年）。在这些研究中，干旱指数主要用于解释植被对气候变化的响应，而不是探讨植被变化本身是否加剧或缓解了大气干旱状况。相反，量化绿化引起的ET、地表能量平衡和降水反馈变化的研究很少评估它们对蒸发亏缺（ET – PET）的综合影响。尽管ET涉及受植被调节的生态水文过程，但亏缺本质上反映了由Budyko框架（Budyko和Miller，1974年）描述的能量-水分耦合所限制的大气水分平衡状态。因此，SEDI是一个稳健的气象干旱代理指标，能够整合地表反馈。因此，在考虑植被对水分供应（ET）和辐射效应（PET）的影响时，大规模植被恢复是否缓解或加剧气象干旱这一关键问题仍未得到解决。
为了解决这一知识空白，我们使用标准化蒸发蒸腾亏缺指数（SEDI）来表征2001年至2022年间黄土高原的气象干旱情况。我们采用反事实、基于情景的建模框架，将基线情景（实际植被变化）与“固定植被”情景（无绿化）进行对比，从而明确识别植被变化对ET、PET和SEDI的影响。在此基础上，我们进一步开发了两阶段归因框架，以区分植被结构变化、二氧化碳生理作用、植被生理调整和背景气候变率在塑造ET、PET和SEDI趋势中的作用。最后，我们利用专门的驱动因素反事实实验，将气候贡献分解为降水、净辐射、水汽压亏缺（VPD）和风速的单独效应。
具体而言，本研究旨在：（1）描述2001年至2022年间黄土高原植被、ET、PET和气象干旱的时空变化趋势；（2）通过反事实植被情景，分离并量化植被恢复对观察到的ET、PET和SEDI变化的净生物物理贡献；（3）通过将气候成分分解为单独的气象因素，量化气候贡献并确定其主要驱动因素。通过阐明大规模生态恢复影响大气水分亏缺和气象干旱的机制，本研究为“ Grain for Green”计划的气候适应性效益提供了新的见解，并为正在经历快速生态恢复的水资源有限地区提供了科学支持。
研究区域
黄土高原位于黄河中游，面积约为6.4×10^5平方公里，是世界上最大的黄土堆积区（朱等人，2019年）。该地区经历半湿润至半干旱的季风气候，年降水量从西北到东南逐渐增加，范围约为200至750毫米，其中60-70%的降水量发生在夏季（孙等人，2015年）。历史上，草地是主要的土地覆盖类型。
黄土高原的绿化与气候变化
2001年至2022年间，黄土高原经历了显著且广泛的植被绿化趋势。从区域尺度来看，叶面积指数（LAI）以每十年0.099的速度显著增加（p<0.05）。这种绿化在空间上存在差异，森林的LAI增加最快（每十年0.21），其次是农作物（每十年0.11）和草地（每十年0.09）。随着植被覆盖率的增加，地表反照率也显著降低。
植被恢复加剧了ET，但缓解了气象干旱
本研究揭示了黄土高原大规模生态恢复带来的一个引人注目且看似矛盾的水文气候响应：尽管区域ET显著增加，但气象干旱得到了显著缓解。我们的反事实分析强有力地表明，植被恢复是导致ET每十年增加23.2毫米的主要因素。然而，SEDI（通过量化大气水分亏缺来表征气象干旱）显示出了湿润趋势。
结论
本研究旨在通过评估植被恢复对气象干旱的影响及其对ET的增加作用，来阐明植被恢复在黄土高原上的复杂水文气候效应。基于2001年至2022年的情景归因框架，得出了几个关键结论。首先，虽然植被恢复是ET每十年增加23.2毫米的主要驱动因素，但它有效地缓解了气象干旱；绿化情景下的SEDI呈现了0.21毫米/十年的湿润趋势。
作者贡献声明
郑文德：概念构思、正式分析、初稿撰写。施尚宇：概念构思、方法论、监督。科梅勒·阿斯卡里：调查、软件开发、监督。菲德尔·罗伊格：方法论、软件开发、审稿与编辑。刘先锋：软件开发。刘文钊：方法论、软件开发。王飞：项目管理、资源协调、监督、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国科学院国际合作计划（项目编号：16146kysb20200001）、国家自然科学基金（NSFC）（项目编号：42177344和U2243213）、111项目（项目编号：B20052）、陕西省自然科学基础研究计划（项目编号：2024JC-YBQN-0297）的支持。
