《Journal of Hydrology》：Heatwaves only partially offset increased water consumption from earlier greening: the case of the Kashi Basin in Central Asia
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本研究通过整合卫星数据、再分析数据及RHESSys模型，分析塔里木河流域春季提前（GUD）和夏季热浪对蒸发蒸腾（ET）及径流的影响。结果表明，GUD提前使ET年增量达11.24毫米（5.72%基线值），并减少径流0.56×10?立方米；热浪仅使ET年减少1.15毫米（0.58%基线值），并增加径流0.06×10?立方米，二者存在交互效应，GUD主导作用显著。
郑莉琳|王玲|朱安娜·莱克|李大辉|陈瑞山|徐建华|郭晓娜|贾楠
上海交通大学设计学院景观建筑设计系，中国上海200240
摘要
由于气候变暖导致绿化日期（GUD）提前，从而产生的过度水资源消耗可以通过减少夏季热浪期间的蒸散作用（ET）来缓解。然而，这两者对水资源消耗的相对贡献仍不明确。在这里，我们整合了卫星获取的物候数据、基于再分析的热浪指数以及一个基于物理原理的生态水文模型，以分析GUD提前和热浪对中亚天山山脉西坡内陆盆地——喀什盆地（KSB）的ET和径流的影响。从2001年到2020年，该盆地的GUD每年提前0.38天（比2001年提前约12天），而夜间和白天的热浪（分别用TN90p和TX90p表示）每年分别增加了0.53天和0.39天。模型估计表明，GUD提前使年平均ET增加了11.24毫米（占基线ET的5.72%；95%置信区间：8.47–13.99），并使年径流量减少了0.56×10^8立方米（占基线径流量的1.59%；95%置信区间：-0.70–0.42×10^8立方米）。相比之下，热浪的增加导致年ET减少了1.15毫米（占基线ET的0.58%；95%置信区间：-1.51–0.75），径流量增加了0.06×10^8立方米（占基线径流量的0.17%；95%置信区间：0.04–0.08×10^8立方米）。GUD提前与热浪共同作用的结果是ET增加和径流量减少的幅度略大于两者单独作用的线性叠加。因此，在这个寒冷且半干旱的盆地中，热浪相关的ET节省仅能补偿因绿化提前而增加的ET的约10%（95%置信区间：7%–12.6%）。对整个天山山脉的分析进一步显示，59.88%的高山植被同时经历了GUD提前和夏末叶片变褐的现象，这与盆地尺度上的证据一致，即春季生长的增强可能会通过消耗维持夏季植被活动所需的水资源而削弱春季绿化带来的长期效益。
引言
由于全球变暖，春季绿化日期（GUD）提前已被广泛记录（Way和Montgomery，2015年；Piao等人，2019年）。这可能导致“结构性超调”，即早期有利条件会刺激植被活动暂时超过生态系统的承载能力，使系统更容易受到随后气候压力的影响，例如通过加速消耗土壤水分等限制资源（Zhang等人，2021年；Zhang等人，2024年）。相比之下，植被对夏季热浪的反应可能相反：植物通常会通过生理调节降低蒸散作用，受热胁迫的冠层可能会进一步抑制蒸散和养分吸收（Li等人，2021年；Wang等人，2023年），从而可能在极端高温下减少ET（Wang等人，2023年）。这些对比机制提出了一个核心问题：随着GUD提前和热浪的加剧，季节性水资源利用模式是会得到加强、补偿，还是根本被破坏？
很少有研究试图解开这些复合效应。过去四十年里，北半球的春季绿化日期每年提前0.13–0.58天（Jeong等人，2011年；Zhang等人，2020年），同时热浪也变得更加剧烈（Perkins-Kirkpatrick和Lewis，2020年）。这些同时发生的变化应该对流域水分平衡产生影响，因为蒸散作用（ET）占陆地水资源消耗的很大比例（全球约60–70%，在干旱地区通常超过90%；Oki和Kanae，2006年）。事实上，流域尺度的模型表明，即使GUD提前一天，ET也会增加约3.9毫米（Kim等人，2018年）。尚未解决的是，这种额外的春季水资源利用是否会在土壤水分耗尽、植被退化和热浪引起的生理调节作用下得到补偿（Dong等人，2022年；Wang等人，2023年）。归因问题更加复杂，因为热浪对ET的反应高度依赖于具体环境，包括先前的水分可用性（Hao等人，2024年）、生理调节（如气孔导度，Dong等人，2022年；Wang等人，2023年）以及同时发生的气象条件（Li等人，2021年；Igun等人，2023年）。这些因素共同导致了非线性相互作用和滞后“记忆”效应的可能性，包括结构性超调（Zhang等人，2021年），然而，定量分离物候驱动的春季水资源消耗与夏季热浪对ET和随后流域水分影响的联合研究仍然很少。
天山山脉是中亚半干旱地区的主要山脉系统，为分析这些复合效应提供了有用的地理背景。在过去五十年中，天山地区的升温速度超过了北半球的平均水平，平均温度、最高温度和最低温度分别每十年增加了0.32°C、0.24°C和0.41°C（Chen等人，2016年；Zhang等人，2019年）。与此升温趋势一致的是，极端温度事件变得更加频繁，热浪增多，寒冷期减少（Zheng等人，2025a）。同时，也观察到了明显的物候变化，包括GUD提前（0.27–0.39天/年）和叶片衰老日期推迟（LSD，约0.31天/年），这意味着生长季节延长（Wang等人，2014年；Zheng等人，2025年）。这些生态生理变化在流域尺度上尤为重要，因为它们会通过水分预算产生影响：植被用水时间和量的变化会转化为土壤水分储存、地下水补给以及最终的径流变化（Chen等人，2022年）。
然而，在像天山山脉这样的寒冷半干旱山区，由于地形复杂、海拔梯度大以及现场观测数据有限，量化这种变化仍然具有挑战性（Smith等人，2019年）。尽管该地区的物候变化和极端温度事件已有充分记录（Piao等人，2015年；Zheng等人，2025年），但它们对流域尺度水文通量的相对贡献，以及这些效应是叠加还是相互作用的程度仍不明确。这引出了我们研究的主要问题：ET和径流的整体变化和变异性中有多少可以归因于GUD提前和夏季热浪？换句话说，哪个因素对季节性水资源可用性具有主导控制作用？
为了解决这些问题，我们将MODIS获取的物候数据与经过偏差校正的再分析温度数据相结合，构建了配对和因子化的物候-热浪情景（基线情景、仅GUD情景、仅热浪情景以及GUD×热浪情景），并使用RHESSys模型来分离GUD提前、热浪及其相互作用对流域尺度ET和径流的贡献（图1）。我们还通过将GUD提前与整个天山地区的夏末叶片变褐现象联系起来，来检验是否存在“结构性超调”现象。
研究区域
作为最大的干旱地区山脉系统，天山山脉东西跨度超过2500公里，覆盖了中国、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦和乌兹别克斯坦的部分地区（图2）。年平均气温一般在4至12°C之间，最冷月份是一月，最热月份是七月；春季和秋季较为凉爽且短暂。年降水量平均约为300–400毫米，温暖季节的降水量随海拔升高而增加。
KSB的物候变化和热浪趋势
图3显示了2001年至2020年间KSB的春季/秋季物候（即GUD和LSD）以及夜间/白天气温（即TN90p和TX90p）的年际变化。KSB的GUD平均每年提前0.38天，2001–2020年的平均GUD比2001年提前约12天。具体而言，KSB中81.18%的植被像素表现出提前的趋势，其中20.89%的提前的趋势具有显著性（p < 0.05，MK检验）。仅0.32%的植被像素表现出GUD延迟的趋势。早期GUD和热浪加剧了水资源短缺
总体上的升温趋势为植被在早期生长阶段创造了有利条件，导致春季物候提前（Guo等人，2021年；Zimmer等人，2022年）。在这些有利条件下，额外的水资源消耗是否能够得到补偿，对于维持干旱地区的生态水文平衡至关重要。根据我们的情景模拟，GUD提前使年ET增加了11.24毫米（95%置信区间：8.47–13.99），并减少了年径流量。结论
通过整合卫星获取的物候数据、基于再分析的热浪指数以及基于物理原理的生态水文模型，本研究阐明了春季提前绿化和夏季热浪如何共同影响寒冷半干旱内陆盆地的ET和径流。总体而言，我们的情景实验表明，物候驱动的春季水资源利用对季节性流域水资源可用性的影响大于热浪相关的ET减少：GUD提前显著增加了春季ET。
CRediT作者贡献声明
郑莉琳：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、监督、软件使用、项目管理、资金获取、数据分析、数据管理、概念构思。王玲：软件使用、方法论研究、数据分析。朱安娜·莱克：撰写 – 初稿撰写、监督、软件使用、数据分析、概念构思。李大辉：撰写 – 初稿撰写、监督、软件使用、数据分析、概念构思。陈瑞山：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、数据分析、概念构思。
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。
