2006–2023年间，气候和水文因素对中国潮白河流域植被变化的影响

《Journal of Arid Environments》：Contributions of climatic and hydrological factors to vegetation changes in the Chaobai River Basin, China, during 2006–2023

本研究基于2006-2023年柴达木河流域多源遥感及地面观测数据，系统分析生长季NDVI时空演变规律，定量评估气候因子（温度、降水）与水文要素（土壤水分、地下水储存异常）及人类活动的独立贡献，揭示地下水减少是植被增绿的主导驱动，强调生态恢复需兼顾地下水可持续管理。

　　

Xinde Li | Zenghui Pan

中国科学院大学资源与环境学院，北京，101408，中国

摘要

植被的生长动态对区域生态安全至关重要，并且对气候变化和水文过程非常敏感。然而，气候和水文因素对植被变化的贡献尚未得到充分量化，特别是在水资源受限的流域。本研究利用中国潮白河流域（2006–2023年）的多源遥感和地面观测数据，系统分析了归一化植被指数（NDVI）的时空演变，并评估了气候因素（温度T；降水量P）、水文要素（土壤水分储存异常ΔSMS；地下水储存异常ΔGWS）以及人类活动的相对贡献。研究结果表明：（1）生长季节的NDVI呈现出显著上升趋势（平均每年增加0.0042，P < 0.01），85.87%的面积出现了明显的绿化现象；（2）NDVI与ΔSMS呈广泛正相关（93.66%的面积），但与ΔGWS呈强烈负相关（95.19%）；（3）残差趋势归因分析显示，水文要素是主要驱动因素，ΔGWS（60.78%）和ΔSMS（23.20%）的贡献远大于温度（8.28%）、降水量（2.95%）和人类活动（4.79%）。本研究强调了植被在水资源受限条件下的依赖性，并强调了协调生态恢复与可持续地下水管理的关键必要性。

引言

近几十年来，全球气候变化和人类活动的持续加剧对自然生态系统造成了巨大压力（IPCC，2023）。作为陆地生态系统的重要组成部分，植被不仅在调节气候、维持土壤稳定性和调节水文循环方面发挥着不可替代的作用（Piao等人，2019），其动态变化也是评估区域生态环境状况和生态系统服务功能的关键指标（Kong等人，2017）。因此，进行长期的植被变化监测和区域尺度分析以及分析其驱动机制对于理解和确保区域生态安全与可持续发展具有重要的科学意义（Liu等人，2015；Jin等人，2020）。

在影响植被动态的众多环境因素中，气候要素（如温度和降水量）和水文要素（如陆地水分储存）的作用受到了广泛关注，但它们的相对重要性和相互作用机制仍存在争议（Udall和Overpeck，2017；Yu等人，2023）。传统观点认为，在水资源受限的半干旱和干旱地区，降水量是植被年际变化的主要驱动因素（Piao等人，2011）；而温度则通过影响光合作用和蒸散过程对植被生长产生复杂的促进或抑制作用（Yang等人，2016）。然而，越来越多的证据表明，仅考虑气候因素难以完全揭示植被变化的驱动机制（Yang等人，2014）。陆地水分储存（TWS）作为一个综合指标，整合了地下水、土壤水、冰雪等成分，能够更全面地反映植被的实际可用水量，尤其是在干旱和半干旱地区。它对植被应对气候干旱的缓冲作用不容忽视（Xie等人，2019b；Chen等人，2022）。地下水作为一种稳定的水源，对于维持流域的基本流量和植被健康至关重要（Taylor等人，2012；Xie等人，2024），其动态变化与植被用水量密切相关（Wang和Dickinson，2012）。在气候变暖的背景下，最近的研究指出：植被用水量的增加会显著减少地下水补给并耗尽储量（Isinkaralar等人，2024）。这建立了植被与地下水之间的直接反馈关系。忽视这种耦合关系可能导致对未来生态水文风险的严重低估（Carroll等人，2024）。

潮白河流域是海河流域的重要支流，也是北京饮用水源地密云水库的主要集水区，在其上游地区具有重要的生态安全和水资源保障战略地位（Tang等人，2011）。在气候变化和人类用水需求不断增长的双重压力下，河流流域的水资源供需矛盾日益尖锐，植被生态系统面临着重大不确定性（Li等人，2018a；Wang等人，2018）。以往对该流域的研究主要集中在径流趋势或土地利用变化等单一方面。缺乏系统性的评估，量化气候因素（温度、降水量）、水文要素（土壤水分、地下水）和综合人类活动如何共同驱动植被动态的变化。这一空白限制了我们对“植被-水-气候-人类”相互关系的理解，也阻碍了综合水资源管理和生态管理策略的发展。

基于此，本研究以潮白河流域为研究对象，整合了2006年至2023年的多源气象观测数据、MODIS NDVI数据、GRACE卫星反演的水分储存数据和GLDAS模型数据，综合应用了趋势分析、相关性分析和岭回归等方法，旨在实现以下核心目标：（1）揭示NDVI的时空演变规律；（2）定量评估气候因素（温度、降水量）和水文要素（土壤水分储存和地下水储存）对NDVI变化的独立贡献和交互影响；（3）明确该地区植被动态的主要驱动因素。本研究旨在通过阐明气候和水文过程的共同驱动机制，为潮白河流域的水资源优化配置和生态系统适应性管理提供坚实的科学依据。

研究区域

研究区域

潮白河流域是中国海河流域的主要支流之一（图1a）。其上游包括两个子流域：潮河流域（CRB）和白河流域（BRB），下游包括两个子流域：潮白河流域（CBRB）和潮白新河流域（CBNRB）（图1b）。它是密云水库的重要集水区，也是北京的关键饮用水资源供应区（Tang等人，2011）。研究区域为

生长季节NDVI的时空变化特征

潮白河流域多年平均NDVI显示出明显的空间异质性，变化范围为0.16–0.83（图2a）。高值区域主要分布在流域中部，尤其是在CRB和BRB的集中森林地带。

从网格尺度来看，整个流域85.87%的NDVI呈现出显著上升趋势（P < 0.05）（图2b），主要分布在森林和草地的中部和上游地区。

主要驱动因素及其作用机制的识别

我们的定量归因分析显示，在2006–2023年间，水文要素，特别是地下水储存异常（ΔGWS），是潮白河流域年际NDVI变化的主要驱动因素，占总绿化趋势的83.98%。具体而言，ΔGWS单独贡献了60.78%，远超过温度（T：8.28%）、降水量（P：2.95%）和综合人类活动（4.79%）的贡献。

结论

基于2006年至2023年的多源遥感和地面观测数据，本研究系统分析了潮白河流域NDVI的时空演变特征，并定量分析了气候因素（T，P）和水文要素（ΔSMS，ΔGWS）对植被变化的相对贡献。主要结论如下：

• (1)
  2006年至2023年间，潮白河流域生长季节的NDVI呈现出显著上升趋势

CRediT作者贡献声明

Xinde Li：撰写——初稿、可视化、验证、软件使用、方法论、调查、数据分析、数据整理、概念构建。Zenghui Pan：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、方法论、调查、资金争取。

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“河北省水资源管理适应性对策研究”（项目编号：HBKX2023D20）的支持。