地球环境所揭示黄土高原自然和人为植被恢复模式下高精度土壤水分补给机制

水资源平衡和土壤侵蚀问题是黄土高原生态建设中两个核心的科学问题。大量研究表明，随着近20年来退耕还林还草工程在黄土高原的大规模实施，黄土高原土壤侵蚀显著减弱，河流泥沙也出现明显的减少。以黄河为例，2000-2015年期间黄河潼关站年均输沙量和汛期含沙量分别只有2.74亿吨和23.6 kg/m3，和20世纪80年代相比，减少了83%和61%。据估计，黄河泥沙减少的19.4%归因于降雨的减少，59.1%归因于林草建设、植被封禁、梯田、淤地坝等水保措施，13.6%归因于水库拦沙，7.9%归因于灌溉引沙、河道淤积以及其它因素。由此可见，林草建设和植被封禁等措施在控制土壤侵蚀方面发挥了重要的作用。然而，黄土高原在侵蚀泥沙大量减少的同时，水资源量也大幅降低，很多植被恢复较好的小流域出现多年不产流的现象。在这种背景下，需要回答几个重要的科学问题，即：在大规模植被恢复背景下，植被恢复好的小流域，多大的降雨才能入渗到土壤，什么条件下才能产流，主要受什么因素控制？这些科学问题的解决，对于了解长期植被恢复背景下黄土高原水资源的演变具有十分重要的指示意义。

针对上述科学问题，中国科学院地球环境研究所研究员金钊及其合作者在国家自然科学基金面上项目（41573067）和重大项目（41790444）的资助下，选择黄土高原西峰南小河沟对比小流域董庄沟和杨家沟为研究对象（图1），研究了小流域在长期的自然（植被自然恢复）和人为（人工植树造林）植被恢复模式下降雨补给土壤水分的阈值条件和影响因素，即多大的降雨才能入渗到土壤的问题。研究结果表明，针对高植被覆盖的草地小流域和低植被覆盖的森林坡地，单次或连续降雨量达到9 mm才能入渗到表层土壤（10 cm）；而对于高植被覆盖的沟谷森林，降雨量达到14 mm才能有效补给到表层土壤。植被盖度、地形特征和降雨模态（降雨强度、降雨量等）是影响降雨有效补给土壤的三个重要控制因素。在同等条件下，土壤水分的补给主要来自降雨总量大、降雨强度高的少数几场降雨；但在2016年整个生长季，降雨补给的土壤深度一直未达到100 cm（图2）。在四个观测点中，坡地森林由于盖度相对较低，林下植被稀少，基本处于裸露状态，使得坡地森林的入渗深度最深、速度最快、水分补给最大；而沟谷森林由于植被盖度高，林下植被丰富，郁闭度高，降雨较难补给到土壤，加之蒸腾量大，使得沟谷森林土壤水分亏缺最大，土壤水库最低。此外，文章认为，针对自然恢复和人工造林这两种黄土高原最为重要的植被恢复模式，生态效益存在权衡，彻底否定任何一种模式都是不科学的，自然恢复有利于水资源的平衡，但在控制侵蚀和削减暴雨洪水方面远远弱于人工林地。因此，针对黄土高原的植被生态建设，需要采用更为全面科学的评估方法和指标。

上述研究成果发表于国际传统水文学杂志Hydrological Processes（Jin Zhao, Guo Li, Henry Lin, Wang Yunqiang, Yu Yunlong, Chu Guangcheng, Zhang Jing. Soil moisture response to rainfall on the Chinese Loess Plateau after a long‐term vegetation rehabilitation. Hydrological Processes. 2018, 32:1738–1754.）。

图1 西峰南小河沟对比小流域董庄沟（自然草地小流域）和杨家沟（人工森林小流域）

图2 自然草地和人工森林小流域不同降雨强度下水分补给的土层深度。15个降雨过程（P1-P15）被划分为四组，每一组对应不同的降雨强度和水分入渗深度特征，圆圈的大小表示降雨的强度，圆圈的颜色表示水分入渗的深度。