氣候變化、植被改變及人類用水與黃河流域水循環的研究進展

呂美霞 馬柱國 李明星

引用格式：呂美霞，馬柱國，李明星，2023.氣候變化、植被改變及人類用水與黃河流域水循環的研究進展［J］.大氣科學學報，46（6）：801-812.

Lü M X，Ma Z G，Li M X，2023.A review on the changing water cycle of the Yellow River basin under changes in climate， vegetation， and human water use［J］.Trans Atmos Sci，46（6）：801-812.doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20230919002.（in Chinese）.

*聯系人，E-mail：mazg@tea.ac.cn

2023-09-19收稿，2023-10-05接受

國家自然科學基金資助項目（42175176;42175143）

摘要? 受氣候增暖和人類活動的雙重影響，黃河流域的水循環正在發生顯著變化，水資源供需矛盾突出。陸地水循環是一個復雜的非線性系統，為清晰認識水循環變化的全貌，并合理高效利用有限的水資源量，需要綜合考慮水循環各個要素之間的協同變化機制。同時，在“人類世”背景下，黃河流域水循環研究必須考慮人類活動的影響，主要包括植被變化和人類用水，其中人類用水主體為農業灌溉。自從實施生態恢復工程以來，黃土高原植被覆蓋明顯改善的同時也引發了對徑流、蒸散發、降水、土壤濕度以及地下水的一系列影響，且研究結論還存在一些爭議，但黃土高原植被覆蓋改善使得該地區蒸散發量增加基本達成共識，大多數研究支持植被改善減少徑流的結論。黃河流域的農業灌溉方式主要為大水漫灌，其對地表蒸散發、地表水及地下水多個過程具有重要影響。本文主要針對黃河流域的水循環研究，討論相關研究進展以及發展方向。

關鍵詞黃河流域;氣候變化;人類用水;水循環

水資源短缺是全球多個地區社會經濟發展所面臨的重大挑戰（Naddaf，2023），在中國則主要集中在北方地區（Liu et al.，2017）。著眼于我國的黃河流域，其生態保護和高質量發展面臨的核心問題之一即為突出的水資源供需矛盾，需要把水資源作為最大的剛性約束（張金良，2020）。黃河流域大部分地區處于干旱半干旱區，是我國生態環境的脆弱區和氣候變化的敏感區。黃河水資源公報統計數據表明，黃河流域2000—2016年的水資源開發利用率已經遠超過國際公認40％的警戒線，利用率達到61％（http：／／www.yrcc.gov.cn／）。伴隨著氣候變暖和人類活動的雙重影響，黃河流域水資源的供需矛盾日益突出（張建云等，2013;夏軍等，2014）。未來流域水資源的高效管理和利用是保證區域社會可持續發展的迫切需求，其核心科學問題是人類活動（植被改變及人類用水）和氣候變化共同作用下，流域水循環如何改變，即大氣水、地表水及地下水的轉換過程和機制發生了哪些變化（馬柱國等，2020）。

黃河流域的農業灌溉面積從新中國成立初期的80萬hm2，發展到2019年的約866.7萬hm2（景明等，2022），這勢必對流域水循環過程產生重要影響。首先，地表蒸散發過程變得更加復雜。蒸散發過程通過植被、土壤、地下水和地表水體等消耗大部分的降水并返回到大氣系統，它是陸-氣之間水熱交換的重要過程（Liu et al.，2016;張永強和李聰聰，2020）。農業灌溉通過對地表水和地下水在空間上的再分配，會使得蒸散發增加，特別是在蒸散發過程強烈的干旱地區（Gordon et al.，2005;王蓓等，2020）。目前，對于可獲得數據的陸地水循環水量平衡的不閉合誤差，蒸散發的貢獻最大，其在全球尺度貢獻率為45.4％，在黃河流域達到51％（Zhang Y et al.，2018）。在觀測數據缺乏的情況下，無論是模式模擬還是遙感獲得的蒸散發都還不能很好反映灌溉的影響，進而導致蒸散發研究結論的不確定性較大（Lü et al.，2017，2019a）。其次，灌溉的水源地（是地表水還是地下水）不同，其對當地陸地水儲量的影響也不一樣（Lü et al.，2019b）。目前農業灌溉數據不僅缺乏，且觀測無法實現全過程解析，因此陸面水文模式和區域氣候模式的模擬成為重要的研究手段（湯秋鴻，2020;McDermid et al.，2023）。

此外，作為陸地上重要的人類活動之一，土地利用／覆蓋變化能夠改變葉面積指數、地表粗糙度等，從而對區域水循環產生重要影響，且植被變化的水文氣候效應具有復雜性。自1982年，特別是2000年實施退耕還林還草生態恢復工程以來，黃土高原植被覆蓋得到明顯改善（Li et al.，2016;馬柱國等，2020）。雖然多數研究支持植被改善威脅當地水資源量如減少徑流及產流能力的結論，但也存在不同的結果（Zhang et al.，2022），且對降水的影響結論也尚不一致（Lü et al.，2019c;Ge et al.，2020;Liu et al.，2023）;而黃土高原植被覆蓋改善使得該地區蒸散發量增加基本形成共識（Jin et al.，2017;張永強和李聰聰，2020;Yang et al.，2023）。針對植被改變對黃河流域水資源量的影響，學者應用統計學和數值模擬方法，定量區分氣候和植被變化對水資源量的影響，這對實踐具有重要的科學指導意義（Lü et al.，2018，2019c）。本文主要對黃河流域的氣候變化、植被改變、人類用水以及它們對流域水循環關鍵過程影響的相關研究進展進行梳理，并探討當前研究存在的問題和未來發展方向。

1? “人類世”背景下黃河流域陸地水循環研究思路的轉變

陸地水循環是一個復雜的非線性系統，同時受到氣候變化和人類活動的影響（圖1），水循環結構由自然系統和社會系統的各水文分量組成（安善濤等，2021）。當今地球演化已經進入“人類世”，陸地水循環系統在氣候變化和人類活動（土地利用／覆蓋變化、人類用水等）的共同影響下正在迅速變化，在此背景下以揭示陸地水循環演變的自然和人為因素影響及反饋為目標的交叉前沿學科應運而生，即全球變化水文學（湯秋鴻，2020）。2022年美國地質調查局（USGS）時隔20年公布了新版的水循環示意圖，水循環過程首次包含了工農業用水、水庫、城市徑流等人類活動過程;這表明了人類在水循環系統中具有重要作用（Duncombe，2022）。例如，自然條件下深層地下水與其他水體的交換較為緩慢，但人類用水活動抽取地下水則加速了其參與水分循環的速度。地下水開采、農業灌溉等人類用水活動，可以通過影響陸-氣之間水分和能量的交換對氣候產生反饋，并改變陸地水循環過程（謝正輝等，2019）。在“人類世”背景下，自然-社會耦合的水循環過程模擬及其相互影響和反饋越來越受到人們的重視（Michalak et al.，2023）。

1.1? 黃河流域過去及未來的氣候變化

過去半個多世紀黃河流域總體呈現暖干化趨勢，具體表現為上游地區整體呈暖濕化特征，而中下游地區呈暖干化特征（馬柱國等，2020;張鐳等，2020;鄭子彥等，2020;王有恒等，2021;Wang Y P et al.，2022）。1951—2018年，整個黃河流域的年平均氣溫升高1.4 ℃，年降水量減少10 mm，但降水在上游（特別是源區）增加、中下游減少（馬柱國等，2020）。在氣候變暖背景下，黃河流域的干旱事件在1956—2016年間也在增多，在流域約86％地區降水為干旱發生的主要驅動因子且貢獻率為64％，在流域其余14％地區潛在蒸散發為主要驅動因子且貢獻率為55％（Wang Y P et al.，2022）。同時，土地利用／覆蓋變化以及人類用水對黃河流域干旱強度和持續時間的影響也不容忽視（Omer et al.，2020）。

對于未來氣候的可能變化，基于HAPPI（Half a degree Additional warming，Prognosis and Projected Impacts）試驗的模式數據表明，在1.5 ℃和2 ℃升溫情景下，黃河源區干濕變化仍有較大的不確定性，在升溫1.5 ℃時，黃河流域的北部很有可能變得更干，在升溫2 ℃時，整個黃河流域除了源區外都很有可能變干（Jian et al.，2021）。2021—2050年，農業干旱很可能比氣象干旱強度大、持續時間長，相比氣象干旱，水文干旱也可能持續時間長、但強度較小（Omer et al.，2021）。對于未來黃河流域干濕突變的復合極端事件，相對1960—2014年，在共享社會經濟路徑（Shared Socioeconomic Pathway，SSP）SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下，復合極端事件的發生頻率可能減少，但是平均強度可能增大，復合極端事件的影響面積和強度的聯合風險在2061—2100年要超過2021—2060年（Jiang et al.，2023）。總體來講，未來黃河流域氣候變化趨勢依然復雜，氣溫繼續上升，降水量總體可能增加，干旱等極端天氣事件可能增強（王有恒等，2021;Deng et al.，2023;Jiang et al.，2023）。

1.2? 黃河流域的徑流變化

河道徑流是黃河流域的重要地表水資源，20世紀50、60年代以來，黃河流域無論是天然徑流量還是實測徑流量均顯著減少（王雁等，2013;Lü et al.，2018;趙建華等，2018;馬柱國等，2020）。首先，對于天然徑流量，1961—2010年在唐乃亥、蘭州、頭道拐、龍門、三門峽、花園口及利津水文控制站，黃河水利委員會還原的天然徑流量均呈現顯著減少的變化趨勢（通過95％置信度的顯著性檢驗），但也存在年代際波動，即多年平均徑流量在2003—2010年相對1991—2002年有所增加，但仍舊低于1961—1990年的水平（Lü et al.，2018）。對于實測徑流量，長時間序列變化趨勢的研究結論為一致性減小（馬柱國等，2020;Zhang et al.，2022），但對于短期統計結果，不同分析時段和研究區對變化趨勢的影響較大，Zhang et al.（2022）發現1999—2015年黃土高原及其中8／11個子流域均呈現出實測年徑流量增加趨勢。2003—2015年，實測年徑流量在唐乃亥以上區域（黃河源區）增加，在蘭州水文站以下區域減少，且這兩個區域實測徑流變化與降水量變化相反（Lü et al.，2019b）。黃土高原的降雨-徑流關系在2008—2016年相比1971—1987年發生變化，徑流系數即徑流與降水量的比值普遍減小（Miao et al.，2020），即產流能力下降（王雁等，2013）。對于未來徑流的可能變化，有研究指出至2050年，黃河流域平均徑流量隨時間增加、增幅隨時間減小，至2100年，隨著蒸發量增加，平均徑流量呈減少趨勢（張鐳等，2020）。雖然未來黃河流域降水可能增加，但是氣溫顯著升高，模擬的黃河流域未來徑流量可能減少（王國慶等，2020）。與降水預估類似，未來黃河流域的徑流變化預估的不確定性依然較大。

1.3? 黃河流域基于陸地水儲量的水循環變化

人類用水活動已經成為影響黃河流域水循環的重要因素。黃河流域的農田灌溉耗水量已經超過了入海水量（Lü et al.，2017）;黃河水資源公報顯示，2021年黃河供水區總耗水量為405.25億m3，地表水耗水量占80.7％，地下水耗水量占19.3％（http：／／www.yrcc.gov.cn／zwzc／gzgb／gb／szygb／）。在這一背景下，2002年發射的重力衛星GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment;Tapley et al.，2004）所提供的陸地水儲量變化為陸地水循環研究提供了前所未有的機遇，該陸地水儲量囊括陸地上一切形式的水量（如河流、冰雪、湖泊、土壤水和地下水），反映了氣候變化和人類活動的綜合影響（Tapley et al.，2019）。由此涌現出一批基于GRACE的黃河流域陸地水儲量變化研究工作（Mo et al.，2016;Felfelani et al.，2017;Lü et al.，2019b;Sun et al.，2020;Lü et al.，2021）。

對GRACE陸地水儲量的研究，早期多關注對區域平均系列變化的定性歸因分析，后來逐步考慮氣候變化和人類活動對陸地水儲量空間變化的定量歸因研究（Syed et al.，2008;Huang et al.，2015;Rodell et al.，2018;Zhang X H et al.，2018;Lü et al.，2019b，2021;

Sun et al.，2020），但空間變化歸因分析也面臨著可獲得各個水文數據不確定性較大的挑戰，即水分收支較難實現閉合（Lü et al.，2017;Lehmann et al.，2022）。針對黃河流域GRACE陸地水儲量在2003—2015年的變化趨勢，即在黃河源區顯著增加、在蘭州以下區域顯著減少（通過95％置信度的顯著性檢驗），有必要從氣候、植被、灌溉及水儲量分量多角度闡明陸地水儲量變化的原因（圖2;Lü et al.，2019b）。

黃河源區陸地水儲量增加主要是由于徑流和土壤含水量增加;黃土高原及黃河下游地區陸地水儲量顯著減少，其中徑流、土壤水、地下水都在減少，在流域共收集28口地下水位觀測井，大多數觀測井的水位（2005—2015年）在以0～4.2 m／a的速率下降;地下水減少與植被改善有關，因為蒸散發的增加量明顯超出降水的增加量，超出的這部分蒸散發水量從哪里來，除灌溉影響外，很可能來自土壤水和地下水（Bryan et al.，2018;Lü et al.，2019b;Sun et al.，2020）。在陸地水循環中，蒸散發過程與地下水密切相關，如氣候變暖導致的地表蒸散發加速消耗了美國地下水資源（Condon et al.，2020）。

2? 農業灌溉對黃河流域水循環要素的影響及存在的問題

2.1? 農業灌溉對地表蒸散發的影響

黃河流域的農業用水量占用水總量的比例超過60％，且灌溉方式以漫灌為主，這使得影響地表蒸散發的過程更加復雜，灌溉對蒸散發的影響不應被忽視。黃河水資源公報顯示，黃河流域的農田灌溉耗水量在2001—2017年間超過了入海徑流量，此后的2018—2020年入海水量有所增加，灌溉耗水量在2005—2020年變化不大（圖3）。農業灌溉活動對水分和能量過程具有重要影響，如氣溫、降水以及蒸散發（Rodell et al.，2011;Pan et al.，2020;McDermid et al.，2023），有研究指出美國的科羅拉多流域7月衛星蒸散發信號的38％歸因于灌溉（Castle et al.，2016），海河流域人類用水活動使得年尺度的地表蒸散發量增加了12％（Pan et al.，2017），而中國西北地區農田面積的擴張對蒸散發量增加的貢獻率可達60.5％（Bai et al.，2014）。

當前地表蒸散發研究結果的不確定性仍較大，難以客觀描述水循環變化的真實圖像。蒸散發量依然較難觀測和模擬，尤其是對大尺度區域（Rodell et al.，2011;Mao and Wang，2017），目前可獲得陸地蒸散發產品的不確定性仍較大（Wang and Dickinson，2012;Mueller et al.，2013;Lei et al.，2015;Liu et al.，2016;Dong and Dai，2017;Wu et al.，2023;Yang et al.，2023）。值得注意的是，目前蒸散發的估算方法和結果未能很好地考慮灌溉的影響（Lei et al.，2015;Castle et al.，2016;Pan et al.，2020），如數值模式由于缺乏人類用水影響模塊，其往往低估了蒸散發的大小（Rodell et al.，2011;Castle et al.，2016;Pan et al.，2017）;基于MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）衛星遙感數據估算的蒸散發產品，其數值也常常被低估（Jia et al.，2012;Lei et al.，2015;Wan et al.，2015;Pei et al.，2017），這與遙感傳感器無法直接觀測蒸散發量有關（Yang et al.，2023）;并且基于遙感數據估算蒸散發的算法無法顯式考慮灌溉的影響，即使葉面積指數等可以在一定程度上反映灌溉效應（Pan et al.，2020）。但是相對基于遙感數據估算的蒸散發產品、診斷以及再分析結果，數值模式的蒸散發結果之間的不確定性較小（Mueller et al.，2013;Long et al.，2014），此外應用更多的地面觀測數據約束蒸散發估計，被認為是減少其不確定性的有效途徑（Mueller et al.，2011;Lü et al.，2017）。綜上所述，基于數值模式的蒸散發產品在灌溉劇烈的區域往往需要進一步修正，采用觀測的降水、徑流以及灌溉耗水量數據重建模式蒸散發是值得嘗試的研究工作。

圍繞農業灌溉影響下的月尺度蒸散發如何估算的問題，考慮到蒸散發和徑流過程緊密聯系，Lü et al.（2019a）采用觀測的降水、黃河水利委員會還原的天然徑流以及黃河水資源公報發布的年灌溉耗水量數據，對全球陸地數據同化系統GLDAS（Global Land Data Assimilation System;Rodell et al.，2004）三個版本即1.0、2.0和2.1的模式蒸散發結果進行校正和改進，通過將年灌溉耗水量降尺度到月尺度，建立了考慮農業灌溉耗水的黃河流域蒸散發的計算方案。通過水量平衡方程估算的蒸散發檢驗發現，利用該方案估算的流域蒸散發的結果均有所改善，相關系數（r）、納什效率系數（NSE）、平均絕對誤差（MAE）以及均方根誤差（RMSE）評價指標的改善幅度分別為0.6％～1.8％、1.2％～14.6％、1.3％～21.0％以及2.1％～20.4％，且去除季節循環之后以上統計指標的改善程度更加明顯（圖4）。這說明建立的考慮農業灌溉影響的流域蒸散發計算方案是合理有效的，研究結果可以為流域水循環變化研究提供數據基礎。

2.2? 農業灌溉對陸地水儲量的影響

農業灌溉活動可以通過對地表水和地下水的再分配以及蒸散發過程，對陸地水儲量產生影響，且地表水和地下水的取水灌溉活動對陸地水儲量的影響不同（Lü et al.，2019b）。通常地表水灌溉使得局地陸地水儲量增加，而抽取地下水灌溉使得陸地水儲量減少（Feng et al.，2013;Huang et al.，2015）。利用黃河水資源公報發布的年尺度灌溉耗水量數據研究發現，2003—2016年黃河流域灌溉耗水量的增長加速了陸地水儲量的減少，貢獻率為4.9％（Lü et al.，2021）。但是由于農業灌溉的觀測數據十分缺乏，所以灌溉活動對流域水循環的影響機理研究主要依賴于數值模式，目前對灌溉的大尺度準確模擬還存在困難（Puy et al.，2022;McDermid et al.，2023）。如缺乏準確的灌溉面積分布數據，存在不同數據產品差別較大的問題（Puy et al.，2022）;農業灌溉活動本身受到人為因素的影響較大，難以建立一套普遍適用的通用算法（Lei et al.，2015;Lawston et al.，2017）;我國還存在跨流域調水的問題，目前在已有模式中還難以準確描述（Wada et al.，2014）;此外絕大多數的數值模式缺乏對灌溉取水來源（是地表水還是地下水）的準確刻畫（McDermid et al.，2023）。以上存在的不足給準確模擬真實發生的灌溉活動帶來困難，因此難以準確揭示灌溉活動對水循環的影響機理。

3? 植被改變對黃河流域水資源的影響

3.1? 生態工程背景下黃河流域的植被變化特征

針對生態工程實施以來黃河流域的植被變化特征已有大量的研究（Chen et al.，2015;劉昌明等，2016;Li et al.，2017;Yao et al.，2019;Zhang et al.，2022）。2000年以來，中國北方相繼實施了退耕還林還草、三北防護林（第四期和第五期）等生態工程（邵全琴等，2022），其中退耕還林還草引起的土地利用變化效果最為明顯（張永強和李聰聰，2020），退耕還林還草生態工程主要包括三種土地利用類型的轉化，即耕地轉變為森林、耕地轉變為草地以及荒漠轉變為森林（Yuan et al.，2014）。黃土高原以及整個黃河流域2000年后的變綠速度明顯高于1982—1999年且達到6～10倍，2000年植被覆蓋度相比前后各兩年處于一個低值（Li S et al.，2016;Li J J et al.，2017;Jian et al.，2022），該低值變化特征主要由龍口至花園口區間植被變化所主導（Wang Z H et al.，2022）。在2001—2016年間，黃土高原森林面積增加了48 786 km2，森林面積所占比例從8.19％增加到15.82％（Wang et al.，2018）。對比2000、2005和2010年，黃土高原的耕地、森林和草地的歸一化植被指數（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）均在增加（Li et al.，2017）。對于不同的NDVI植被數據來源，雖然植被變化的空間分布特征存在差異，但是不影響流域整體變綠的研究結論（Tian et al.，2021）。對于2000—2020年黃河流域生長季的NDVI變化，人類活動的影響占66％，降水和氣溫的貢獻率為34％（Ren et al.，2022）。

3.2? 黃河流域植被改善的水文氣候效應

土地利用變化對水文過程及區域氣候均具有重要影響，如通過改變下墊面透水性、植被截流量影響水文過程，也可以通過改變地表反照率、地表粗糙度影響感熱和潛熱通量，從而改變區域氣候。黃河流域自從實施生態工程以來，植被覆蓋明顯改善，但同時觀測到的河道徑流量減少。針對植被變化對黃河流域水資源的影響，研究人員從多個途徑開展了一系列研究，包括統計學方法（Zhang et al.，2008;王雁等，2013;Lü et al.，2018;Zhang S L et al.，2018;張建云等，2021），以及數值模式模擬方法（McVicar et al.，2007;劉昌明等，2016;Lü et al.，2019c;Ge et al.，2020;Zhang et al.，2022;Liu et al.，2023）。

值得注意的是，植被的水文氣候效應具有復雜性（Ellison et al.，2012），一種觀點認為，植被增加會消耗水分、減少徑流和土壤濕度，從而導致可獲得水資源量減少（Feng et al.，2016;Jia et al.，2017;Ge et al.，2020;Shao et al.，2021;張建云等，2021;Wang Z H et al.，2022）。如應用水文模型模擬發現，黃河中游植被增加具有的顯著減水效應主要是由于蒸散發增加所致（劉昌明等，2016）。黃河、淮河、海河流域植被覆蓋改善對徑流有削減作用，流域的NDVI平均增加10％，會導致徑流平均減少8.3％（張建云等，2021）。在黃河中下游地區，植被改善對徑流減少的貢獻率為19％，與降水和潛在蒸散發的貢獻率相當（Lü et al.，2018）。此外，即使得出植被改善減少徑流同樣結論的研究工作，對降水的研究結論也存在差異。如應用區域模式WRF（Weather Research and Forecasting model）研究表明，在耕地轉變為混交林的情況下，植被改善使流域面平均降水量增多，但增加的降水更多地消耗于蒸發和補給土壤水分，并未使徑流增加（Lü et al.，2019c）。但也有基于WRF的模擬研究指出，退耕還林還草使得黃土高原蒸散發過程增強，進而徑流和土壤含水量減少，但是對降雨量沒有影響（Ge et al.，2020）。另一種觀點認為，森林恢復對水資源量的增加具有積極作用（Wang et al.，2017;Zhang et al.，2022;Liu et al.，2023）。Li et al.（2018）針對1982—2011年的植被變化指出，中國北方地區植被變綠和森林面積增加使得降水增加，雖然增加量在統計學上并不顯著，但是足夠抵消掉增加的蒸散發量，因此對土壤濕度的影響較弱。Zhang et al.（2022）和Liu et al.（2023）指出，黃土高原的植被改善使局地水分循環增強，降水的增多抵消了蒸散發的增加，最終地表的產水能力（作者使用降水與蒸散發差值表示）增大。

雖然植被改善對水資源影響還存在一些爭議，但是黃土高原植被覆蓋改善使得該地區蒸散發量增加的結論基本達成共識（Feng et al.，2016;Li et al.，2016;Shao et al.，2019;Yang et al.，2023）。相對氣候變化，2000—2012年植被變綠是黃土高原蒸散發量增加的主要驅動力（Jin et al.，2017）。也有研究指出，植被變綠起到增強植被蒸騰、抑制土壤蒸發的作用（Jiang et al.，2022;Yang et al.，2022）。正是由于植被對水文氣候效應的復雜性，在不同研究地區、不同分析時段，其研究結論很可能不同。如對于降水明顯偏多和偏少的年份，黃河流域同一植被變化對水循環要素影響的空間分布不同;這很可能與大尺度環流背景有關，如季風的強弱（Lü et al.，2019c），也與亞洲季風系統中陸地、大氣及海洋強烈耦合在一起有關（Yasunari，2007），并且海洋在調制中國東部季風區植被與氣候的相互作用中起到了重要作用（Ma et al.，2013）。

4? 結論與展望

在氣候變化和人類活動（植被變化和人類用水）的共同影響下，黃河流域的水循環正在發生顯著變化，為此在“人類世”背景下黃河流域的水循環研究必須考慮人類活動的影響。黃河流域實施生態工程以來，植被覆蓋明顯得到改善，觀測的河道徑流量減少，大多數研究表明植被改善具有減少徑流量和土壤含水量的效應，但也存在一些不同的研究結論;黃土高原植被覆蓋改善使得該地區蒸散發量增加基本形成共識，但對降水的影響的研究相對較少且尚不一致。此外，黃河流域的農業用水量占用水總量的比例超過60％，農業灌溉活動使得地表蒸散發過程變得更加復雜，準確估算地表蒸散發對利用多元數據（地面觀測、衛星遙感以及再分析資料）獲得閉合的陸地水分收支、客觀描述水循環變化的真實圖像具有重要意義。黃河流域水資源開發利用率遠超一般河流開發利用警戒水平，水資源短缺是流域持續存在的難題。在這一背景下，不斷發展數值模式中的人類活動影響模塊，為變化環境下黃河流域的水循環研究提供有力的工具支撐顯得越來越重要，且也是地球系統模式關注的重點之一（Chen et al.，2019）。

由于地下水的地面觀測數據缺乏且獲取困難，黃河流域甚至中國北方地區地下水的時空變化研究還比較缺乏，所以蒸散發與地下水變化之間的聯系機理尚缺乏清晰認識，且目前大尺度陸面水文模式對地下水的模擬能力還有待進一步提高和檢驗（Condon et al.，2020;Hellwig et al.，2020）。首先，對于基于地面觀測的地下水研究，由于觀測井數量有限，且地下水變化的空間異質性強，所以較大區域的地下水空間變化分析存在困難（Zhang et al.，2023）。其次，可以基于GRACE衛星的陸地水儲量估算黃河流域及中國地區的地下水變化（Lin et al.，2019;Zhang et al.，2020;Lü et al.，2021），但是無法獲取地下水位的絕對數值，且需要特別關注估算結果的不確定性。最后，當前大尺度模型對地下水儲量動態及對其地表水的貢獻沒有考慮或者考慮過于簡單（Condon et al.，2020），且主要考慮的是潛水含水層的地下水過程（Koirala et al.，2014）。總之，地下水問題的研究遠落后于地表水和土壤水，由此限制了地下水與氣候之間動態關系的研究。

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·ARTICLE·

A review on the changing water cycle of the Yellow River basin under changes in climate， vegetation， and human water use

L Meixia1，2，MA Zhuguo1，2，LI Mingxing1，2

1Key Laboratory of Regional Climate Environment for Temperate East Asia，Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China;

2University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Abstract? The terrestrial water cycle has been changing greatly under the impacts of climate warming and human activities in the Yellow River basin that faces a severe water shortage.It is vital to understand the whole picture of water cycle changes，which is essential for achieving efficient use of limited water resources.Given that terrestrial water cycle is a complicated nonlinear system，synergetic mechanism of changes in all the water cycle processes should be taken into account.Moreover，human activities （vegetation cover and water use） must be considered in current water cycle change studies in the Yellow River basin in the Anthropocene，with irrigation being the main sector of human water usages.Greening is happening under the impacts of the ecological construction in the Loess Plateau.River discharge，evapotranspiration，soil moisture，groundwater，and terrestrial water storage are changing as well.And the impacts of revegetation on water remain contentious.Studies show that revegetation has led to a significant increase in evapotranspiration in the Loess Plateau，and most studies support the conclusion that vegetation greening reduces streamflow.Flood irrigation is the main irrigation method in this basin，and this practice would also influence water cycle processes including precipitation，temperature，evapotranspiration，and surface／subsurface water bodies.In this paper，we reviewed the advances in studies on water cycle changes in the Yellow River basin，and discussed future directions.

Keywords? Yellow River Basin;climate change;human water use;water cycle

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20230919002

（責任編輯：張福穎）