傅光華

(國(guó)家林業(yè)和草原局產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃院，北京 100010)

1 引言

宏觀生態(tài)學(xué)是從生態(tài)學(xué)研究尺度對(duì)群落生態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)進(jìn)行研究的生態(tài)學(xué)科分支[1]。為研究大尺度宏觀生態(tài)的影響，筆者在《生態(tài)文明建立的體制因素——區(qū)域生態(tài)治理理論與實(shí)踐》[2]中提出區(qū)域宏觀生態(tài)學(xué)和生態(tài)異變概念，即從一個(gè)區(qū)域、流域甚至跨流域的大尺度空間研究生態(tài)行為，比宏觀生態(tài)學(xué)更宏觀，主要通過(guò)整體和趨勢(shì)性的生態(tài)現(xiàn)象研究人與自然的關(guān)系；生態(tài)異變指發(fā)生宏觀生態(tài)性質(zhì)變化的大變化，是趨勢(shì)性改變。宏觀生態(tài)研究可以在眾多微觀研究成果的基礎(chǔ)上總結(jié)和梳理出共性的規(guī)律，但又與微觀研究或中觀研究存在很大區(qū)別，宏觀生態(tài)考量的是大跨度、共性的發(fā)展趨勢(shì)和規(guī)律，更具有前瞻性，主要為決策和宏觀布局服務(wù)。

由于水汽對(duì)地球水圈、大氣圈、巖石圈和生物圈的影響關(guān)聯(lián)度強(qiáng)，大氣水循環(huán)在區(qū)域宏觀生態(tài)研究中具有重要地位，水是引起生態(tài)異變的重要因素，尤其在干旱半干旱地區(qū)，水是導(dǎo)致脆弱化、退化甚至異變的關(guān)鍵要素，研究影響水汽循環(huán)的內(nèi)環(huán)境影響因素，對(duì)區(qū)域宏觀生態(tài)治理政策制定、重大工程布局及有針對(duì)性采取適度人工干預(yù)措施均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 研究方法

研究發(fā)現(xiàn)黃河流域有兩大巧合：一是幾千年前隨著華夏文明的開(kāi)啟和單一農(nóng)耕社會(huì)的形成，導(dǎo)致黃河流域進(jìn)入生態(tài)退化過(guò)程，同時(shí)也伴隨著干旱化趨勢(shì)的逐步形成，這種宏觀生態(tài)異變趨勢(shì)卻從新中國(guó)成立后開(kāi)始出現(xiàn)停滯，進(jìn)而逐步出現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)的跡象，1999年開(kāi)展退耕還林還草工程后，西部地區(qū)監(jiān)測(cè)的多項(xiàng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳躍式大幅改善，這些都與流域生態(tài)環(huán)境，尤其是地表植被蓋度變化高度正相關(guān)；二是2014年底南水北調(diào)中線工程投入運(yùn)行，黃河中上游的陜西、甘肅等地區(qū)監(jiān)測(cè)的降水量從2015年開(kāi)始明顯增加。揭示這些巧合的內(nèi)在邏輯是基本動(dòng)機(jī)，從氣象學(xué)研究的地域外輸入水汽和輸出水汽研究來(lái)看，尚未發(fā)現(xiàn)因境外水汽輸送變化導(dǎo)致的明顯證據(jù)，研究結(jié)果顯示主要是內(nèi)部因素造成了水汽循環(huán)的變化。這就是本文的思路和分析邏輯。

具體方法：

(1)建立黃河流域大氣水汽循環(huán)模型，結(jié)合模型參數(shù)從理論上分析流域宏觀生態(tài)層面影響因子，證明水是影響干旱半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的核心要素，是眾多相關(guān)因子的“關(guān)鍵少數(shù)”，并從水汽循環(huán)機(jī)理揭示內(nèi)在影響因素，尋找干預(yù)目標(biāo)。

(2)以現(xiàn)有研究成果為基礎(chǔ)，驗(yàn)證和分析下墊面植被圈在流域級(jí)區(qū)域宏觀生態(tài)異變中的作用，梳理實(shí)踐過(guò)程中表征的影響水汽循環(huán)因素。

(3)根據(jù)主要影響因素，提出干預(yù)手段。

3 大氣水循環(huán)

3.1 大氣水汽循環(huán)基本模型

陸桂華等在《全球水循環(huán)研究進(jìn)展》[3]中介紹了國(guó)際上水循環(huán)研究進(jìn)展，指出水循環(huán)是地球上最重要的物質(zhì)循環(huán)之一，是聯(lián)系地水圈、大氣圈、巖石圈和生物圈的紐帶。水循環(huán)的變化深刻影響著全球水資源、能量和化學(xué)物質(zhì)的分布與改變，關(guān)系著人類社會(huì)的發(fā)展和生產(chǎn)活動(dòng)，世界氣象組織于1979年啟動(dòng)的世界氣候研究計(jì)劃(WCP)表明，水分循環(huán)與能量是影響全球或區(qū)域尺度氣象變化的主要因素。為了研究氣候變化條件下海洋—大氣—陸面間能量與水分相互作用和轉(zhuǎn)換及其對(duì)氣候的反饋，世界氣象組織于1988年組織并實(shí)施了地球能量與水循環(huán)實(shí)驗(yàn)(GEWEX)。在另一項(xiàng)重要國(guó)際計(jì)劃——國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)的實(shí)施過(guò)程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)土壤—植被—大氣系統(tǒng)(Soil—Plant—Atmosphere Continuum，SPAC)對(duì)能量和水汽通量的作用直接影響到全球尺度的水循環(huán)過(guò)程。

姚俊強(qiáng)等在《新疆大氣水汽再循環(huán)過(guò)程變化及機(jī)制研究》[4]提出，大氣水分循環(huán)過(guò)程是水循環(huán)過(guò)程的一個(gè)重要分支。大氣降水一般有兩個(gè)來(lái)源：局部蒸發(fā)的水汽(即大氣水汽再循環(huán))和外部水汽輸送(平流水汽)。大氣水汽再循環(huán)是水循環(huán)的關(guān)鍵組成部分，它連接著陸地表面和大氣，平衡著地球系統(tǒng)的水和能量循環(huán)。

參考張良等《祁連山地區(qū)大氣水循環(huán)研究(Ⅱ)》[5]中“圖1水循環(huán)模型”原理，提出本研究水循環(huán)模型圖(圖1)，且張良等提出的幾個(gè)等式關(guān)系：I=PI+OI，E=PE+OE，O=OI+OE在本研究模型中依然適應(yīng)。

圖1 水循環(huán)模型(參考張良等水循環(huán)模型)

根據(jù)物質(zhì)守恒定律，本研究進(jìn)一步提出某一區(qū)域內(nèi)的水總平衡關(guān)系方程式：

I+W=O+R+S+B

(1)

B=BE+BB

(2)

E=BE+SE

(3)

式(1)～(3)中：I為域外水汽輸入量；W為地表徑流域外輸入水量；O為本域輸出水汽總量；R為本域地表徑流輸出水量；S為下墊面下滲量；B為生物等消耗量；E為總蒸散水汽量；BE為植被蒸騰水汽量；SE為地表土壤蒸散水汽量。

盡管就水物質(zhì)總量及總輸入、總輸出角度分析，似乎對(duì)研究區(qū)域內(nèi)水汽沒(méi)有太大意義，但是，受輻射、氣流、氣壓等多種因子影響，從大尺度考慮，內(nèi)部的大氣水汽和地表水總處于一種蒸發(fā)、凝聚和降水的循環(huán)動(dòng)態(tài)，尤其是E直接關(guān)系內(nèi)部水汽循環(huán)效率。

3.2 大高程差流域大氣水汽循環(huán)模型

這種區(qū)域有幾個(gè)特定條件，一是大尺度的流域，易于形成復(fù)雜的水汽自循環(huán)；二是流域兩端海拔高程差比較大，在暖氣流季節(jié)溫差和壓差能夠形成對(duì)流層氣流的弱“煙囪效應(yīng)”，盡管不會(huì)有真“煙囪效應(yīng)”那么強(qiáng)烈的效果，但形成的弱升流效應(yīng)疊加對(duì)流層復(fù)雜的氣象，一定程度上會(huì)對(duì)水汽產(chǎn)生影響。結(jié)合圖1水循環(huán)基本原理和地形構(gòu)造提出本研究水循環(huán)模型圖Ⅰ(圖2)。

圖2 大高程差流域大氣水循環(huán)模型Ⅰ圖

該模型主要特點(diǎn)是流域兩端海拔高程差比較大，壓差和溫差梯度變化疊加大坡度下墊面比較容易影響對(duì)流層氣流，氣溫隨高度升高而降低，氣溫垂直分布特征和地面熱力性質(zhì)的非均勻性，形成大規(guī)模的強(qiáng)烈對(duì)流運(yùn)動(dòng)和無(wú)規(guī)則的湍流運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)大氣從低海拔向高海拔流動(dòng)，把水汽從下游向上游轉(zhuǎn)移，實(shí)際效果與“煙囪效應(yīng)”有點(diǎn)類似。

這一模型有一種特例，就是符合模型條件的干旱半干旱流域。由于這種環(huán)境條件對(duì)水汽量的變化很敏感，表征上的變化比較容易顯現(xiàn)，如隨著地表植被的增加，上游水汽和降水量也會(huì)逐步緩慢增加，在水汽積累到一定程度后，形成半濕潤(rùn)、濕潤(rùn)大氣環(huán)境，同時(shí)，隨著降水增多，地面慢慢由干燥變得濕潤(rùn)，形成局部地區(qū)的大氣地面濕化耦合現(xiàn)象(大氣和地表土壤同時(shí)處于干半濕潤(rùn)及以上狀態(tài)，根據(jù)《農(nóng)業(yè)氣候區(qū)劃及方法》，將我國(guó)濕潤(rùn)系數(shù)分為七級(jí)，分別為干旱、半干旱、干半濕潤(rùn)、濕半濕潤(rùn)、濕潤(rùn)、潮濕以及過(guò)濕)，且隨著下中游水汽條件的改善和蒸散效應(yīng)積累，上游的濕潤(rùn)區(qū)范圍會(huì)緩慢加大，濕潤(rùn)線沿著流域坡向逐步下移。

從圖2中可以看出，如果把整個(gè)流域作為一個(gè)單元，根據(jù)物質(zhì)和能量守恒定律，影響流域水循環(huán)的因子有：域外水汽輸入量(I)、本區(qū)域輸出水汽(O)、地表徑流域外輸入水量(W)、地表徑流本域輸出水量(R)。I是由更大尺度的大氣環(huán)流和氣候帶決定的，主要由平流水汽形成，在目前的科技條件下人工干預(yù)的條件尚不具備；影響O的因素除了更大尺度的大氣環(huán)流和氣候帶外，還有一個(gè)途經(jīng)本區(qū)域的過(guò)程，必然會(huì)受到本域眾多因素的影響，尤其是地水圈和生物圈；W和R是人工干預(yù)可供選擇的因素，如調(diào)水工程。

就區(qū)域內(nèi)部，決定水分效能和利用效率的是水循環(huán)效率。影響大氣水分循環(huán)的主要因子是下墊面表面積和溫度，而植物對(duì)表面積和溫度的影響是非常重要的因素。植物從土壤中吸收水分，并以水汽形式向大氣中散失，這一過(guò)程稱為植物蒸騰。植物蒸騰過(guò)程是植物本身不同器官和它所在環(huán)境相互作用及反饋影響的結(jié)果。許迪等在《冬小麥—夏玉米種植模式的農(nóng)田水量平衡模擬以及入滲補(bǔ)給規(guī)律分析》[6]中表明，植物所吸收的大部分水分(98%～99%)均通過(guò)蒸騰作用以水蒸汽的方式散失到大氣中。當(dāng)植物冠層不能夠完全封閉陸地表面或地表裸露時(shí)，土壤中的水分和水汽則直接散發(fā)到大氣中，稱為土壤蒸發(fā)。植物蒸騰和土壤蒸發(fā)統(tǒng)稱蒸散發(fā)(亦稱騰發(fā)或蒸散)。

劉樹(shù)華等在《干旱、半干旱地區(qū)蒸散過(guò)程的模式》[7]中提出，一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)入大氣水汽再循環(huán)的蒸發(fā)水汽與下墊面植被關(guān)系密切。地表土壤—植被—大氣系統(tǒng)中的蒸散是陸地水循環(huán)過(guò)程的重要子過(guò)程，決定了從土壤和植被進(jìn)入大氣水分的多少，及伴隨著這一過(guò)程的潛熱和感熱的變化。從而顯著影響下墊面的氣候和環(huán)境條件，對(duì)于區(qū)域內(nèi)動(dòng)植物的生存、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。劉樹(shù)華等研究還表明，在干旱半干旱地區(qū)植被冠層內(nèi)空氣濕度的比濕變化在一天中呈現(xiàn)“M”形變化趨勢(shì)，由于綠洲環(huán)流和植被的主動(dòng)生理調(diào)節(jié)作用，當(dāng)上午氣溫升到一定高度時(shí)，環(huán)流開(kāi)始形成，帶走部分綠洲上的水汽，而植被為了保證自身的蓄水量，蒸騰作用減弱而光合作用增強(qiáng)，通過(guò)氣孔釋放的水汽減少；當(dāng)下午溫度回落后，葉片氣孔擴(kuò)張，蒸騰作用增強(qiáng)，由綠洲向其它區(qū)域的水汽輸送減少，因此冠層內(nèi)空氣濕度又開(kāi)始上升直至達(dá)到峰值。地表植被不僅喬木、灌木存在蒸散效應(yīng)，草本同樣存在，宋小寧等在《半干旱地區(qū)遙感雙層蒸散模型研究》[8]表明，在草原生態(tài)系統(tǒng)中，植被蒸發(fā)蒸騰是水分損失的一個(gè)重要途徑。陳昌毓等《甘肅干旱半干旱地區(qū)林木蒸散量估算和水分適生度研究》[9]也從另一個(gè)角度研究證明植被的蒸散效應(yīng)，甘肅干旱半干旱區(qū)喬木薪炭林和喬木用材林生長(zhǎng)期水分蒸散量，河西走廊區(qū)域分別為250～600 mm和450～850 mm，甘肅黃土高原區(qū)域分別為200～550mm和 370～700 mm；灌木林正常生長(zhǎng)的水分蒸散量約為喬木的1/3～2/3，為170～390 mm。這些研究都證明，下墊面生物圈是大氣水汽循環(huán)的重要參與者，在水汽循環(huán)中，植被在地下水—生物圈—水汽蒸散—水氣混合體轉(zhuǎn)移或降水循環(huán)過(guò)程中處于關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在干早半干早地區(qū)，植被通常不能將土壤表面完全覆蓋，在干旱季節(jié)時(shí)更是如此。由于干旱半干旱地區(qū)下墊面土壤含水量較少，尤其表土層長(zhǎng)年處于干燥狀態(tài)，裸露地表的蒸發(fā)水分非常有限，像西部地區(qū)，盡管年蒸發(fā)量超過(guò)2000 mm，但年降水僅幾百毫米，甚至幾十毫米，地表可蒸發(fā)到大氣中的水分量很有限。但是，下墊面底層往往比較濕潤(rùn)，在沒(méi)有植被的地方，因受地表層和地心層保護(hù)，地下水難以蒸發(fā)，可在有植被的地方，卻因植被根系的吸水作用，通過(guò)植物組織將地下水轉(zhuǎn)移到葉面，再通過(guò)植物蒸騰出去，從而增加水循環(huán)的數(shù)量，提高了水資源的利用效率。在圖2基礎(chǔ)上，增加地表植被因素和植被蒸騰效應(yīng)提出本研究的干旱半干旱地區(qū)植被參與水循環(huán)模型圖Ⅱ(圖3)。

圖3 干旱半干旱區(qū)域植被影響水循環(huán)模型Ⅱ

模型Ⅱ很好地解釋了干旱半干旱地區(qū)存在的一種現(xiàn)象，流域中下游地區(qū)隨著地表層植被的增加，地表層反而呈現(xiàn)干裂化現(xiàn)象。朱仲元的《干旱半干旱地區(qū)天然植被蒸散發(fā)模型與植被需水量研究》[10]指出，由于這一區(qū)域植被大多為稀疏植被，稀疏植被裸露表層土壤(0～15 cm)中的含水量對(duì)土壤蒸發(fā)系數(shù)的影響很明顯。因?yàn)楦瞪L(zhǎng)與水分吸收緊密聯(lián)系，根系吸收水分促進(jìn)根系生長(zhǎng)，而根系生長(zhǎng)反過(guò)來(lái)又增加了根系吸水的深度。

基于這一邏輯，本研究提出一種非常有必要的人工干預(yù)方式：在大高程差干旱半干旱地區(qū)，隨著生態(tài)建設(shè)的推進(jìn)和植被不斷恢復(fù)的同時(shí)，植被導(dǎo)致的蒸騰作用加大，即公式(2)中植被蒸騰水汽量BE增加了，隨著中下游地區(qū)下墊面水分通過(guò)蒸騰—大氣弱“煙囪效益”將水分BE中的一部分不斷輸送到了上游地區(qū)，根據(jù)公式(1)，在水汽外輸入量(I、O)不變的前提下，通過(guò)內(nèi)部循環(huán)上游增加了，中下游必然就會(huì)減少，表征結(jié)果呈現(xiàn)的就是中下游地表濕潤(rùn)度下降，甚至呈現(xiàn)局部干裂等缺水癥狀，實(shí)際上是下中游水因蒸騰遷移而失衡的結(jié)果，即表層地下水蒸散量大于降水補(bǔ)水量。因此，在條件可能的情況下，對(duì)中下游開(kāi)展流域級(jí)生態(tài)調(diào)水補(bǔ)水就顯得非常有必要。

4 植被對(duì)水循環(huán)影響在黃河流域生態(tài)異變千年趨勢(shì)中的作用

黃河流域是典型的圖2模型，有記載的幾千年歷史中，流域生態(tài)異變歷經(jīng)由圖3模型逐步退化為圖2模型，新中國(guó)成立后正在逐步恢復(fù)為圖3模型的過(guò)程，這也是研究該模型的價(jià)值所在，對(duì)黃河流域生態(tài)修復(fù)和有針對(duì)性開(kāi)展適度人工干預(yù)具有現(xiàn)實(shí)意義。

4.1 幾千年的黃河流域生態(tài)退化史

來(lái)自黃河管理委員會(huì)的數(shù)據(jù)[11]顯示，黃河發(fā)源于青藏高原巴顏喀拉山北麓約古宗列盆地，蜿蜒東流，穿越黃土高原及黃淮海大平原，注入渤海，干流全長(zhǎng)5464 km，水面落差4480 m，流域總面積79.5萬(wàn)km2(含內(nèi)流區(qū)面積4.2萬(wàn)km2)。黃河流域構(gòu)成我國(guó)重要的生態(tài)屏障，是連接青藏高原、黃土高原、華北平原的生態(tài)廊道，擁有三江源、祁連山等多個(gè)國(guó)家公園和國(guó)家重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)。在我國(guó)5000多年文明史中，黃河流域有3000多年是全國(guó)政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。鄒逸鱗對(duì)我國(guó)歷史上幾千年的生態(tài)環(huán)境變遷做過(guò)比較系統(tǒng)的研究[12,13]，葛全勝等從氣候的角度對(duì)我國(guó)歷史上主要流域的氣候變化及影響作了研究[14]，相關(guān)成果表明，黃河流域在歷史上植被豐富，大約在距今4000～5000年，黃河流域谷物農(nóng)業(yè)時(shí)代的開(kāi)啟進(jìn)入土地深度利用時(shí)期，也宣告了黃河流域生態(tài)危機(jī)之門(mén)的開(kāi)啟。從生態(tài)學(xué)的視角看，中國(guó)不同歷史時(shí)期人口增長(zhǎng)、人口遷移、各種類型的墾殖對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響巨大。北宋以后，中國(guó)人口出現(xiàn)明顯的長(zhǎng)期上升趨勢(shì)，人口壓力導(dǎo)致農(nóng)墾與山林亂砍濫伐的加劇，特別是到了清代中葉生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化，人類無(wú)限的索取最終超過(guò)自然資源承載力，黃河流域生態(tài)退化進(jìn)入大趨勢(shì)的低谷期。數(shù)據(jù)顯示，春秋時(shí)期，黃河含沙量約為10 kg/m3，到了明代中期，含沙量為28.3 kg/m3，可謂“一碗黃河水，半碗黃泥沙”。

4.2 黃河流域生態(tài)進(jìn)入良性回歸期

黃河流域幾千年生態(tài)退化趨勢(shì)直到新中國(guó)成立后才逐步被逆止，并逐步進(jìn)入逆轉(zhuǎn)和緩慢進(jìn)入一種恢復(fù)的新趨勢(shì)狀態(tài)，這種局面的出現(xiàn)，是新中國(guó)體制生態(tài)自覺(jué)內(nèi)在驅(qū)動(dòng)的結(jié)果[2]。從數(shù)據(jù)看，新中國(guó)成立初我國(guó)森林覆蓋率約為8.6%，截至1981年森林覆蓋率12%，凈增森林面積約33萬(wàn)km2，加上采伐及造林更新面積約74萬(wàn)km2，新中國(guó)成立前30年全國(guó)完成造林綠化面積107萬(wàn)km2，超過(guò)國(guó)土面積的11%。尤其在干旱半干旱地區(qū)，盡管造林平均成活率僅在30%左右，但通過(guò)三北防護(hù)林工程、太行山綠化工程及國(guó)土綠化工程的實(shí)施，黃河流域植被恢復(fù)取得初步成效[15]。根據(jù)計(jì)偉等的研究，至2018年，黃河流域草地、農(nóng)田和森林三大生態(tài)系統(tǒng)占全流域面積的比例分別為48.35%、25.08%和13.46%，森林和草地蓋度達(dá)到61.81%，從時(shí)間變化上看，20世紀(jì)80年代后黃河流域植被覆蓋度變化可以分為3個(gè)階段：20世紀(jì)80年代至90年代末總體上表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初期植被覆蓋度波動(dòng)較大，2004年后植被覆蓋度持續(xù)增長(zhǎng)[16]。

1999年開(kāi)始實(shí)施的“退耕還林還草”工程，使得整個(gè)流域的植被覆蓋發(fā)生了顯著的變化[17]。馬柱國(guó)等研究表明，黃河流域大部分地區(qū)植被覆蓋在 2000 年以后明顯變好，且黃河中下游植被覆蓋增加最為顯著，整個(gè)黃河流域植被覆蓋指數(shù)增加幅度達(dá)36.6%。其中，上游流域(蘭州站以上集水區(qū))1982～2017年增加了22.8%；中下游流域增加43.9%[18]。近年來(lái)黃土高原輸沙量的銳減，其主要原因也是造林綠化增加了下墊面的植被覆蓋率，遏制了因降水產(chǎn)生的水土流失，減少了輸入河流的泥沙。張艷芳等研究指出，從歸一化植被指數(shù)(NDVI)和標(biāo)準(zhǔn)化降水—蒸散指數(shù)(SPEI)來(lái)看，黃河源區(qū)2000年以來(lái)總體上均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，即植被覆蓋狀況略有好轉(zhuǎn)，干旱程度有所降低，黃河源區(qū)總體而言氣象干旱呈現(xiàn)出緩解的趨勢(shì)[19]。

4.3 黃河上游大氣地面濕化水汽主要為流域內(nèi)水汽循環(huán)輸送

張良等[5]應(yīng)用劉國(guó)緯的水文循環(huán)大氣過(guò)程模型研究了祁連山地區(qū)的大氣水循環(huán)變化特征，結(jié)果表明：祁連山區(qū)域總降水量在2014年之前的51年中表現(xiàn)為緩慢增加的趨勢(shì)，境外輸送水汽對(duì)于當(dāng)?shù)亟涤甑呢暙I(xiàn)呈減小趨勢(shì)，局地蒸發(fā)產(chǎn)生的水汽對(duì)于當(dāng)?shù)亟邓呢暙I(xiàn)增加，表現(xiàn)為21世紀(jì)初期由局地蒸發(fā)產(chǎn)生的降水量比1960年代增加33.0 mm；水文外循環(huán)系數(shù)表現(xiàn)為明顯的下降趨勢(shì)，表明境外輸送水汽在祁連山地區(qū)水文循環(huán)中的作用降低；與之相反，水文內(nèi)循環(huán)系數(shù)呈明顯的上升趨勢(shì)，表明由蒸發(fā)產(chǎn)生的降水使區(qū)域水循環(huán)加強(qiáng)。王可麗等的研究也表明，西北地區(qū)中部的水汽輻合輸送與西風(fēng)帶波動(dòng)的相關(guān)性不很密切，而與南亞夏季風(fēng)的相關(guān)性相對(duì)較好[20]，張玉娟等通過(guò)對(duì)西北地區(qū)東、西部地區(qū)1951～2000年近50年對(duì)流層整層大氣可降水量的變化趨勢(shì)開(kāi)展了研究，并在其論文《西北地區(qū)大氣水分特征及相關(guān)問(wèn)題的初步研究》[21]中指出，西北地區(qū)全年水汽輸送主要來(lái)自與其南面相鄰的青藏高原中西部的西南暖濕氣流以及陜西南部的東南暖濕氣流，西北地區(qū)西部的塔里木盆地以及其南面相鄰的青藏高原上空以及四川盆地北部常年維持水汽的輻合。而陜西南部的東南暖濕氣流、四川盆地暖濕氣流及南亞夏季風(fēng)影響與黃河中下游的水汽上升通道存在疊加影響。

甘肅省氣象局總工程師張強(qiáng)認(rèn)為“西北地區(qū)西部降水增加趨勢(shì)持續(xù)了30多年，這是一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的降水趨勢(shì)增加期，也超過(guò)了計(jì)算基準(zhǔn)氣候態(tài)的30年氣候期限，所以西北地區(qū)西部降水增加趨勢(shì)基本可以肯定了”“區(qū)域氣候條件有所改善，氣候舒適度有所提升；水資源總量有所增加，水循環(huán)機(jī)制有所改善，徑流量和湖泊面積有所增大；部分地區(qū)的生態(tài)環(huán)境向好發(fā)展，一些脆弱敏感區(qū)域的生態(tài)退化趨勢(shì)受到一定遏制；農(nóng)作物適宜種植面積有所擴(kuò)展，農(nóng)業(yè)氣候資源有所優(yōu)化”[22]。

任怡等[23]研究發(fā)現(xiàn)，2000～2013年黃河上游源區(qū)段由干旱逐漸轉(zhuǎn)為正常偏濕潤(rùn)。也有基于多組帕爾默干旱強(qiáng)度指數(shù)(PDSI)的分析表明，黃河源區(qū)自20世紀(jì)90年代以來(lái)的氣象和水文干旱均有緩解的跡象。上游年降水量增加了33 mm，中下游流域年降水量減少了31.6 mm。

鄭子彥等[24]研究表明，黃河源區(qū)自20世紀(jì)50年代以來(lái)降水總體呈現(xiàn)出不斷增多的態(tài)勢(shì)，其長(zhǎng)期趨勢(shì)達(dá)到每10年7.28 mm。其中，1951～2000年，黃河源區(qū)降水變化非常平穩(wěn)，僅以每10年3.76 mm不顯著的趨勢(shì)呈微弱的增長(zhǎng)；但自2001年之后，降水量以每年3.22 mm的速度迅猛增多，幾乎是1951～2000年增速的10倍。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[25]表明，2015年后陜西的降雨期拉長(zhǎng)了，汛期提前，結(jié)束得晚。多個(gè)縣的林業(yè)部門(mén)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)表明，年降水一般增加30～50 mm。時(shí)間與南水北調(diào)中線工程2014年底全線通水高度契合。

5 結(jié)論與展望

(1)基于水循環(huán)?；拘?，提出了區(qū)域內(nèi)水汽總平衡關(guān)系等式、大高程差流域大氣水循環(huán)模型Ⅰ和干旱半干旱流域植被影響水循環(huán)模型Ⅱ，以及在這種特定模式下水循環(huán)和水汽隨氣流向上游轉(zhuǎn)移。大高程差流域因壓差、溫差和地表熱輻射效應(yīng)，在暖季形成對(duì)流層氣流類似“煙囪效應(yīng)”的弱升流效應(yīng)，一定程度會(huì)導(dǎo)致下中游水汽向上游轉(zhuǎn)移。這一模型在干旱半干旱流域?qū)儆谝环N特例，由于干旱半干旱區(qū)域?qū)λ兓拿舾行?，表征上的變化比較容易顯現(xiàn)，如隨著植被恢復(fù)和蒸騰加大，在下中游或呈現(xiàn)局部干裂化現(xiàn)象，在上游呈現(xiàn)大氣地面濕化耦合現(xiàn)象。

(2)影響大氣水分循環(huán)的主要因子是下墊面表面積和溫度，而下墊面植被是關(guān)鍵因子。結(jié)合干旱半干旱流域植被影響水循環(huán)模型Ⅱ，提出一種非常有必要的人工干預(yù)方式：在干旱半干旱流域治理過(guò)程中，隨著植被等生態(tài)恢復(fù)的持續(xù)，應(yīng)對(duì)流域水輸入適當(dāng)開(kāi)展人工干預(yù)，即對(duì)中下游開(kāi)展流域級(jí)生態(tài)調(diào)水補(bǔ)水。且這一結(jié)論從南水北調(diào)中線工程和相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到了驗(yàn)證。

(3)應(yīng)用兩個(gè)模型(Ⅰ、Ⅱ)研究黃河流域幾千年來(lái)生態(tài)變化表明，黃河流域在有記載的幾千年歷史中，流域生態(tài)異變歷經(jīng)由模型Ⅱ逐步退化為模型Ⅰ，新中國(guó)成立后正在逐步恢復(fù)為模型Ⅱ的過(guò)程，展現(xiàn)該模型的研究?jī)r(jià)值。植被對(duì)水循環(huán)影響是黃河流域生態(tài)異變千年趨勢(shì)形成和變化的重要因素，反映的是人為干擾對(duì)植被、進(jìn)而對(duì)流域整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的影響。新中國(guó)成立后一系列生態(tài)工程的實(shí)施，是黃河流域生態(tài)異變趨勢(shì)逆轉(zhuǎn)的重要原因，而保持這種良好局面繼續(xù)深化的可行干預(yù)措施是繼續(xù)實(shí)施流域治理和生態(tài)修復(fù)等高質(zhì)量發(fā)展。

(4)1960年代以來(lái)，黃河流域水汽變化與新中國(guó)生態(tài)建設(shè)史高度契合，與大高程差干旱半干旱流域隨著植被恢復(fù)及生態(tài)環(huán)境改善會(huì)先在上游出現(xiàn)流域大氣地面濕化耦合現(xiàn)象相符。監(jiān)測(cè)和研究數(shù)據(jù)說(shuō)明，黃河流域已進(jìn)入上游濕潤(rùn)化的初始階段，且這種趨勢(shì)隨著生態(tài)建設(shè)力度加大和大型生態(tài)干預(yù)工程建成在明顯加快，也表明流域生態(tài)千年退化趨勢(shì)已經(jīng)步入逆轉(zhuǎn)的良好局面。東線、中線生態(tài)調(diào)水補(bǔ)水工程的生態(tài)促進(jìn)作用在區(qū)域宏觀生態(tài)層面得到了驗(yàn)證，對(duì)加快西線工程建設(shè)的必要性有了新的認(rèn)識(shí)。