本文是一篇留学生文论文，本研究基于 Eagleson 生态水文模型和生态最优理论，以黑河上游为研究对象，探究了内陆河上游实施生态恢复对区域生态稳定和产流的关系。在验证了Eagleson 生态水文模型对黑河上游 1992-2015 年生态水文过程复原的准确性后，设计并开展了植被控制实验、生态最优模拟实验和土地利用规划实验三类情景模拟实验。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
在干旱和半干旱地区，内陆河流域往往包括上游山区、中游绿洲和下游荒漠三部分（Cheng et al., 2014），上游地区对于整个内陆河流域的社会经济发展和区域生态系统可持续起着至关重要的作用。尤其在中国西北地区，内陆流域的上游通常位于山区，其丰富的降水和冰川积雪融水为流域提供了大量水资源，是中、下游径流的主要来源（Cheng et al., 2014; Gao et al., 2015; Zhang et al., 2016a），因此内陆河上游被认为是全流域的“水塔”地区。流域中来自上游山区的径流通常被用来维持中、下游的经济-生态平衡，为绿洲上的生产生活提供水资源，同时维持下游生态稳定。因此，如果中游地区因人口增长、农业生产等原因造成人工绿洲的扩张，用水量大幅度增加，那么用于维持下游生态系统的水量将会减少，从而导致下游天然绿洲退化、土地荒漠化和尾闾湖萎缩等后果（Cheng et al., 2014; Hu et al., 2015a）。总之，水资源短缺是限制内陆河流域经济-生态可持续发展的根本原因。为了应对水资源短缺的局面，中国政府自 2000 年起颁布了一系列政策，主要是通过控制中游生产生活用水（如农业节水灌溉）来保障对下游生态用水的供应，以此来维持内陆河流域社会经济发展和生态系统可持续之间的平衡（Cheng et al., 2014）。然而，随着经济发展和人口增长，中游的耗水增加是必然趋势，中、下游之间的水资源矛盾将会进一步加剧，仅靠调控手段可能会限制中游区域经济发展（Cheng et al., 2014; 蒋晓辉等，2019）。因此，有必要探究是否能够通过增加上游来水，实现开源和节流并举，从根源上缓解中、下游水资源矛盾。
然而，在干旱半干旱地区，上游山区既是整个内陆河流域的“水塔”区域，同时也担负着“生态屏障”的作用，其生态安全对自身和周边区域的生态稳定也有着重要意义（Wang et al., 2018）。近年来，在气候变化和人类活动共同作用下，内陆河上游山区的生态环境问题十分突出。以我国河西三大内陆河的产流地祁连山地区为例，该区域地表植被因不合理的大规模采矿活动被破坏严重，从而引发了地表塌陷和水土流失等问题（张汉军等，2018）；放牧、农田开垦和森林砍伐等活动也导致了地表植被破坏严重，从而降低生态系统的生物多样性（葛丽娟等，2018；陈明霞等，2018）；
1.2 国内外研究进展
1.2.1 植被变化对地表水文过程影响
植被变化可以分别通过直接和间接的方式对地表水文过程产生影响，一方面，植被通过改变其叶面气孔变化和根系吸水能力分别对蒸腾和土壤含水量产生直接影响（Eagleson, 2005; Williams et al., 2012）；另一方面，植被可以通过叶倾角、叶面积指数等冠层结构参数以及根系深度、根系密度等根系参数的变化影响降雨截留蒸发和土壤入渗过程（Eagleson, 2005; Williams et al., 2012; Shao et al., 2019）。而在探究植被变化对产流的影响方面，一般包括对比流域实验和模型模拟两类研究方法，有关这两类方法的详细介绍如下：
（1）对比流域实验法
对比流域实验法一般会选择两个地理位置较为接近的小流域，一般面积较小，很多不超过1 km2（Brown et al., 2005）。并且，要保证两流域的面积、气候情况、地形、土壤、植被等条件都很相似，确保不同流域之间的差异对产流影响最小。在研究过程中，选择其中一个流域作为对照组，不改变其地表原有植被情况；在另一流域开展植树或砍伐等活动进行地表植被控制实验，并观测该流域的产流变化。最终将开展植被实验的流域和对照流域的产流结果进行了对比，以此量化植被动态对区域产流的影响。有时也会仅选择一个流域，对比流域植被动态发生前后，产流的变化量，以此量化评估植被动态与水文过程关系。在全球分布的26个实验流域的径流观测研究表明，在10-20年间，植树造林带来的植被变化会导致径流减少52%（Jackson et al., 2005）。这种方法能够忽略气候变化对区域水文过程的影响，从而有效评估植被动态对产流的影响。但是，通过对比流域实验法计算得到的植被动态与产流之间的关系，由于受流域气候条件制约而缺乏代表性，并不能推广到其他区域（张树磊，2018）。因此，如果使用此方法评估面积较大的区域中植被动态对产流影响，必然需要大量的长期实测资料并较为耗费人力物力，且因为选择的两流域之间存在差异，其评估结果可能存在误差。
第二章 研究区概况
2.1 自然地理概况
2.1.1 地理位置
黑河发源于祁连山北麓，流经河西走廊，最终汇入内蒙古额济纳旗的居延海，全长约为 821 km。其流域经纬度范围为 97°00′-101°30′E，38°-42°N，总面积约为143×103 km2，是我国第二大内陆河流域（Cheng et al., 2014; 田杰，2019）。
本文的研究区域是黑河上游。上游位于黑河流域南部的祁连山区，主要山脉包括走廊南山、疏勒南山、讨赖山等，大部分地区的海拔在 2000-5000 m 之间（Li et al., 2009; 田杰，2019）。上游覆盖面积约为 27×103 km2 （97°29′-101°32′E, 37°43′-39°39′N）（图 2-1）（Tian et al., 2019; Zhou et al., 2019），是流域的主要产流区域。
2.2 气象水文条件
黑河上游多年平均降水量为 250-700 mm，大部分降水事件发生在生长季（Li et al., 2009）。多年平均气温为 3.1-3.6℃，气温随海拔高度的增加而逐渐降低（Zhang et al., 2016d）。降水量随着海拔高度的增加而逐渐增加，山区年平均降水梯度显示，海拔高度平均升高 100 m 降水增加量约为 12.4 mm，同时固态降水也随着海拔高度的增加而增多，在占流域面积约为 2.5%的海拔 4500 m 以上的区域，其年降水量可达 600 mm 且几乎均为固态降水（康尔泗等, 2008）。
黑河上游由于降水和冰川积雪融水较为丰富而成为了流域的主要产流区，中、下游地区约 90%的水资源都依赖于上游山区的补给（赵良菊等, 2011），仅干流的产流就为中下游提供了几乎 70%的水资源（Li et al., 2015）。上游的主要支流水系有 30 多条，其中包括黑河干流、讨赖河、梨园河、马营河、洪水坝河、丰乐河以及洪水河等（王旭升与周剑, 2009）。
黑河流域因为地处内陆，远离海洋，水资源短缺成为了制约流域社会经济发展的主要原因。近年来随着人口增长，人工绿洲扩张，中游耗水增加，中、下游之间的水资源矛盾日益突出（Chen et al., 2015a; Chen et al., 2019）。2000 年以来，中国政府实施了生态调水工程，对中、下游进行了合理的径流调配，有效地恢复了下游的生态（Cheng et al., 2014; Hu et al., 2015b），然而现有的水资源仍然无法满足中、下游用水需求（蒋晓辉等，2019），水资源矛盾仍然威胁着流域的水和生态安全。同时，黑河上游对气候变化的敏感性也加剧了产流的不确定性（Chen et al., 2015b; Guo et al., 2016）。
第三章 Eagleson 生态水文模型的构建及验证................................... 12
3.1 数据和模型........................................... 12
3.1.1 数据获取 .................................. 12
3.1.2 模型构建 ...................................... 15
第四章 黑河上游植被变化对产流影响分析 ...................................... 24
4.1 研究方法............................................ 24
4.1.1 实验设计 ...................................... 24
4.1.2 分析方法 .................................. 24
第五章 黑河上游植被动态的生态水文效应综合评估 ...................... 32
5.1 研究方法.......................................... 32
5.1.1 生态最优理论 ......................................... 32
5.1.2 实验及分析方法 .................................... 32
第六章 黑河上游土地利用方案优化探究
6.1 实验设计
由于基于遥感的实际植被盖度（M）与平衡态植被盖度（𝑀𝑒𝑞）在空间上差异明显，且在实际植被盖度偏离平衡态植被盖度的区域产流大多是减少的，能够兼顾生态平衡和降雨产流的土地利用方式仍需要进一步探究。因此，本章根据 M与𝑀𝑒𝑞分布的对比结果，设计了 4 组土地利用规划情景，研究在黑河上游不同区域开展放牧或植树活动等情景下对降雨产流的影响。
情景模拟实验设计方案如下：实验 1 假设 1992-2015 年在全区域实施放牧，所有草地的植被盖度（M）都因放牧而达到 0，此情景可认为是过度放牧情景；实验 2 假设在 M 大于𝑀𝑒𝑞的区域放牧，而放牧区域的草地植被盖度也接近于 0，其他区域保持原有植被状态，该试验也可以用来描述合理放牧对降雨产流的影响；实验 3 假设在 M 大于𝑀𝑒𝑞的区域保持原有植被状态，其他区域种植树木（青海云杉），植树区域的植被盖度则通过提取土地利用数据中针叶林对应格点的植被盖度作均值得到，该试验可用于表示植树造林对降雨产流的影响；实验 4 假设在 M大于𝑀𝑒𝑞的区域开放放牧，其他区域种植树木（青海云杉）。
第七章 结论与展望
7.1 主要结论
本研究基于 Eagleson 生态水文模型和生态最优理论，以黑河上游为研究对象，探究了内陆河上游实施生态恢复对区域生态稳定和产流的关系。在验证了Eagleson 生态水文模型对黑河上游 1992-2015 年生态水文过程复原的准确性后，设计并开展了植被控制实验、生态最优模拟实验和土地利用规划实验三类情景模拟实验，主要结论概括如下：
在植被控制情景下，基于区域尺度遥感、再分析数据和 Eagleson 生态水文模型，通过控制 Eagleson 生态水文模型中植被参数以及受植被影响的气候要素维持在 1992 年状态不变，并将控制植被情景模拟降雨产流结果与 1992-2015年实际情景模拟结果进行了对比，得出主要结论如下：
（1）1992-2015 年期间，基于当前分辨率输入数据（气候、植被、土壤数据）的模型模拟结果表明植被动态变化对黑河上游的降雨产流影响并不明显，在区域上多年平均产流变化量的波动范围为－39.43-27.52 mm，植被动态导致的降雨产流变化在 24 年间（1992-2015 年）累积变化量仅为－15.30 mm。
（2）基于遥感的植被盖度在黑河上游呈斑块状变化，从而导致模拟结果显示不同区域的降雨产流变化相互抵消，最终区域整体因植被动态导致的降雨产流变化不明显；多元线性回归结果表明，在气候变化背景下，区域降水增加是导致产流增加的主要原因。
参考文献（略）