退化生态系统的植被恢复为提高生态系统生产力、减缓气候变化和提高碳汇提供了机会。植被恢复在稳态假设下倾向于减少蒸散发( ET )增强引起的径流( Q )或增加土壤水分入渗引起的产水量( W )，而在多稳态下，其对水文状态的影响仍存在争议。这里，ET由水量平衡计算( ETwb )和利用蒸发理论计算( ETc )的假设是相互独立的。在中国黄土高原等水分限制地区，可以按照这一假设提供水文状态的评估。结果表明：( 1 )植被恢复显著提高了黄土高原地区的叶面积指数( LAI )，并在2002年发生了LAI的突变；(2 )植被恢复导致ET ( ETwb和ETc)增加，降水( P )分配到ETwb的比例增加导致W ( P-ETc )减小；( 3)由我们的假设推断，大部分流域倾向于湿润的( 17个集水区中11个)，这表明土壤贮水量( SWS )也随着ET的增加和Q的减少而增加。我们的研究结果为植被恢复在将P分配到ET、Q和SWS中发挥新的作用提供了新的见解。在中国黄土高原的大部分地区，较高比例的P倾向于在SWS中被截留，以维持较高的ET，甚至导致Q的降低。
考虑植被动态(马滕斯等, 2017)的ET估算精度为解释水通量和SWS的变化提供了机会，而由于气候变化(例如,干旱) 和集水区特征(例如,大规模的植被恢复) ，集水区的SWS仍然不确定。阐明水通量和SWS随流域特征的变化应该是一个有趣的科学问题，这也将产生一些影响。
针对这一问题，结合水量平衡模型和蒸发模型，提出了一种估算集水区尺度土壤储水量变化差异的新方法。具体来说，本研究的目的是：(1 )提供一种新的方法来估计土壤贮水量变化的差异，以代表流域水文状态的变化；(2 )利用叶面积指数( LAI )评估大尺度植被恢复引起的植被覆盖度变化；( 3 )在ET独立于水量平衡法( ETwb )和蒸发理论( ETc )的临界假设下，评估土壤储水量变化的差异。本研究是在中国黄土高原地区开展的"退耕还林工程" ( Grain-for-Green Project，GfGP )，导致植被覆盖和水分平衡发生了巨大变化。
图1 .黄土高原位置。还展示了17个选定的流域和水文站。水文站用灰色圆圈表示。蓝线和背景分别代表黄河干流和高程。此外，在图中还显示了主要的河道和DEM。植被恢复面积是指草地、灌木和乔木面积的增加。
（1）植被恢复过程的评估
图3.(a)MK检验和(b)1982-2015年黄土高原LAI的时间变化。统计学显著性用**p<0.01和***p<0.001表示。红色(绿色)线表示1982-2002年(2003-2015年)的线性回归。灰带代表95%的置信区间，b值代表最小线性二乘法计算的线性回归的斜率。
根据MK检验，LAI持续增加(图3a )。1982 - 1998年呈不显著增长，1999年后呈显著增长；突变点发生在2002年左右，研究时段分为1982 - 2002年(植被恢复前状态)和2003 - 2015年(植被恢复状态)两个时段。两期LAI变化趋势均呈显著上升趋势(图3b )。而且，后一时段的增长比率和增长值大于前一时段。
图4.黄土高原LAI变化趋势的空间格局。LAI时间变化的空间格局为三个时期：(a)1982-2015年，(b)1982-2002年和(c)2003-2015年。(d)1982~2002年与2003~2015年趋势差异。黑色图表示该趋势在p<0.05时具有统计学意义。
在1982 - 2015年期间，黄土高原LAI变化趋势的空间格局是混合的(图4a )。黄土高原地区呈显著增加趋势，增加了91.73 %。与植被恢复前LAI变化趋势相比，植被恢复加速了LAI的变化。具有相同(向上到向上和向下到向下)和相反(向上向下和向下向上)趋势的区域分别占66.90 %和33.10 % (图4d )。这种相反的趋势主要分布在黄土高原的西北部和东南部。此外，保持上升趋势的区域是主要部分，占63.54 %，分布在退耕还林区域。这些结果表明，人类活动是影响植被恢复的主要因素。
图5.(a)1982-2015年17个集水区年LAI的时间变化。每个单元格代表年LAI。(b)17个流域的ΔLAI。红线代表平均值，'*'表示在p<0.05时差异具有统计学意义。Δi=I2003-2015-I1982-2002(i=LAI)。
选取的17个集水区的LAI长期均值差异较大，介于0.18 ~ 1.24之间，基本代表了不同的植被覆盖情况(图5a )。与1982 - 2002年相比，17个流域的LAI显著增加。 (图5b )。这些结果表明，这些选定的流域对于探讨植被恢复对水文状态的影响具有代表性。
（2）不同植被状态下水分平衡的变化
图6.柱状图表示植被恢复前状态与植被恢复状态之间的(a)ΔP，(b)ΔQ，(c)ΔETwb。红线代表平均值，'*'表示在p<0.05时差异具有统计学意义。Δi=I2003-2015-I1982-2002(i=P,Q,ETwb)。(d)17个流域两个阶段P分配到Q和ETwb的平均分数。
为了评估不同植被状态下植被恢复对水分平衡的影响，我们首先比较了各水文特征的变化。除SJW和HDC外，P的增加不显著；在8个集水区( BJC、ZJS、ZT、SM、GJB、ZC、GGY、YA)中发现了Q的显著变化，除RC和WZ外，Q均呈下降趋势；ETwb在6个集水区( SM、GJB、SJW、LJP、HDC、ZC)观测到显著增强 (图6a - c )。大规模的植被恢复改变了磷的长期分配(图6d )。Q和ETwb的分配比例呈先减小后增大的趋势，但部分流域并不遵循这一规律。
（3）植被恢复对水文状态的影响
图7.(a)水文状态变化采用水量平衡和蒸发量数据。(b)GLDAS数据集SWS之间的比较。左上(右下)区域代表增加(减少)SWS。(c)流域产水量(ΔW,ΔW=ΔP-ΔETc)的变化。红线代表均值。Δi=I2003-2015-I1982-2002(i=W)。
大尺度植被恢复对水文状态有不同程度的影响。除6个集水区( BJC、WZ、SM、GJB、SJW和YA)外，其余集水区均趋于干旱，11个集水区趋于湿润(图7a )。此外，与半湿润和湿润集水区相比，半干旱集水区LAI与ETc的全局相关性更大，图5b也表明LAI变化幅度更大。这些结果可能解释了半干旱流域间ETc的变化幅度大于半湿润和湿润流域间的ETc变化幅度(图6c )，更多的耗水导致更多的流域趋于干旱。
总体而言，半湿润和湿润条件更趋向于湿润，而半干旱条件则更为复杂(图7b )。此外，产水量的变化在全球范围内下降，而(平均3.18 mm)的幅度低于Q，特别是在半湿润和湿润条件下(图7c )，这意味着SWS在全球范围内增加。
结果表明，GfGP显著促进了LAI的增加，GfGP诱导的植被返青增加了P和ET，降低了Q，提高了P分配比例。由于补给的P和减少的Q之间的不平衡关系，大部分流域趋于湿润，特别是在半湿润和湿润的流域。此外，对于半干旱流域，进一步的植被恢复可能会导致SWS的减少。此外，植被恢复对土壤贮水量的不同影响表明，植被与土壤贮水量之间存在平衡关系。在P和ET增加的背景下，大多数流域趋于湿润，这表明植被恢复触发了更多的P进入SWS，以维持较高的ET，这突出了植被恢复在水资源分配中的重要作用。大规模的植被恢复将显著地调节水循环和水资源的数量和分配，并从根本上影响SWS。在今后的植被恢复中，应充分考虑以水资源和植被可持续发展为目的的气候植被-水文之间的平衡关系。
