自然科學：在生態環境中，植被變化對區域水分平衡的影響

在熱帶地區，很大一部分降水來自森林蒸散釋放的再迴圈水汽：據估算，亞馬遜地區降水約有一半源自於熱帶雨林蒸散的水汽供應。因此，熱帶地區森林的砍伐通常會導致區域降水減少。例如，Snyderetal。（2004）報道，當森林被裸地取代後，熱帶年降水量可減少30%以上。

Bathianyetal。（2010）預測，在局地森林砍伐情景下，不同次大陸熱帶地區降水的減少幅度約為10%，但亞馬遜流域中部年降水減少量可達到25%左右。草地也是全球分佈最為廣泛的植被型別之一，覆蓋了地球表面22%的無冰土地。儘管草地對於自然生態系統和人類社會至關重要，但極易受到人類活動的干擾。

草地退化是土地荒漠化的主要表現形式之一。Charney（1975）最早發現薩赫勒地區的荒漠化會增加下沉運動並削弱季風降水，這反過來又可能加劇當地乾旱，導致植被進一步退化，從而形成植被退化與乾旱的正反饋機制，使得乾旱發展並維持。

後續相關模式研究表明，這種機制甚至可能是導致全新世中期撒哈拉沙漠從熱帶稀樹草原向沙漠快速過渡的重要原因。然而，Rotenberg和Yakir（2010）的研究認為，過去幾十年半乾旱區的荒漠化在地球表面造成了氣溫的負強迫，相當於同期全球人為溫室效應的20%左右，從而緩和了潛在的全球變暖趨勢。

植被恢復通常被認為是改善生態環境和緩解氣候變化的一種可行性策略，其中植樹造林是人工植被恢復的主要方式之一。大多研究表明，與森林砍伐的物理機制相反，造林透過降低地表反照率從而在高緯度地區產生增溫效應，而水汽增加導致的溫室效應會進一步加劇增溫；但在熱帶地區，造林則具有降溫作用並有助於減緩氣候變暖。

但溫帶造林的影響同樣尚不明確，可能是增溫，也可能是降溫，或者影響不大。此外，區域水分條件也會對造林產生的氣候效應有所影響，乾旱區的造林通常由於土壤水分不足導致蒸散增加產生的降溫不足以彌補反照率增加造成的增溫從而產生淨增溫效應；相反，溼潤區會產生淨降溫效應。

造林在影響區域氣溫的同時，通常還會引起區域降水的改變。一些研究者對非洲薩赫勒和澳大利亞北部等半乾旱地區的研究發現造林引起了的降水增加。但植樹造林與森林砍伐對降水產生的影響可能不併不對等，如有研究指出，熱帶地區完全造林導致的降水絕對變化可能遠小於完全森林砍伐產生的影響。

此外，造林也可能透過大氣環流對地表能量和水分的再分配作用，對非造林區的降水產生影響。例如，Swannetal。（2012）的研究發現，北半球中緯度地區的大規模造林改變了環流和降水模式，從而導致亞馬遜部分地區的降水減少以及非洲北部部分地區的降水增加。以上研究均是針對與土地利用/覆蓋變化有關的植被變化對氣候的影響。

然而，除了植被覆蓋型別的轉變，植被覆蓋度和葉面積指數等地表植被特徵引數的變化也會透過改變地表能量分配和水分迴圈對氣候變化產生重要影響。

基於衛星觀測資料（如NDVI和LAI資料產品）的研究表明，過去三十多年來，全球範圍內呈現出植被變綠趨勢，尤其是北半球中高緯度（>25N）地區，反映出植被覆蓋和生產力的增加。

植被的這一變化改變了陸地與大氣之間的生物地球物理過程，並影響了區域和更大尺度的氣候系統（Piaoetal。，2020）。根據衛星觀測發現，全球廣泛的植被變綠促進了北高緯度地區的變暖和乾旱地區的降溫。

最近的全球氣候模式評估顯示，1982-2011年間，全球植被變綠已經使全球陸地氣溫的上升速度降低了0。09±0。02℃，但植被變化產生的氣溫效應存在明顯的區域性差異，如在北歐亞大陸、歐洲、印度、亞馬遜西北部以及薩赫勒地區出現降溫效應，而北美東部和東亞部分地區的氣溫卻沒有因植被變綠而發生明顯變化。

此外，植被變綠使全球降水增加了12。1±2。7mmyr-1，這種降水反饋解釋了全球降水觀測值增加的28%±6%，而且降水反饋也具有區域性差異，在溼潤地區，蒸散增加促進了降水的增加，但在某些乾旱地區，由於土壤水分供應有限，植被變綠並未能透過增加蒸散對降水產生明顯影響（Zengetal。，2018）。

過去幾十年，我國植被髮生了劇烈的變化，其中以荒漠化現象尤為突出。據報道，從上世紀50年代到1975年間，我國北方荒漠化土地面積以每年1560km2的速度發生擴張，而在1987-2000年間，其速度增至每年3600km2（Zhangetal。，2005）。

荒漠化對我國氣候產生了重大影響，現有研究主要集中在草地退化對北方氣候變化的影響上。Xue（1996）首先利用大氣環流模式進行理想化模擬試驗，發現內蒙古草原荒漠化對氣候具有顯著影響，後續一些類似研究也認同Xue的觀點，並且普遍認為我國乾旱半乾旱地區草地退化將導致氣溫升高和降水減少。

柳媛普和呂世華（2007）還發現，草地退化會引起氣溫的晝夜不對稱變化，使白天溫度升高、夜間溫度降低。此外，有研究估算了未來草地退化對氣候變化的潛在影響，Lietal。（2013）預測我國西北過度放牧地區未來三十年的草地退化將會使夏季升溫0。4-1。2℃，降水減少4-20mm；而使冬季降溫約0。2℃，降水減少0-12mm。

為了解決日益嚴重的生態環境問題以及改善受損的生態系統，自上世紀八九十年代起，我國啟動了一系列生態恢復工程，加之氣候變化、CO2濃度增加、氮沉降等因素的共同影響，近三十年來我國大部分地區經歷了顯著的地表植被變綠趨勢（Piaoetal。，2015）。由此對氣候產生的影響也引起了研究者的注意。

Geetal。（2019）基於衛星觀測資料的研究表明，我國造林會對地表溫度產生淨降溫效應。其他一些基於模擬的研究認為，我國大規模植被變綠對氣溫的影響具有明顯的區域性差異，在華北部分地區產生降溫效應，但在西南部分地區卻引起了升溫。

黃土高原是我國植被恢復和生態建設的重點區域，大多數基於觀測和數值模擬的研究均認為黃土高原地區的植被恢復產生了區域整體的降溫效應，但也有研究指出降溫效應主要集中在黃土高原半溼潤和半乾旱區，而乾旱區的植被恢復會引起增溫（Jinetal。，2020）。

同樣，我國植被變綠對於降水的影響也有明顯的區域性差異，並且不同模擬研究之間還存在一定的分歧。例如，Lietal。（2020）的研究表明，造林和植被變綠導致我國華北部分地區和東南地區的降水增加，而Yuetal。（2020a）的研究卻得出了與Lietal。不同的區域降水響應，認為植被變綠使黃淮海平原和黃土高原北部降水增加，但南方地區降水普遍減少。

此外，由於乾旱半乾旱地區水資源有限，因此科研人員更加關注該地區植被恢復所產生的降水反饋。其中黃土高原是相關研究中的重點區域，但現有研究結論仍具有較大的爭議。

部分模擬研究強調植被恢復會增加黃土高原地區的降水，但也有研究認為植被恢復對降水的影響不大（Geetal。，2020），還有研究顯示降水的響應會表現出較大的空間變異性（Caoetal。，2019）。Yuetal。（2020a）指出，植被恢復會增加黃土高原北部地區的降水，但對黃土高原南部等乾旱半乾旱地區的降水影響不明顯。

以上研究結果的不一致表明，我國乾旱半乾旱地區植被恢復對氣候的影響仍存在很大的不確定性。一個地區的水分平衡受到降水，蒸散，徑流和土壤水分的共同調控（Bonan，2015）。關於植被變化對區域水分平衡的影響較早之前就得到了一定的關注，例如，由於蒸散需求的增加，溫帶地區造林往往造成了土壤水分和徑流的減少。

考慮到乾旱半乾旱等水資源受限地區（如黃土高原）植被較為脆弱並且高度依賴水分的可利用性（Fuetal。，2017），因此該地區植被變化對水分平衡的影響尤為關鍵。