水资源短缺是全球多个地区社会经济发展所面临的重大挑战（Naddaf，2023），在中国则主要集中在北方地区（Liu et al.，2017）。着眼于我国的黄河流域，其生态保护和高质量发展面临的核心问题之一即为突出的水资源供需矛盾，需要把水资源作为最大的刚性约束（张金良，2020）。黄河流域大部分地区处于干旱半干旱区，是我国生态环境的脆弱区和气候变化的敏感区。黄河水资源公报统计数据表明，黄河流域2000—2016年的水资源开发利用率已经远超过国际公认40%的警戒线，利用率达到61%（http://www.yrcc.gov.cn/）。伴随着气候变暖和人类活动的双重影响，黄河流域水资源的供需矛盾日益突出（张建云等，2013; 夏军等，2014）。未来流域水资源的高效管理和利用是保证区域社会可持续发展的迫切需求，其核心科学问题是人类活动（植被改变及人类用水）和气候变化共同作用下，流域水循环如何改变，即大气水、地表水及地下水的转换过程和机制发生了哪些变化（马柱国等，2020）。

黄河流域的农业灌溉面积从新中国成立初期的80万hm²，发展到2019年的约866.7万hm²（景明等，2022），这势必对流域水循环过程产生重要影响。首先，地表蒸散发过程变得更加复杂。蒸散发过程通过植被、土壤、地下水和地表水体等消耗大部分的降水并返回到大气系统，它是陆-气之间水热交换的重要过程（Liu et al.，2016; 张永强和李聪聪，2020）。农业灌溉通过对地表水和地下水在空间上的再分配，会使得蒸散发增加，特别是在蒸散发过程强烈的干旱地区（Gordon et al.，2005; 王蓓等，2020）。目前，对于可获得数据的陆地水循环水量平衡的不闭合误差，蒸散发的贡献最大，其在全球尺度贡献率为45.4%，在黄河流域达到51%（Zhang Y et al.，2018）。在观测数据缺乏的情况下，无论是模式模拟还是遥感获得的蒸散发都还不能很好反映灌溉的影响，进而导致蒸散发研究结论的不确定性较大（Lü et al.，2017，2019a）。其次，灌溉的水源地（是地表水还是地下水）不同，其对当地陆地水储量的影响也不一样（Lü et al.，2019b）。目前农业灌溉数据不仅缺乏，且观测无法实现全过程解析，因此陆面水文模式和区域气候模式的模拟成为重要的研究手段（汤秋鸿，2020; McDermid et al.，2023）。

此外，作为陆地上重要的人类活动之一，土地利用/覆盖变化能够改变叶面积指数、地表粗糙度等，从而对区域水循环产生重要影响，且植被变化的水文气候效应具有复杂性。自1982年，特别是2000年实施退耕还林还草生态恢复工程以来，黄土高原植被覆盖得到明显改善（Li et al.，2016; 马柱国等，2020）。虽然多数研究支持植被改善威胁当地水资源量如减少径流及产流能力的结论，但也存在不同的结果（Zhang et al.，2022），且对降水的影响结论也尚不一致（Lü et al.，2019c; Ge et al.，2020; Liu et al.，2023）; 而黄土高原植被覆盖改善使得该地区蒸散发量增加基本形成共识（Jin et al.，2017; 张永强和李聪聪，2020; Yang et al.，2023）。针对植被改变对黄河流域水资源量的影响，学者应用统计学和数值模拟方法，定量区分气候和植被变化对水资源量的影响，这对实践具有重要的科学指导意义（Lü et al.，2018，2019c）。本文主要对黄河流域的气候变化、植被改变、人类用水以及它们对流域水循环关键过程影响的相关研究进展进行梳理，并探讨当前研究存在的问题和未来发展方向。

1 “人类世”背景下黄河流域陆地水循环研究思路的转变

陆地水循环是一个复杂的非线性系统，同时受到气候变化和人类活动的影响（图1），水循环结构由自然系统和社会系统的各水文分量组成（安善涛等，2021）。当今地球演化已经进入“人类世”，陆地水循环系统在气候变化和人类活动（土地利用/覆盖变化、人类用水等）的共同影响下正在迅速变化，在此背景下以揭示陆地水循环演变的自然和人为因素影响及反馈为目标的交叉前沿学科应运而生，即全球变化水文学（汤秋鸿，2020）。2022年美国地质调查局（USGS）时隔20年公布了新版的水循环示意图，水循环过程首次包含了工农业用水、水库、城市径流等人类活动过程; 这表明了人类在水循环系统中具有重要作用（Duncombe，2022）。例如，自然条件下深层地下水与其他水体的交换较为缓慢，但人类用水活动抽取地下水则加速了其参与水分循环的速度。地下水开采、农业灌溉等人类用水活动，可以通过影响陆-气之间水分和能量的交换对气候产生反馈，并改变陆地水循环过程（谢正辉等，2019）。在“人类世”背景下，自然-社会耦合的水循环过程模拟及其相互影响和反馈越来越受到人们的重视（Michalak et al.，2023）。

1.1 黄河流域过去及未来的气候变化

过去半个多世纪黄河流域总体呈现暖干化趋势，具体表现为上游地区整体呈暖湿化特征，而中下游地区呈暖干化特征（马柱国等，2020; 张镭等，2020; 郑子彦等，2020; 王有恒等，2021; Wang Y P et al.，2022）。1951—2018年，整个黄河流域的年平均气温升高1.4℃，年降水量减少10 mm，但降水在上游（特别是源区）增加、中下游减少（马柱国等，2020）。在气候变暖背景下，黄河流域的干旱事件在1956—2016年间也在增多，在流域约86%地区降水为干旱发生的主要驱动因子且贡献率为64%，在流域其余14%地区潜在蒸散发为主要驱动因子且贡献率为55%（Wang Y P et al.，2022）。同时，土地利用/覆盖变化以及人类用水对黄河流域干旱强度和持续时间的影响也不容忽视（Omer et al.，2020）。

对于未来气候的可能变化，基于HAPPI（Half a degree Additional warming，Prognosis and Projected Impacts）试验的模式数据表明，在1.5℃和2℃升温情景下，黄河源区干湿变化仍有较大的不确定性，在升温1.5℃时，黄河流域的北部很有可能变得更干，在升温2℃时，整个黄河流域除了源区外都很有可能变干（Jian et al.，2021）。2021—2050年，农业干旱很可能比气象干旱强度大、持续时间长，相比气象干旱，水文干旱也可能持续时间长、但强度较小（Omer et al.，2021）。对于未来黄河流域干湿突变的复合极端事件，相对1960—2014年，在共享社会经济路径（Shared Socioeconomic Pathway，SSP）SSP3-7.0和SSP5-8.5情景下，复合极端事件的发生频率可能减少，但是平均强度可能增大，复合极端事件的影响面积和强度的联合风险在2061—2100年要超过2021—2060年（Jiang et al.，2023）。总体来讲，未来黄河流域气候变化趋势依然复杂，气温继续上升，降水量总体可能增加，干旱等极端天气事件可能增强（王有恒等，2021; Deng et al.，2023; Jiang et al.，2023）。

1.2 黄河流域的径流变化

河道径流是黄河流域的重要地表水资源，20世纪50、60年代以来，黄河流域无论是天然径流量还是实测径流量均显著减少（王雁等，2013; Lü et al.，2018; 赵建华等，2018; 马柱国等，2020）。首先，对于天然径流量，1961—2010年在唐乃亥、兰州、头道拐、龙门、三门峡、花园口及利津水文控制站，黄河水利委员会还原的天然径流量均呈现显著减少的变化趋势（通过95%置信度的显著性检验），但也存在年代际波动，即多年平均径流量在2003—2010年相对1991—2002年有所增加，但仍旧低于1961—1990年的水平（Lü et al.，2018）。对于实测径流量，长时间序列变化趋势的研究结论为一致性减小（马柱国等，2020; Zhang et al.，2022），但对于短期统计结果，不同分析时段和研究区对变化趋势的影响较大，Zhang et al.（2022）发现1999—2015年黄土高原及其中8/11个子流域均呈现出实测年径流量增加趋势。2003—2015年，实测年径流量在唐乃亥以上区域（黄河源区）增加，在兰州水文站以下区域减少，且这两个区域实测径流变化与降水量变化相反（Lü et al.，2019b）。黄土高原的降雨-径流关系在2008—2016年相比1971—1987年发生变化，径流系数即径流与降水量的比值普遍减小（Miao et al.，2020），即产流能力下降（王雁等，2013）。对于未来径流的可能变化，有研究指出至2050年，黄河流域平均径流量随时间增加、增幅随时间减小，至2100年，随着蒸发量增加，平均径流量呈减少趋势（张镭等，2020）。虽然未来黄河流域降水可能增加，但是气温显著升高，模拟的黄河流域未来径流量可能减少（王国庆等，2020）。与降水预估类似，未来黄河流域的径流变化预估的不确定性依然较大。

1.3 黄河流域基于陆地水储量的水循环变化

人类用水活动已经成为影响黄河流域水循环的重要因素。黄河流域的农田灌溉耗水量已经超过了入海水量（Lü et al.，2017）; 黄河水资源公报显示，2021年黄河供水区总耗水量为405.25亿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/）。在这一背景下，2002年发射的重力卫星GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment; Tapley et al.，2004）所提供的陆地水储量变化为陆地水循环研究提供了前所未有的机遇，该陆地水储量囊括陆地上一切形式的水量（如河流、冰雪、湖泊、土壤水和地下水），反映了气候变化和人类活动的综合影响（Tapley et al.，2019）。由此涌现出一批基于GRACE的黄河流域陆地水储量变化研究工作（Mo et al.，2016; Felfelani et al.，2017; Lü et al.，2019b; Sun et al.，2020; Lü et al.，2021）。

对GRACE陆地水储量的研究，早期多关注对区域平均系列变化的定性归因分析，后来逐步考虑气候变化和人类活动对陆地水储量空间变化的定量归因研究（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），但空间变化归因分析也面临着可获得各个水文数据不确定性较大的挑战，即水分收支较难实现闭合（Lü et al.，2017; Lehmann et al.，2022）。针对黄河流域GRACE陆地水储量在2003—2015年的变化趋势，即在黄河源区显著增加、在兰州以下区域显著减少（通过95%置信度的显著性检验），有必要从气候、植被、灌溉及水储量分量多角度阐明陆地水储量变化的原因（图2; Lü et al.，2019b）。黄河源区陆地水储量增加主要是由于径流和土壤含水量增加; 黄土高原及黄河下游地区陆地水储量显著减少，其中径流、土壤水、地下水都在减少，在流域共收集28口地下水位观测井，大多数观测井的水位（2005—2015年）在以0~4.2 m/a的速率下降; 地下水减少与植被改善有关，因为蒸散发的增加量明显超出降水的增加量，超出的这部分蒸散发水量从哪里来，除灌溉影响外，很可能来自土壤水和地下水（Bryan et al.，2018; Lü et al.，2019b; Sun et al.，2020）。在陆地水循环中，蒸散发过程与地下水密切相关，如气候变暖导致的地表蒸散发加速消耗了美国地下水资源（Condon et al.，2020）。

2 农业灌溉对黄河流域水循环要素的影响及存在的问题

2.1 农业灌溉对地表蒸散发的影响

黄河流域的农业用水量占用水总量的比例超过60%，且灌溉方式以漫灌为主，这使得影响地表蒸散发的过程更加复杂，灌溉对蒸散发的影响不应被忽视。黄河水资源公报显示，黄河流域的农田灌溉耗水量在2001—2017年间超过了入海径流量，此后的2018—2020年入海水量有所增加，灌溉耗水量在2005—2020年变化不大（图3）。农业灌溉活动对水分和能量过程具有重要影响，如气温、降水以及蒸散发（Rodell et al.，2011; Pan et al.，2020; McDermid et al.，2023），有研究指出美国的科罗拉多流域7月卫星蒸散发信号的38%归因于灌溉（Castle et al.，2016），海河流域人类用水活动使得年尺度的地表蒸散发量增加了12%（Pan et al.，2017），而中国西北地区农田面积的扩张对蒸散发量增加的贡献率可达60.5%（Bai et al.，2014）。

当前地表蒸散发研究结果的不确定性仍较大，难以客观描述水循环变化的真实图像。蒸散发量依然较难观测和模拟，尤其是对大尺度区域（Rodell et al.，2011; Mao and Wang，2017），目前可获得陆地蒸散发产品的不确定性仍较大（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，目前蒸散发的估算方法和结果未能很好地考虑灌溉的影响（Lei et al.，2015; Castle et al.，2016; Pan et al.，2020），如数值模式由于缺乏人类用水影响模块，其往往低估了蒸散发的大小（Rodell et al.，2011; Castle et al.，2016; Pan et al.，2017）; 基于MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）卫星遥感数据估算的蒸散发产品，其数值也常常被低估（Jia et al.，2012; Lei et al.，2015; Wan et al.，2015; Pei et al.，2017），这与遥感传感器无法直接观测蒸散发量有关（Yang et al.，2023）; 并且基于遥感数据估算蒸散发的算法无法显式考虑灌溉的影响，即使叶面积指数等可以在一定程度上反映灌溉效应（Pan et al.，2020）。但是相对基于遥感数据估算的蒸散发产品、诊断以及再分析结果，数值模式的蒸散发结果之间的不确定性较小（Mueller et al.，2013; Long et al.，2014），此外应用更多的地面观测数据约束蒸散发估计，被认为是减少其不确定性的有效途径（Mueller et al.，2011; Lü et al.，2017）。综上所述，基于数值模式的蒸散发产品在灌溉剧烈的区域往往需要进一步修正，采用观测的降水、径流以及灌溉耗水量数据重建模式蒸散发是值得尝试的研究工作。

围绕农业灌溉影响下的月尺度蒸散发如何估算的问题，考虑到蒸散发和径流过程紧密联系，Lü et al.（2019a）采用观测的降水、黄河水利委员会还原的天然径流以及黄河水资源公报发布的年灌溉耗水量数据，对全球陆地数据同化系统GLDAS（Global Land Data Assimilation System; Rodell et al.，2004）三个版本即1.0、2.0和2.1的模式蒸散发结果进行校正和改进，通过将年灌溉耗水量降尺度到月尺度，建立了考虑农业灌溉耗水的黄河流域蒸散发的计算方案。通过水量平衡方程估算的蒸散发检验发现，利用该方案估算的流域蒸散发的结果均有所改善，相关系数（r）、纳什效率系数（NSE）、平均绝对误差（MAE）以及均方根误差（RMSE）评价指标的改善幅度分别为0.6%~1.8%、1.2%~14.6%、1.3%~21.0%以及2.1%~20.4%，且去除季节循环之后以上统计指标的改善程度更加明显（图4）。这说明建立的考虑农业灌溉影响的流域蒸散发计算方案是合理有效的，研究结果可以为流域水循环变化研究提供数据基础。

2.2 农业灌溉对陆地水储量的影响

农业灌溉活动可以通过对地表水和地下水的再分配以及蒸散发过程，对陆地水储量产生影响，且地表水和地下水的取水灌溉活动对陆地水储量的影响不同（Lü et al.，2019b）。通常地表水灌溉使得局地陆地水储量增加，而抽取地下水灌溉使得陆地水储量减少（Feng et al.，2013; Huang et al.，2015）。利用黄河水资源公报发布的年尺度灌溉耗水量数据研究发现，2003—2016年黄河流域灌溉耗水量的增长加速了陆地水储量的减少，贡献率为4.9%（Lü et al.，2021）。但是由于农业灌溉的观测数据十分缺乏，所以灌溉活动对流域水循环的影响机理研究主要依赖于数值模式，目前对灌溉的大尺度准确模拟还存在困难（Puy et al.，2022; McDermid et al.，2023）。如缺乏准确的灌溉面积分布数据，存在不同数据产品差别较大的问题（Puy et al.，2022）; 农业灌溉活动本身受到人为因素的影响较大，难以建立一套普遍适用的通用算法（Lei et al.，2015; Lawston et al.，2017）; 我国还存在跨流域调水的问题，目前在已有模式中还难以准确描述（Wada et al.，2014）; 此外绝大多数的数值模式缺乏对灌溉取水来源（是地表水还是地下水）的准确刻画（McDermid et al.，2023）。以上存在的不足给准确模拟真实发生的灌溉活动带来困难，因此难以准确揭示灌溉活动对水循环的影响机理。

3 植被改变对黄河流域水资源的影响

3.1 生态工程背景下黄河流域的植被变化特征

针对生态工程实施以来黄河流域的植被变化特征已有大量的研究（Chen et al.，2015; 刘昌明等，2016; Li et al.，2017; Yao et al.，2019; Zhang et al.，2022）。2000年以来，中国北方相继实施了退耕还林还草、三北防护林（第四期和第五期）等生态工程（邵全琴等，2022），其中退耕还林还草引起的土地利用变化效果最为明显（张永强和李聪聪，2020），退耕还林还草生态工程主要包括三种土地利用类型的转化，即耕地转变为森林、耕地转变为草地以及荒漠转变为森林（Yuan et al.，2014）。黄土高原以及整个黄河流域2000年后的变绿速度明显高于1982—1999年且达到6~10倍，2000年植被覆盖度相比前后各两年处于一个低值（Li S et al.，2016; Li J J et al.，2017; Jian et al.，2022），该低值变化特征主要由龙口至花园口区间植被变化所主导（Wang Z H et al.，2022）。在2001—2016年间，黄土高原森林面积增加了48 786 km²，森林面积所占比例从8.19%增加到15.82%（Wang et al.，2018）。对比2000、2005和2010年，黄土高原的耕地、森林和草地的归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）均在增加（Li et al.，2017）。对于不同的NDVI植被数据来源，虽然植被变化的空间分布特征存在差异，但是不影响流域整体变绿的研究结论（Tian et al.，2021）。对于2000—2020年黄河流域生长季的NDVI变化，人类活动的影响占66%，降水和气温的贡献率为34%（Ren et al.，2022）。

3.2 黄河流域植被改善的水文气候效应

土地利用变化对水文过程及区域气候均具有重要影响，如通过改变下垫面透水性、植被截流量影响水文过程，也可以通过改变地表反照率、地表粗糙度影响感热和潜热通量，从而改变区域气候。黄河流域自从实施生态工程以来，植被覆盖明显改善，但同时观测到的河道径流量减少。针对植被变化对黄河流域水资源的影响，研究人员从多个途径开展了一系列研究，包括统计学方法（Zhang et al.，2008; 王雁等，2013; Lü et al.，2018; Zhang S L et al.，2018; 张建云等，2021），以及数值模式模拟方法（McVicar et al.，2007; 刘昌明等，2016; Lü et al.，2019c; Ge et al.，2020; Zhang et al.，2022; Liu et al.，2023）。

值得注意的是，植被的水文气候效应具有复杂性（Ellison et al.，2012），一种观点认为，植被增加会消耗水分、减少径流和土壤湿度，从而导致可获得水资源量减少（Feng et al.，2016; Jia et al.，2017; Ge et al.，2020; Shao et al.，2021; 张建云等，2021; Wang Z H et al.，2022）。如应用水文模型模拟发现，黄河中游植被增加具有的显著减水效应主要是由于蒸散发增加所致（刘昌明等，2016）。黄河、淮河、海河流域植被覆盖改善对径流有削减作用，流域的NDVI平均增加10%，会导致径流平均减少8.3%（张建云等，2021）。在黄河中下游地区，植被改善对径流减少的贡献率为19%，与降水和潜在蒸散发的贡献率相当（Lü et al.，2018）。此外，即使得出植被改善减少径流同样结论的研究工作，对降水的研究结论也存在差异。如应用区域模式WRF（Weather Research and Forecasting model）研究表明，在耕地转变为混交林的情况下，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发和补给土壤水分，并未使径流增加（Lü et al.，2019c）。但也有基于WRF的模拟研究指出，退耕还林还草使得黄土高原蒸散发过程增强，进而径流和土壤含水量减少，但是对降雨量没有影响（Ge et al.，2020）。另一种观点认为，森林恢复对水资源量的增加具有积极作用（Wang et al.，2017; Zhang et al.，2022; Liu et al.，2023）。Li et al.（2018）针对1982—2011年的植被变化指出，中国北方地区植被变绿和森林面积增加使得降水增加，虽然增加量在统计学上并不显著，但是足够抵消掉增加的蒸散发量，因此对土壤湿度的影响较弱。Zhang et al.（2022）和Liu et al.（2023）指出，黄土高原的植被改善使局地水分循环增强，降水的增多抵消了蒸散发的增加，最终地表的产水能力（作者使用降水与蒸散发差值表示）增大。

虽然植被改善对水资源影响还存在一些争议，但是黄土高原植被覆盖改善使得该地区蒸散发量增加的结论基本达成共识（Feng et al.，2016; Li et al.，2016; Shao et al.，2019; Yang et al.，2023）。相对气候变化，2000—2012年植被变绿是黄土高原蒸散发量增加的主要驱动力（Jin et al.，2017）。也有研究指出，植被变绿起到增强植被蒸腾、抑制土壤蒸发的作用（Jiang et al.，2022; Yang et al.，2022）。正是由于植被对水文气候效应的复杂性，在不同研究地区、不同分析时段，其研究结论很可能不同。如对于降水明显偏多和偏少的年份，黄河流域同一植被变化对水循环要素影响的空间分布不同; 这很可能与大尺度环流背景有关，如季风的强弱（Lü et al.，2019c），也与亚洲季风系统中陆地、大气及海洋强烈耦合在一起有关（Yasunari，2007），并且海洋在调制中国东部季风区植被与气候的相互作用中起到了重要作用（Ma et al.，2013）。

4 结论与展望

在气候变化和人类活动（植被变化和人类用水）的共同影响下，黄河流域的水循环正在发生显著变化，为此在“人类世”背景下黄河流域的水循环研究必须考虑人类活动的影响。黄河流域实施生态工程以来，植被覆盖明显得到改善，观测的河道径流量减少，大多数研究表明植被改善具有减少径流量和土壤含水量的效应，但也存在一些不同的研究结论; 黄土高原植被覆盖改善使得该地区蒸散发量增加基本形成共识，但对降水的影响的研究相对较少且尚不一致。此外，黄河流域的农业用水量占用水总量的比例超过60%，农业灌溉活动使得地表蒸散发过程变得更加复杂，准确估算地表蒸散发对利用多元数据（地面观测、卫星遥感以及再分析资料）获得闭合的陆地水分收支、客观描述水循环变化的真实图像具有重要意义。黄河流域水资源开发利用率远超一般河流开发利用警戒水平，水资源短缺是流域持续存在的难题。在这一背景下，不断发展数值模式中的人类活动影响模块，为变化环境下黄河流域的水循环研究提供有力的工具支撑显得越来越重要，且也是地球系统模式关注的重点之一（Chen et al.，2019）。

由于地下水的地面观测数据缺乏且获取困难，黄河流域甚至中国北方地区地下水的时空变化研究还比较缺乏，所以蒸散发与地下水变化之间的联系机理尚缺乏清晰认识，且目前大尺度陆面水文模式对地下水的模拟能力还有待进一步提高和检验（Condon et al.，2020; Hellwig et al.，2020）。首先，对于基于地面观测的地下水研究，由于观测井数量有限，且地下水变化的空间异质性强，所以较大区域的地下水空间变化分析存在困难（Zhang et al.，2023）。其次，可以基于GRACE卫星的陆地水储量估算黄河流域及中国地区的地下水变化（Lin et al.，2019; Zhang et al.，2020; Lü et al.，2021），但是无法获取地下水位的绝对数值，且需要特别关注估算结果的不确定性。最后，当前大尺度模型对地下水储量动态及对其地表水的贡献没有考虑或者考虑过于简单（Condon et al.，2020），且主要考虑的是潜水含水层的地下水过程（Koirala et al.，2014）。总之，地下水问题的研究远落后于地表水和土壤水，由此限制了地下水与气候之间动态关系的研究。

参考文献