利用Budyko框架结合冰川效应来量化植被变化对高山流域径流的影响

《Environmental Research》：Quantifying the impact of vegetation changes on runoff in alpine basins using the Budyko framework integrating glacier effect

　　周泽辉|黄卫东|金嘉欣|于磊|邢万秋|傅建宇|孙电晨|勇斌
南京邮电大学管理学院，中国南京

**摘要**
植被是水文循环中不可或缺的组成部分，不仅在调节水平衡方面发挥着关键作用，还在生态系统内调控生态水文过程方面发挥着重要作用。然而，植被如何具体影响高山流域的径流动态及其机制仍不甚明了。在这项研究中，我们开发了一个考虑冰川效应的Budyko框架，并基于归一化差异植被指数（NDVI）和气候季节性建立了一个半经验公式来估算Budyko-Fu方程中的参数ω。我们使用弹性方法量化了2000年至2020年间中国西南流域（SWB）植被变化对年径流的影响。结果表明，用于年尺度ω计算的半经验公式在结合冰川效应后显著提高了径流估算的准确性。雅鲁藏布河流域（YZRB）的年径流改善幅度最大（0.85%），其次是怒江流域（NRB，0.28%），而澜沧江流域（LRB）的改善幅度最小（0.07%）。植被对流域径流具有统计学上显著的正面影响（P<0.001）。平均而言，NDVI增加10%对应径流增加4.20%。值得注意的是，这种效应在九个子流域中表现出明显的空间异质性，并且随着干旱程度的增加而增强。然而，在高山地区，由于输入数据的不确定性，这一趋势可能会被略微放大，因此在数据稀缺的地区应谨慎解释这些结果。这些发现有助于更细致地理解全球环境变化下高山流域中植被-径流相互作用，为冰川地区的可持续水资源管理提供了关键见解。

**引言**
水循环是地球系统的基本组成部分，控制着物质的传输和能量的交换（Oki和Kanae 2006；Fekete等人2012）。然而，在气候变化和人类活动加剧的背景下，全球水循环正在经历前所未有的变化（Haddeland等人2014；Dey和Mishra 2017；Chagas等人2022）。植被通过调节蒸散作用和降水反馈对流域水文产生深远影响，因此吸引了广泛的科学研究（Feng等人2017；Fang等人2022；Zhang等人2024）。例如，Zeng等人（2018）报告称，从20世纪80年代初到21世纪初，全球叶面积指数增加了8%，导致蒸散量增加了12.06 ± 2.4毫米/年，降水量增加了12.16 ± 2.7毫米/年。气候模型预测表明，绿化趋势可能会继续（Li等人2023）。因此，了解植被变化如何影响径流对于水资源管理至关重要。

在中国西部的高山流域，随着温度升高，冰川显著萎缩，已有5,797条冰川消失（Chen等人2018），重塑了区域水循环和年径流模式。通常使用三种方法来评估植被变化对这些流域径流的影响。首先，具有冰冻圈模块的分布式水文模型（如WEB-DHM、GBEHM、CBHM）明确表示雪、冰川和永久冻土过程（Song等人2020；Zheng等人2019），但它们需要大量的输入数据，计算复杂，且常常存在相当大的不确定性（Yang等人2015）。其次，配对流域或比较实验在改变植被的同时保持气候、土壤、地形等因素不变，然后比较水分平衡结果。例如，Jackson等人（2006）综合了26个实验流域的504个年径流观测数据，发现将草地和灌木地转化为森林分别使年径流减少了44%和31%。然而，这种方法通常仅限于有限区域内的小流域（Brown等人2005）。第三，基于Budyko的经验模型因其计算简单、过程透明和物理可解释性而被广泛采用（Gan等人2021）。

Budyko框架（Gan等人2021）描述了流域尺度的稳态水-能量平衡，其中实际蒸散量（ET）由降水量（水源）和潜在蒸散量（能量供应）共同控制。在Budyko框架中，植被变化通常通过控制关键曲线参数（如Fu方程中的ω和Choudhury-Yang方程中的n）来表示，使其成为研究气候、植被和水文之间相互作用的有效工具。该方法已在区域、流域和全球尺度上应用，以阐明植被动态引起的显著水文响应。例如，Wei等人（2018）应用了Budyko框架中的Fu和Choudhury-Yang公式，发现植被覆盖的变化导致全球年径流平均变化了30.7 ± 22.5%。Luo等人（2020）使用Budyko框架量化了1982年至2014年间全球陆地植被覆盖变化对地表径流的影响，发现在此期间，叶面积指数的增加导致干旱、半干旱和半湿润地区的径流分别减少了48.0%、33.2%和20.2%。

尽管取得了这些进展，但在高山冰川流域应用Budyko方法仍面临三个关键挑战：（1）标准框架仅将降水量作为唯一的水源输入，忽略了寒冷地区冰川融水这一重要的补充水源；（2）冰川和雪的季节性积累和消融导致年际间水分储存变化较大，这违反了传统Budyko框架的稳态假设；（3）冰冻圈过程与植被动态的耦合使得关键参数（如ω）的物理解释更加复杂（Xin等人2021；Liu等人2022；Chang等人2023；Chen等人2024；Yang等人2024；Liu等人2025）。为了解决这个问题，出现了两条平行但截然不同的研究路径：第一条路径侧重于将冰冻圈过程纳入Budyko框架。例如，Yang等人（2024）通过引入冰川质量平衡和永久冻土退化来改进模型，以解释祁连山脉的径流变化；Liu等人（2022）扩展了该框架，分析了冰川对塔里木河流域径流的弹性影响。这些研究为寒冷地区Budyko理论的发展奠定了重要基础，分析基于日历年尺度，并采用移动平均方法，主要旨在全面归因径流和蒸散变化。第二条路径强调采用水文年尺度的重要性。研究表明，在具有明显干湿季节的流域中，基于水文年（例如，从前一年的最低储水量点到当年的最低径流量点）进行水分平衡分析可以更准确地描述流域的水分储存变化（Ning等人2017）。然而，这些基于水文年的研究主要集中在评估非冰川地区的植被覆盖对蒸散的贡献，对冰川活动显著的寒冷地区关注较少。

因此，本研究开发并验证了一个改进的Budyko框架，以更准确地量化植被变化对高山流域径流的影响。主要贡献如下：
（1）我们将冰川质量平衡动态整合到Budyko框架中，以提高高山流域径流归因的合理性。
（2）我们应用基于NDVI和气候季节性指数的半经验公式来替代缺乏明确物理机制的传统统计方法，从而增强模型的稳健性。
（3）我们将这一综合框架应用于中国西南流域（SWB），这是一个具有极其复杂地表过程的高山冰川流域，并使用基于弹性方法定量评估2000年至2020年间植被变化引起的年径流变化。我们的发现将提供对全球变暖下年际尺度上植被-径流关系的更精确理解，并为高山冰川地区的适应性水资源管理提供关键的科学支持。

**研究区域**
本研究调查了中国西南流域（SWB），该地区地理复杂，经度范围为78°E至106°E，纬度范围为20°N至34°N，年平均温度为3.64°C，年平均降水量为682.07毫米，包括三个关键的跨界河流系统：雅鲁藏布河（布拉马普特拉河）、怒江（萨尔温河）和澜沧江（湄公河）（图1）。该流域的地形呈现出明显的西高东低海拔梯度，从而形成了显著的气候梯度。

**考虑冰川效应的Budyko框架**
Budyko框架将实际蒸散量（ET）与降水量之比概念化为一个由降水量（P）和潜在蒸散量（ET0）在年平均尺度上决定的函数关系。Fu（1981）结合了流域尺度上的水文气象过程的物理意义，提出了Budyko假设的解析表达式，并在中国广西和云南两省进行了验证。对于研究植被对径流响应的研究，...

**NDVI的特征**
基于2000年至2020年的年度NDVI数据集，我们量化了年际平均NDVI及其变化趋势，以评估研究区域内的植被动态，如图2所示。从空间上看，NDVI分布呈现出明显的模式，东部和西部以及南部地区的值较高，而北部地区的值相对较低。值得注意的是，存在显著的地理异质性。

**冰川对径流模拟的影响**
几项近期研究通过纳入冰川过程（Chen等人2024；Liu等人2022；Yang等人2024）将Budyko框架扩展到了寒冷的高山流域（塔里木河流域和祁连山脉）。这些研究表明，在寒冷山区，不能忽视冰川过程对径流模拟的影响。例如，Liu等人（2022）和Chen等人（2024）都表明，包括冰川质量平衡和冰川比例可以显著改善径流。

**结论**
在全球变暖背景下量化高山流域内的植被-径流相互作用是一个重大挑战。在这项研究中，我们开发了一个考虑冰川影响的Budyko框架，并建立了一个半经验公式来估算参数ω，将NDVI和气候季节性指数结合起来。我们使用弹性方法量化了2000年至2020年间中国西南流域植被变化对年径流的影响。主要结论如下：

**作者贡献声明**
周泽辉：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、概念化。
黄卫东：可视化、验证。
傅建宇：验证、方法论。
孙电晨：验证。
勇斌：验证、数据管理。
于磊：正式分析、概念化。
邢万秋：验证、方法论。
金嘉欣：撰写——审阅与编辑、验证、方法论。

**未引用参考文献**
Mu?oz Sabater, 2019.

**数据可用性**
数据可根据请求提供。

**利益冲突**
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
我们非常感谢参与此次评审的专家们的贡献。本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号42401430、52409038和72271128）；江苏省自然科学基金（项目编号BK20230121）；南京邮电大学自然科学研究启动基金（项目编号NY223216和NYY224006）的资助。