第1章绪论
1.1研究背景
三北防护林体系建设工程（以下简称三北工程）范围包括我国西北、华北及东北西部的13个省（自治区、直辖市），总面积达449.28万km2，占我国陆地总面积的46.7%，涵盖了我国95%以上的风沙危害区和40%的水土流失区。按照*初的总体规划，三北工程的建设期从1978年开始，到2050年结束，共分三个阶段、八期工程。三北工程规划建设任务完成后，将使三北地区的森林覆盖率由5.05%提高到14.95%；林地面积由2.31×107 hm2增加到6.08×107 hm2；林木总蓄积量由7.2亿m3增加到4.27×109m3；林业年产值由9亿元增加到2.1×1010元；农作物产量提高10%～15%；水土流失得到基本控制；沙化面积不再扩大等；在祖国北疆初步构筑起一道抵御风沙、保持水土、护农促牧的“绿色长城”。三北工程是迄今为止人类历史上规模*大、建设持续时间*长、生态治理难度*大的生态防护林建设工程。
1978～2018年，经过40年建设，三北工程区按期完成造林任务，40年累计完成造林面积4.61×107 hm2，占同期规划造林任务的118.16%；林草植被初步得到恢复，植被生产力有所提高；森林资源总量持续增长，森林蓄积逐步提高；农田防护林建设显著增加低产区粮食产量；沙化土地得到有效治理；水土流失治理成效明显；区域生态环境安全有效改善；带动工程区社会经济综合发展。与此同时，工程建设中出现的造林树种单一，林分老化、退化，后期经营管理水平低等问题也逐渐显露并亟待解决。而且，由于造林面积逐渐增大，可用于造林的后备土地资源立地条件越来越差，造林难度增大。此外，由于三北工程区大部分区域地处西北干旱半干旱的水资源稀缺地区，随着“西部大开发”战略、“一带一路”倡议等陆续实施，三北工程区水资源供需矛盾将日益凸显。水资源短缺成为三北工程高质量发展的主要制约因素。
党和国家领导人对新时代三北工程建设高度重视，如三北工程40年表彰大会召开时，李克强总理作出批示，要求“要牢固树立新发展理念，坚持绿色发展，尊重科学规律，统筹考虑实际需要和水资源承载力等因素，继续把三北工程建设好，并与推进乡村振兴、脱贫攻坚结合起来，努力实现增绿与增收相统一，为促进可持续发展构筑更加稳固的生态屏障”。可见，雨养林草植被建设无疑已经成为三北工程区生态建设的重点。三北工程未来的建设需要牢固树立以水定绿的发展理念，从造林种草的实际需要和水资源承载力相适应出发，以不同区域的自然降水为主要依据，因地制宜发展雨养林草植被，建设稳定高效可持续的生态系统。本书在三北工程区、典型重点工程区、重点县3个空间尺度上，基于降水量及其地表分配，开展水资源承载能力与林草资源优化配置研究，编制基于水平衡的乔灌草植被优化配置方案，为科学恢复林草植被资源、发展雨养林草植被提供科学支撑。
本书主要从三北工程区尺度，分析区域降水时空格局及其变化趋势，确定乔灌草植被承载能力，提出乔灌草植被优化配置方案。
1.2文献综述
荒漠化是全球干旱半干旱地区面临的重大挑战。植被建设是众多国家用来缓解荒漠化的重要措施。由于自然和人为因素的影响，如干旱的气候、过牧、采伐、垦殖等，我国北方荒漠化形势仍然严峻（Zhang and Huisingh，2018；Xu and Ding，2018；Na et al.，2019；Zhang et al.，2020a，2020b）。1970年以来，我国北方地区实施了多项工程与措施以治理荒漠化（Shao et al.，2018；Wen et al.，2019）。三北工程因其空间范围*大和时间跨度*长，成为其中*具影响力的一项工程。
近些年，三北工程建设颇受学术界关注。统计数据显示，造林地面积显著增加，但是来自遥感（remote sensing，RS）的林地面积增加甚微（Duan et al.，2011；Xu，2011；国家林业和草原局，2018）。Ahrends等（2017）指出，中国北方造林明显地阻止与逆转了森林覆盖损失，但是仅增加了高度较低、稀疏和零星分布的人工林面积。Deng等（2019）认为，1978年以来三北工程区范围内的植被覆盖有所增加，但部分归因于温度和降水的增加。GerleinSafdi等（2020）利用QuikSCAT卫星的微波数据和来自GOME-2卫星的太阳诱导叶绿素荧光（solarinduced chlorophyll fluorescence，SIF）数据研究发现，三北工程区植被生物量在增加，造林可以增加生态系统生产力并控制荒漠化进程。由于水资源短缺、病虫害等，人工种植乔木和灌木的总体成活率低，三北工程因而受到批评（Wang et al.，2010）。造林过程中不恰当的物种选择导致更多的水资源消耗（Zheng et al.，2012），在干旱发生时更容易出现枯梢现象。外来植物物种会导致生物多样性下降，表土层破坏，土壤水分竞争性利用、土壤养分损失等问题，损害当地自然物种的生境（Xu，2011）。
三北工程被关注的核心点是造林对干旱和半干旱气候区水资源和水循环的消极影响。一般来说，森林植被比草地/农田的蒸散（发）量大，当土地类型从荒漠/草地/农田向森林植被转变时，由于蒸散（发）的增加，地表径流与地下水补给量减少。庞忠和等（2018）研究发现，鄂尔多斯高原北部沙漠区，虽然降水量较小，但由于包气带岩性为细砂和粉砂，土壤水入渗较快，地下水补给量较大；地表恢复成沙蒿、柠条、沙柳等时，地下水补给量显著减少。Deng等（2019）指出，1978年以来三北工程区碳蓄积的增加是以蒸散过程中更多的水消耗为代价的。Wen等（2019）报道，黄土高原的延河流域植被恢复减少了土壤流失，同时提供了更少的水资源。Cao等（2020）认为，三北工程在没有足够降水维持树木生长的区域造林将会导致地下水位加速下降，进而导致干旱半干旱区域生态系统退化问题进一步恶化（Jia and Shao，2014）。Ge等（2020）利用天气研究与预报模型(weather research and forecastingmodel，WRF模型)研究了造林对黄土高原水文的影响。研究结果显示，造林工程实施以来，蒸散量增加导致径流和土壤水分减少。由于造林减少了农业和人类聚居区可获得的水资源，而且对降水没有任何益处，Ge等（2020）提示，进一步造林会对黄土高原区域当地水安全造成威胁。
森林与地下水位之间的关系也备受关注。地下水埋深的变化会对以地下水为水分来源的植被生长产生明显影响。金晓媚等（2007）研究发现，银川平原适宜植被生长的地下水埋深范围为1～6m，埋深3.5m左右时植被长势*好，此情况下地下水矿化度为0.9g/L时对该地区植被的生长*为有利。当地下水埋深超过5m时，对植被的影响逐渐减弱；当地下水埋深超过8m时，对植被基本没有影响（孙宪春等，2008）。银川盆地适宜于植被生长的地下水埋深范围为2～4m，且当地下水矿化度小于2.5g/L时，地下水水质利于植被发育（金晓媚等，2008）。柴达木盆地乌图美仁地区植被的地下水埋深范围为0.4～3m，埋深0.9m时植被长势*好；埋深小于2m，地下水矿化度小于3.5g/L时植被发育也较好。其中，芦苇、沙蒿和柽柳对地下水埋深的变化较为敏感，当地下水埋深小于2m时，植被生长较好；而白刺则对地下水埋深的依赖性较小。当地下水溶解性总固体小于3g/L时，植被长势较好（金晓媚等，2016）。黑河下游额济纳绿洲荒漠适宜植被生长的地下水埋深范围为2～5m，当地下水埋深超过5.5m时，几乎没有植被发育（齐蕊等，2017）。随着向塔里木河下游间歇性输水工程的实施，输水河道附近的天然草本植被又重新成片地出现，耐旱的乔木、灌木随着地下水位升至其生长适宜水位，长势也得以重新恢复（陈亚宁等，2003）。雍正等（2020）发现，2009～2017年，塔里木河下游段地下水埋深平均抬升了3.75m，对下游植被恢复效果明显，下游归一化植被指数（normalized differential vegetation index，NDVI）平均值由0.05提升至0.15。但是，也有一些植被对地下水位变化并不敏感。平缓沙地地区的沙柳等半灌木植被生长与潜水位埋深虽有关系但不密切，地下水埋深较大（>5m）的沙丘和流动沙丘地区的沙蒿等耐干旱沙生植物生长基本不依赖地下水，地下水开采对沙地、沙丘上生长的耐干旱植被物种影响较小（范磊等，2018）。
森林植被能够影响水文过程、促进降水再分配、影响土壤水分运动以及改变产流汇流条件等，从而缓和地表径流，增加土壤径流和地下径流，在一定程度上起到了削峰补枯、控制土壤侵蚀、改善河流水质等作用（张志强等，2001），其中森林对河川径流量的影响以及削减洪峰和增加枯水径流的功能*受关注。由于自然条件、研究方法、区域面积等因素的不同，以及森林与径流错综复杂的关系，森林影响河川径流总量的结论存在三种观点（李文华等，2001）：①森林的存在对河川年径流量影响不大；②森林的存在可增加年径流量；③森林的存在会减少年径流量。尽管目前多数研究结果总体倾向于第三种观点，但由于森林与水分的关系极其复杂，不同自然地理环境以及不同结构类型的森林对大气降水的截留、林内降水的再分配、地表径流、地下径流以及蒸散发的影响不尽相同，进而造成水分循环和水量平衡的时空格局与过程的差异，因此在实际研究中还需要根据具体条件进行具体分析，而不能将某一环境条件下得出的结果作为一般规律加以应用。
三北工程的*初目的就是解决西北、华北、东北西部地区木料、燃料、肥料、饲料俱缺的问题，治理风沙危害和水土流失，提高农田生产力等。三北工程实施以来，在防风固沙、水土保持、粮食与果品生产、农田防护等方面发挥了重要作用，此外还提供了固碳释氧、气候调节等生态系统服务。这些贡献对当地、区域和国家范围人类福祉非常重要（Zheng et al.，2016；Chu et al.，2019；Cao et al.，2020）。三北工程显著改善了当地居民生计，对实现中国北方贫困地区可持续发展目标具有非常重要的意义（Wang et al.，2013）。因此，继续实施三北工程仍有必要。
但是，植被建设需要遵循自然规律，在区域水资源承载能力范围内，同时考虑三北工程区植被对人类福祉的各种贡献，以实现三北工程效益*大化为目的来开展植被建设。Jiang等（2019）在分析黄土高原土壤保持与产水量关系的基础上发现，植被覆盖度应控制在30%～40%（不超过50%）以使生态恢复项目的效果*大化。张琨等（2020）基于生态系统土壤保持、产水、碳固定三项服务获取综合指数与植被覆盖度的定量分析，提出了黄土高原不同区域植被覆盖度阈值，其中林地区域植被覆盖度阈值为44%，林地-草地区域植被覆盖度阈值为70%，草地区域植被覆盖度阈值为62%，草地-沙漠区域植被覆盖度阈值为34%，但是沙漠区域生态系统服务综合指数随植被覆盖度增加而持续增加，但沙漠区域受自然条件限制难以承载高强度生态恢复措施。可见，不同区域植被覆盖度阈值存在较大差异，这主要是由来自降水的水分限制造成的。
此外，三北工程需要进行一些调整，如在整个工程区大范围使用的造林树种应该被不同区域的当地物种取代，单纯的乔木造林应该逐渐转变为向水资源消耗较少的灌木和草本植被建设转变，纳入更多的经济树种以同时实现生态与经济目标，造林需要基于降水而不是灌溉，传统的积极造林应该转变为自然恢复（Feng et al.，2016；Ahrends et al.，2017；Zastrow，2019；GerleinSafdi et al.，2020；Xu et al.，2020；Zhang et al.，2020a，2020b）。
在本书中，我们根据降水来优化植被建设空间布局，*大限度地减少对水资源的“消极”影响。同时将分析1980～2018年降水时空格局，预测未来30年降水量，通过水量平衡方
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