2019年9月18日，习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上发表重要讲话，指出“保护黄河是事关中华民族伟大复兴的千秋大计”，并强调黄河流域生态保护和高质量发展是国家战略，对一些重大问题要深入研究、科学论证。黄河是我国西北和华北地区的重要水源，截至2018年底黄河流经的9个省份总人口达4.2亿，占全国人口的30.3%；地区生产总值23.9万亿元，占全国的26.5%^[1]。习近平总书记的讲话把黄河流域的生态保护和高质量发展上升到国家战略的高度，充分说明了黄河流域在国家安全中的重要地位。

黄河流域以其占全国2.2%的径流量，承担着占全国15%的耕地和12%人口的供水任务^{[2, 3]}。作为我国主要的能源基地，黄河流域煤炭资源占全国的70%，石油储量占50%，大规模的能源开发同样需要大量的水资源。目前，人类对水资源的需求已经远超流域水资源的承载力，导致对地表水的过度利用和地下水的过度开采，人类用水已经显著改变了流域的水循环及水资源格局^[4]。黄河流域大部分地区处于干旱半干旱区，对气候变化极其敏感，近年来气候呈暖干化是导致黄河流域径流量明显减少的原因之一^[5-7]。在气候变暖和人类活动的双重影响下，黄河流域水资源的供需矛盾更加突出，已成为我国水资源极其短缺的地区之一^{[3, 4]}，并在未来10—30年内仍将继续面临水资源严重短缺的严峻挑战。

流域尺度的人类无序用水和气候变化的共同作用会对黄河流域区域水循环产生怎样的影响？未来是否可以持续？“退耕还林还草”使得黄河流域植被状况得到了显著改善，这种改善对流域产流会产生什么样的影响？上述问题的核心就是气候变化-水-生态-人类社会的协同机制问题，而对这些问题的回答是保障黄河流域生态系统健康的科学基础。本文通过分析近半个世纪以来黄河流域气候水文的变化，揭示气候变暖和人类活动对黄河流域水资源影响的事实，从水资源现状指出黄河流域生态保护所存在的问题，最后给出了实施黄河流域生态保护和高质量发展亟待进行研究的基础科学问题。

1 黄河流域气候及水资源变化的现状

黄河流域大部分地区地处干旱半干旱区，气候复杂多样，流域大部分地区年降水量在500 mm以下；伴随着全球变暖，近年来黄河流域的气候要素也发生了显著的变化。

1.1 黄河流域的气候变化

由图 1a和b可以看出，1951—2018年黄河流域气温存在显著的上升趋势，且具有明显的区域差异。不难发现，增温最显著是河套地区；其次是中下游地区；增温最弱的是上游地区。整个流域年平均气温68年间升高了1.39℃，而区域平均年降水量却减少了10 mm，因此黄河流域在过去68年整体趋于暖干化。通过分析图 1c和d可以发现，黄河上游地区年降水具有明显的增加趋势，而中下游表现为明显的减少趋势。在上游区域，流域年平均气温近68年间上升了0.82℃，年降水量增加了33 mm；中游地区年均气温68年间上升了1.67℃，年降水量减少了31.6 mm。此外，降水集中度是一个表征降水过程的有效指标，当降水集中度的值大时，极端降水产生的频率就大，这种降水过程的变化对径流的产生也具有重要作用，同样的降水量由于降水过程的不同而产生的径流量也不同。由图 2可以看出，1951—2018年黄河流域大部分地区降水集中度为增大趋势，尤其是中下游地区，这说明黄河流域的极端降水过程正趋于增多。

从整个流域来讲，气候呈现暖干化趋势，而极端降水过程也正趋于增加，这些现象将对流域的水资源系统产生重要的影响。

1.2 黄河流域的水资源变化及人类用水

黄河流域地处干旱半干旱区，也是人类活动最剧烈的地区之一，水资源对气候变化和人类活动的响应极为敏感。气候趋于暖干化及流域大范围植被覆盖的增加，使得黄河流域水资源状况发生了显著的变化。以下将从黄河流域径流变化的基本事实入手，分析流域人类用水状况。

由图 3可以看出，1961—2016年黄河流域无论是实测径流还是天然径流，都存在明显的下降趋势。天然径流的下降趋势与该时段气候的暖干化有关，其中降水的减少是天然径流减少的主要原因；而气温的升高将使得流域蒸散发过程加速，不利于径流的产生。实测径流的大幅度减少除与气候流域中下游地区暖干化有关外，人类对地表水的过度利用也是黄河径流减少的主要因素之一。

黄河流域是我国主要的粮食基地和能源基地，水资源供需矛盾尤为突出，农业用水的比重占整个流域供水量的60%以上。从图 4可以看出，全流域人类用水占地表总径流量的比例从20世纪50年代的不足20%上升到最近的85%以上，地表水资源的利用比远超健康河流的警戒线（40%）。

从图 5可以看出，农业用水从2002年开始有一个减小趋势（2002 —2018年减少了3.4741×10⁹ m³），工业用水在2011年达到历史最高的6.55×10 ⁹ m ³。2002—2018年，工业和农业用水稳中略有增加（+1.451×10⁸ m³）；但生活用水和生态用水却有明显的增长趋势，分别增加了1.459×10⁹和1.94×10⁹ m³。黄河流域人类用水中，农业用水占比最高，2 0 0 2—2 0 1 8年平均占比达7 2 %。以2 0 1 2年为例，地表水和地下水的总供水量为5.246×10 ¹⁰ m ³，占黄河流域水资源量的68%；而仅农业的用水量就为3.4672×10 ¹⁰ m ³，耗水量为2.8099×10⁹ m³，相当于整个流域单位面积平均蒸发增加了约35 mm，这显著地改变了整个流域的蒸散发大小^[8]。由于地表水供应的严重不足，黄河流域地下水严重超采，2010年黄河流域浅层地下水蓄水量比上年减少1.63×10⁸ m³，形成了12个地下水漏斗区。统计表明，黄河流域平原地区地下水资源量为1.546×10¹⁰ m³，而近年来黄河流域平原区平均地下水开采量为1.323×10⁹ m³，远超该地区地下水与地表水的可重复量^①。另外，黄河干支流已建大型水库20余座，总库容超过7×10¹⁰ m³，远超黄河的河川径流量，并且水库及库容量的增加使得整个流域地表水体近10年迅速扩大。人类用水（包括地下水的抽取和地表水利用）已改变了黄河流域水资源分布格局，并能对局地水文循环和区域气候产生一定的反馈和影响。例如，农田灌溉增加了土壤湿度和蒸发，进而影响了大气降水及其对地下水的补给，形成对“三水”（大气降水、地表水和地下水）转换过程的重要影响^{[8, 9]}。

① http://www.yellowriver.gov.cn/other/hhgb/2011/index.html.

2 黄河流域植被变化对流域水循环过程的影响 2.1 黄河流域的植被变化

黄河流域作为生态系统的敏感区，尤其是近年来实施的“退耕还林还草”政策，使得整个流域的植被覆盖发生了显著的变化。由图 6a可以看出，黄河流域大部分地区植被覆盖在2000年以后明显变好，且黄河中下游植被覆盖增加最为显著。图 6b清楚地显示出，在2000年以后，整个黄河流域植被覆盖指数（leaf area index，LAI）显著增大，增加幅度达36.6%。进一步的分析表明，上游流域（兰州站以上集水区）1982—2017年LAI增加了22.8%，中下游流域增加43.9%；上游流域年平均气温1982—2017年上升了0.82℃，年降水量增加了33.0 mm；而中下游流域平均升温达1.67℃，年降水量减少了31.6 mm。从两个区域气候和植被覆盖变化的对比可以发现，上游流域升温且降水增多，植被覆盖的增加主要是气候要素的变化所引起的；而中下游显著的暖干化气候变化是植被生长的不利因素，但中下游地区的植被覆盖度增长却约是上游的2倍。可以推断，气候变化主导了上游流域的植被增加，而中下游植被增长与“三北防护林”建设和“退耕还林还草”政策的实施密切相关。

2.2 植被变化对黄河流域水循环过程的影响

气候变化和人类活动是影响流域水循环的两个重要方面。但由于不同流域之间地形地貌和气候变化的区域差异及气候的多样性，加之人类活动方式的不同，导致不同流域水循环及其影响因子具有特殊性，形成一个流域尺度上自然和人类，包括水-土-气-生相互作用过程的复杂系统，流域水循环变化机制的研究离不开对这些相互作用过程的探究。但从目前的进展来看，仅考虑单影响因子与水循环的相互作用^[12]，缺乏对各种因子影响流域水循环的相对贡献和综合影响的估算研究。存在的主要问题可归纳为2个方面：①单向驱动的水文模型无法客观描述气候变化或人类活动和流域水循环的相互作用过程，没有系统考虑大气-植被-水文的完全耦合；②在流域尺度上没有考虑气候变化和人类活动的综合效应，缺乏对不同影响因素相对贡献的客观评估，有关黄河流域的研究同样存在上述问题。

如前所述，自从1999年实施“退耕还林还草”政策以来，黄河流域植被覆盖度显著增大，如此显著的植被变化会对整个流域的水循环产生怎样的影响？当前的黄河流域径流量的急剧减少与植被覆盖变化是否有关？目前，还缺乏从物理成因的角度去解释其形成机制的研究。例如，近年来黄土高原输沙量的锐减与这个时段降水关系不大（降水在这个时段偏丰），其主要原因是人类活动改变了下垫面的植被覆盖，因为植被覆盖度的增加遏制了因降水产生的水土流失，减少了输入河流的泥沙^[21]。然而，在泥沙锐减的同时，流域内的产流也急剧减少，形成了黄河流域特有的水沙矛盾^{[3, 22, 23]}；而植被覆盖的增加也增大了下垫面的植被蒸腾，进而引起土壤中水分的减少和黄土中干土层的加厚，导致土壤中水分的供需不平衡^[24]。另外，产流占比整个流域35%的黄河源区由于地处青藏高原，下垫面十分复杂，对气候变暖响应敏感，不同区域的气温、降水及其影响下积雪、冻土、植被等地表过程的变化及其对区域水文过程与水资源的影响存在着明显的差异^[25-27]。在气候暖干化、径流急剧减少和人类用水不断增加的背景下，如何厘清上述科学问题背后的机制和机理，是实现黄河流域生态保护和高质量发展所面临的重大挑战。

3 黄河流域生态保护和高质量发展的思考

综上所述，在全球增暖和人类活动的共同影响下，黄河流域的气候及水文过程发生了显著的变化，中下游气候的暖干化、流域径流量的大幅减少、极端气候事件的增多、植被改善但土壤水分减小和土壤干层不断加厚等已成为黄河流域生态保护和实现高质量发展所面临的主要问题。从科学研究的层面来讲，黄河流域生态保护和高质量发展是涉及多学科交叉的复杂问题。然而，已有的研究尚不具备足以支撑黄河流域生态保护和高质量发展的科学基础。习近平总书记2019年9月18日的讲话已经把黄河流域生态保护及高质量发展提升为国家战略，其核心目标有：①加强生态保护；②保障黄河长治久安；③推进水资源节约集约利用；④推动黄河流域高质量发展；⑤保护、传承、弘扬黄河文化。要实现这些战略目标，亟待对以下5个基础科技问题开展研究。

（1）建立黄河流域水-土-气-生综合观测协同网络并实现数据共享。过去在黄河流域进行了大量的观测实验研究，如黄河源区的水-土-气-生观测试验、黄土高原的小流域观测试验等，也积累了丰富数据。但这些研究大部分都是各自为政，未能构建起从黄河流域水-土-气-生相互作用角度出发的长期连续的国家综合观测网络，难以实现不同学科之间数据的共享。这极大地限制了相关科学研究工作的进展，也对国家的科技投资造成了极大浪费。因此，开展黄河流域生态保护基础科学问题的研究，建立黄河流域水-土-气-生综合观测协同网络并实现数据共享是当务之急。

（2）发展高分辨率流域气候-水文-生态-人类社会经济耦合模式。过去对黄河流域的研究已经取得了丰富的成果和长足的进展，但从地球系统科学的角度进行的多圈层相互作用研究还很薄弱，区域高分辨率地球系统模式在流域尺度还没有得到很好的研究和应用。因此，在水-土-气-生的相互作用过程取得新认识的基础上，发展高分辨率流域气候-水文-生态-社会经济耦合模式，将为在黄河流域开展“气候-水-生态-社会经济系统机制”研究提供有效工具。

（3）气候-水-生态-人类社会经济的协同发展机制研究。黄河流域生态保护和高质量发展的核心是气候-水-生态-人类社会的协同发展。保障这种协同发展，需要利用流域高分辨的水-土-气-生相互耦合的模式进行定量评估和综合分析，厘清不同过程之间的相互协同机制，提出协同的最优方案。

（4）未来10—50年黄河流域气候变化的情景预估及可能影响。在充分认识气候-水-生态-人类社会协同机制和协同最优方案的基础上，利用发展完善的耦合模式开展未来10—50年黄河流域气候变化的情景预估，既是制定未来黄河流域生态保护和高质量战略规划科学基础的重要组成部分，也是主动应对气候变化的有效途径。

（5）探索黄河流域动态分水方案和水资源节约集约利用的关键技术。气候呈暖干化是实现黄河流域水资源可持续利用的不利因素。黄河流域水资源年际变化差异大，且存在明显的径流减少趋势。因此，需要探索流域动态的水资源管理方案，以应对黄河流域水资源供需矛盾突出的严峻挑战。此外，流域的节约用水也是一个永恒的话题。应在气候时间尺度上，把未来水资源的可能情景作为刚性约束，大力发展行业节水的关键技术，实施全社会节水，推动用水方式由粗放向节约集约转变，以期为黄河流域的高质量发展提供最基础、最关键和最重要的水资源保障。