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土地利用/覆盖变化（Land use and land cover change,LUCC）对气候变化的影响是全球变化研究的重要内容之一。陆地植被变化是LUCC的重要表征，其可通过改变植被覆盖度、地表反照率等生物地球物理属性，调节地表能量平衡和水分循环，进而对区域气候要素和水分平衡产生重要影响。地处干旱半干旱区的毛乌素沙地作为“黄河流域生态保护和高质量发展”国家战略的重要组成部分，是典型的生态环境脆弱区与气候变化敏感区，曾经是我国荒漠化最严重的地区之一。自2000年以来，随着一系列生态恢复工程的实施，该地区植被状况呈现明显好转、生态环境得到显著改善，已成为我国植被恢复和荒漠化逆转最为成功的案例。然而，大规模植被变化对区域气候的生物地球物理调节效应以及对水分平衡的影响仍然缺乏定量评估，亟待开展深入研究。
本文以毛乌素沙地为研究对象，首先基于归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）查明了植被变化的时空特征，并区分了气候变化和人类活动对植被变化的相对贡献；其次，采用数值模拟法，利用WRF-Noah陆-气耦合区域气候模式，定量评估了植被变化对气温、降水等关键气候要素的影响并阐明了其物理过程和机制，在此基础上，进一步评估了植被变化对区域水分平衡的影响；最后，从极端土壤湿度变化的角度模拟了陆面蒸散改变对区域降水的影响潜力，并与外界水汽输送改变对降水的影响相比较，探讨了区域陆面过程（如蒸散）与大尺度大气过程（如外界水汽输送）对降水的相对重要性。本研究可为干旱半干旱地区植被恢复与生态建设提供理论支撑，为深入理解当地气候变化的归因、科学应对气候变化并制定适应性策略提供科学参考，并有望充实和完善植被-气候关系的基础理论。主要研究结果和结论如下：
1.2001-2018年毛乌素沙地约有86%的区域植被生长季（5-9月）NDVI呈显著增长趋势（p＜0.05），区域平均变化率为0.049decade-1。植被状况的显著好转受到气候变化和人类活动的共同影响，其中，大部分区域人类活动的贡献率超过80%，而同期气候变化的贡献率通常不足20%。
2.毛乌素沙地植被恢复使夏季地表生物地球物理属性发生强烈改变，植被覆盖度和叶面积指数大幅增加，而地表反照率有所降低。模拟结果显示，响应于植被变化，夏季日均气温降低了0.13-0.32℃，并且夜间最低气温的降温幅度（0.15-0.47℃）明显大于白天最高气温（0.04-0.13℃），这种不对称降温效应导致气温日较差增加了0.1-0.37℃。同时，植被恢复具有微弱的增湿效应，气温和比湿的联合响应使地面空气热含量减少了0.1-0.4kJ/kg，为当地夏季带来略微冷湿的气候环境条件。此外，植被恢复在一定程度上引起夏季极端高温事件强度和频率的减少以及极端低温事件强度和频率的增加。植被恢复对日均气温产生的降温效应主要归因于蒸散的增加，而土壤热通量的昼夜循环减弱在最低气温变化中发挥了更大的作用。
3.毛乌素沙地植被恢复引起区域夏季蒸散增加了0.17mm day-1，增幅为8%，相当于整个沙地的夏季蒸散耗水量增加了约3.5×108m3。但由于水汽增加未能引起明显的降水正反馈，同时蒸散冷却作用使大气趋于稳定，在一定程度上会抵消水汽增加可能对降水产生的积极影响，因此，植被恢复对区域降水的影响可忽略不计。由于水分亏缺得不到降水反馈的补偿，使区域地表水分平衡被打破，导致0-200cm深度的土壤湿度有所减少，且深层土壤水分的消耗超过表层。
4.陆面蒸散变化对毛乌素沙地降水的影响潜力很小，当地降水变化主要受到外界水汽输送的支配。水汽通量辐合（MFC）高值时期的区域降水量比低值时期高出70%以上，同时中高强度降水（＞10mm day-1）有所增多。降水变化可分解为影响水汽供应能力的直接贡献以及影响降水效率的间接贡献。高MFC主要通过提高降水效率从而显著增加降水；土壤湿度改变引起的蒸散增加仅在MFC高值时期通过间接贡献对区域平均降水有一定的积极影响，但这种效应相对较小，对降水的作用也不显著。
综上所述，毛乌素沙地植被恢复导致的蒸散增加对区域夏季气温具有明显的降温效应，这在一定程度上有助于缓解当地气候变暖以及极端气温事件对生态系统造成的负面影响，但这种变化却不足以促进区域降水的增加。该地区降水主要受到外界水汽输送变化的强烈影响，而陆面蒸散变化对降水的影响潜力很小，进一步说明即使区域陆面状况有较大程度的改变（如大规模植被恢复），由其引发的蒸散变化对降水产生的生物地球物理反馈可能也将十分有限。需要引起重视的是，植被覆盖增加造成的水分亏缺得不到降水反馈的补偿，反而造成土壤水分减少，可能会加剧水资源短缺，将不利于维持当前植被恢复和生态系统服务的可持续性。因此，本研究建议未来干旱半干旱地区的植被恢复与生态建设，应综合权衡植被-气候-水文之间的关系，植被建设要与当地气候和生态承载力相适应，以实现区域可持续发展。
本文以毛乌素沙地为研究对象，首先基于归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index,NDVI）查明了植被变化的时空特征，并区分了气候变化和人类活动对植被变化的相对贡献；其次，采用数值模拟法，利用WRF-Noah陆-气耦合区域气候模式，定量评估了植被变化对气温、降水等关键气候要素的影响并阐明了其物理过程和机制，在此基础上，进一步评估了植被变化对区域水分平衡的影响；最后，从极端土壤湿度变化的角度模拟了陆面蒸散改变对区域降水的影响潜力，并与外界水汽输送改变对降水的影响相比较，探讨了区域陆面过程（如蒸散）与大尺度大气过程（如外界水汽输送）对降水的相对重要性。本研究可为干旱半干旱地区植被恢复与生态建设提供理论支撑，为深入理解当地气候变化的归因、科学应对气候变化并制定适应性策略提供科学参考，并有望充实和完善植被-气候关系的基础理论。主要研究结果和结论如下：
1.2001-2018年毛乌素沙地约有86%的区域植被生长季（5-9月）NDVI呈显著增长趋势（p＜0.05），区域平均变化率为0.049decade-1。植被状况的显著好转受到气候变化和人类活动的共同影响，其中，大部分区域人类活动的贡献率超过80%，而同期气候变化的贡献率通常不足20%。
2.毛乌素沙地植被恢复使夏季地表生物地球物理属性发生强烈改变，植被覆盖度和叶面积指数大幅增加，而地表反照率有所降低。模拟结果显示，响应于植被变化，夏季日均气温降低了0.13-0.32℃，并且夜间最低气温的降温幅度（0.15-0.47℃）明显大于白天最高气温（0.04-0.13℃），这种不对称降温效应导致气温日较差增加了0.1-0.37℃。同时，植被恢复具有微弱的增湿效应，气温和比湿的联合响应使地面空气热含量减少了0.1-0.4kJ/kg，为当地夏季带来略微冷湿的气候环境条件。此外，植被恢复在一定程度上引起夏季极端高温事件强度和频率的减少以及极端低温事件强度和频率的增加。植被恢复对日均气温产生的降温效应主要归因于蒸散的增加，而土壤热通量的昼夜循环减弱在最低气温变化中发挥了更大的作用。
3.毛乌素沙地植被恢复引起区域夏季蒸散增加了0.17mm day-1，增幅为8%，相当于整个沙地的夏季蒸散耗水量增加了约3.5×108m3。但由于水汽增加未能引起明显的降水正反馈，同时蒸散冷却作用使大气趋于稳定，在一定程度上会抵消水汽增加可能对降水产生的积极影响，因此，植被恢复对区域降水的影响可忽略不计。由于水分亏缺得不到降水反馈的补偿，使区域地表水分平衡被打破，导致0-200cm深度的土壤湿度有所减少，且深层土壤水分的消耗超过表层。
4.陆面蒸散变化对毛乌素沙地降水的影响潜力很小，当地降水变化主要受到外界水汽输送的支配。水汽通量辐合（MFC）高值时期的区域降水量比低值时期高出70%以上，同时中高强度降水（＞10mm day-1）有所增多。降水变化可分解为影响水汽供应能力的直接贡献以及影响降水效率的间接贡献。高MFC主要通过提高降水效率从而显著增加降水；土壤湿度改变引起的蒸散增加仅在MFC高值时期通过间接贡献对区域平均降水有一定的积极影响，但这种效应相对较小，对降水的作用也不显著。
综上所述，毛乌素沙地植被恢复导致的蒸散增加对区域夏季气温具有明显的降温效应，这在一定程度上有助于缓解当地气候变暖以及极端气温事件对生态系统造成的负面影响，但这种变化却不足以促进区域降水的增加。该地区降水主要受到外界水汽输送变化的强烈影响，而陆面蒸散变化对降水的影响潜力很小，进一步说明即使区域陆面状况有较大程度的改变（如大规模植被恢复），由其引发的蒸散变化对降水产生的生物地球物理反馈可能也将十分有限。需要引起重视的是，植被覆盖增加造成的水分亏缺得不到降水反馈的补偿，反而造成土壤水分减少，可能会加剧水资源短缺，将不利于维持当前植被恢复和生态系统服务的可持续性。因此，本研究建议未来干旱半干旱地区的植被恢复与生态建设，应综合权衡植被-气候-水文之间的关系，植被建设要与当地气候和生态承载力相适应，以实现区域可持续发展。