Китай посадил больше всех деревьев в мире. Почему это привело к засухе на западе страны?

С 2001 по 2020 год Китай реализовал наиболее масштабные в современной истории программы по восстановлению природных экосистем и изменению землепользования. Государственные проекты, такие как «Защитные лесонасаждения в Северном Китае», «Превращение пашен в леса и луга» и «Защита естественных лесов», существенно изменили ландшафт страны. За два десятилетия на долю Китая пришлось около 25% от всего общемирового прироста площади листьев.

Параллельно с высадкой лесов в стране происходила быстрая урбанизация. Миллионы сельских жителей переселились в города, что привело к забросу малопродуктивных сельскохозяйственных земель на склонах гор. В то же время пахотные земли стали смещаться из экономически развитых юго-восточных регионов на северо-запад страны.

Все эти процессы преследовали важные цели: остановить деградацию почв, снизить риск наводнений, увеличить связывание углерода для борьбы с изменением климата и обеспечить продовольственную безопасность. Однако изменение типа поверхности земли напрямую влияет на гидрологический цикл. Высадка деревьев и расширение посевов меняют объем воды, который испаряется с поверхности земли и поступает в атмосферу.

В журнале Earth's Future опубликовано исследование специалистов из Китайского сельскохозяйственного университета, Утрехтского университета и Университета Цинхуа. Ученые оценили гидрологические последствия изменения землепользования в Китае за период с 2001 по 2020 год. Результаты показали: масштабное озеленение увеличило общий объем осадков, но одновременно сократило количество доступной жидкой воды, перераспределив ресурсы между регионами.

Простой гидрологический баланс: как растения влияют на воду

Чтобы понять результаты исследования, необходимо разграничить два понятия: испарение воды растительностью и общую доступность воды.

1. Суммарное испарение (эвапотранспирация) — это совокупность двух процессов: прямого испарения воды с поверхности почвы или водоемов и транспирации. Транспирация — это процесс, при котором растения всасывают воду из почвы через корни, проводят ее по стеблям и испаряют через микроскопические поры на листьях. Деревья с глубокой корневой системой испаряют намного больше воды, чем травянистая растительность или открытая почва.
2. Доступность воды — это объем жидкой воды, который остается на поверхности земли или в почве после вычета испарения. Он рассчитывается по простой формуле:

Доступность воды = Осадки − Суммарное испарение

Именно доступная вода формирует сток рек, наполняет озера, пополняет подземные водоносные горизонты и используется человеком для питья, промышленности и орошения.

Когда испарившаяся вода поднимается в атмосферу, воздушные потоки переносят её на расстояние от 500 до 7000 километров. Затем эта влага выпадает на землю в виде дождя или снега. Этот процесс называется внутриконтинентальным круговоротом влаги. Изменение типа растительности в одном регионе меняет объем пара в атмосфере и напрямую влияет на количество осадков в других местах, расположенных далеко по направлению ветра.

Как проводилось исследование

Для оценки изменений водных ресурсов авторы работы объединили несколько массивов данных высокой точности за 20-летний период:

• Данные о землепользовании: спутниковые снимки MODIS с разрешением 500 метров зафиксировали все изменения типов поверхности — от высадки лесов до расширения городов и пашен.
• Данные об испарении и осадках: для расчета объема испарения и осадков ученые использовали метеорологический массив ERA5 Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды, а также биофизическую модель PML-V2.
• Модель атмосферного переноса влаги UTrack: эта модель отслеживает движение масс воздуха и водяного пара в трехмерном пространстве на 25 уровнях атмосферы. Она позволяет точно определить, из какого именно района испарилась вода и над каким регионом она выпала в виде осадков.

Чтобы отделить влияние высадки растений от общего изменения климата, исследователи создали две моделируемые ситуации. В первой ситуации площади лесов, лугов и пашен зафиксировали на уровне 2001 года, но использовали реальные климатические данные для каждого года. Во второй ситуации использовали реальные данные и по климату, и по изменению ландшафта. Разница между этими двумя сценариями показала чистый гидрологический эффект от деятельности человека по изменению землепользования.

Общенациональные результаты: осадков больше, воды меньше

В целом по Китаю за период с 2001 по 2020 год изменение ландшафта привело к ускорению круговорота воды. Однако итоговый водный баланс оказался отрицательным.

В среднем за год из-за изменения землепользования происходили следующие процессы:

• Суммарное испарение увеличивалось на 1,71 мм в год. При этом наблюдался устойчивый годовой рост этого показателя.
• Объем осадков увеличивался на 1,24 мм в год. Дополнительный пар в атмосфере приводил к формированию новых облаков и дождей.
• Доступность воды сокращалась на 0,46 мм в год.

Поскольку растения испаряли больше воды, чем возвращалось на территорию страны в виде осадков, часть влаги уносилась ветрами за пределы Китая. В результате общий объем речного стока и влаги в почве постепенно уменьшался.

Региональный анализ: кто потерял и кто выиграл

Территория Китая разделена на три крупные природно-климатические зоны:

1. Восточный муссонный регион (влажный климат, сосредоточена большая часть населения и лесов).
2. Северо-Западный аридный регион (сухой климат, пустыни, полупустыни и новые сельскохозяйственные земли).
3. Регион Тибетского плато (высокогорный суровый климат, альпийские луга).

Исследование показало, что высадка лесов и изменение характера землепользования вызвали перераспределение водных ресурсов между этими зонами.

Восточный муссонный регион

В этой части страны проводилась наиболее активная высадка лесов. Площадь древесных насаждений увеличивалась со скоростью 12,96 тыс. км² в год. Из-за этого суммарное испарение выросло сильнее всего — на 1,99 мм в год.

Однако сформировавшийся над лесами водяной пар под действием муссонных ветров перемещался в другие регионы. Объем выпавших осадков не компенсировал эти потери. В итоге доступность воды на востоке Китая снижалась на 0,59 мм в год.

Северо-Западный аридный регион

В сухих северо-западных провинциях происходили два основных процесса: с одной стороны, восстанавливали естественные луга, с другой — расширяли площади орошаемых пашен (их прирост составил 2,21 тыс. км² в год). Сельское хозяйство переносилось из густонаселенного востока на засушливый запад.

Орошение сельскохозяйственных культур и рост травянистой растительности увеличили испарение. При этом в данной широте преобладают западные ветры. Они подхватывали испарившуюся влагу и уносили ее на восток и юго-восток.

В результате Северо-Западный регион столкнулся с самым сильным дефицитом: доступность воды здесь падала со скоростью 1,14 мм в год. Искусственное орошение пашен в сухом климате привело к выкачиванию подземных и речных вод, которые затем улетали с воздухом в соседние регионы.

Регион Тибетского плато

Тибетское плато показало противоположную динамику. Здесь основной формой изменения землепользования стало восстановление поврежденных пастбищ и замена деградировавших земель лугами (прирост площади лугов — 1,57 тыс. км² в год).

Из-за холодного высокогорного климата сам Тибет испаряет относительно немного воды. Однако плато расположено на пути воздушных масс, идущих с Северо-Западного аридного региона. Испарившаяся на северо-западе вода под воздействием западных ветров поднималась к Тибетскому плато и выпадала там в виде осадков.

Прирост осадков на Тибетском плато составил 1,66 мм в год — это самый высокий показатель в стране. В результате Тибет оказался единственным регионом, где доступность воды увеличилась — на 0,38 мм в год.

Влияние конкретных типов изменения землепользования

Ученые также проанализировали, как именно отдельные виды хозяйственной деятельности повлияли на водные ресурсы.

1. Переход от лугов к лесу (22,5% от всей площади изменений):Это самый массовый тип озеленения, происходивший в основном на востоке. Насаждение лесов на месте лугов дало наибольший вклад в увеличение испарения (8,44 млрд м³ в год) и осадков (5,08 млрд м³ в год). Но из-за высокой потребности деревьев в воде этот процесс вызвал наибольшее абсолютное сокращение доступной жидкой воды — на 3,36 млрд м³ в год.
2. Переход от открытых грунтов и пустынь к лугам (21,1% от площади изменений):Происходил на Тибетском плато и на Северо-Запада. Восстановление трав увеличило испарение на 3,14 млрд м³ в год. Однако за счет циркуляции воздуха большая часть этой влаги вернулась обратно на территорию Китая в виде дождей. Потери доступной воды оказались минимальными — 0,62 млрд м³ в год.
3. Перевод пашен в луга: Обратный процесс, при котором сельхозугодья засаживали травой. Травянистый покров без искусственного орошения испаряет меньше воды, чем сельскохозяйственные культуры. В результате этот процесс снизил испарение на 1,9 млрд м³ в год и увеличил локальную доступность воды на 1,15 млрд м³ в год.

Прогнозы и риски на будущее

Авторы исследования отмечают, что выявленные тенденции продолжатся в ближайшие десятилетия, что создает новые гидрологические риски:

• Леса на юго-востоке: в рамках выполнения международных соглашений по климату Китай планирует дальше увеличивать лесные площади. Однако нарастание лесной массы в южных и восточных провинциях может усилить почвенную засуху и снизить сток местных рек.
• Перенос сельского хозяйства на северо-запад: полномасштабная урбанизация продолжит вытеснять пашни на периферию. Расширение орошаемого земледелия в аридном Северо-Западном регионе ускорит истощение подземных водоносных горизонтов. Это создает прямую угрозу устойчивости местного сельского хозяйства.
• Озеленение Тибета: потепление климата и приток влаги способствуют росту растительности на Тибетском плато. На данном этапе это приводит к увеличению запасов воды, но в долгосрочной перспективе рост испарения может уравновесить этот эффект.

Новые подходы к управлению водными ресурсами

Главный научный вывод работы заключается в том, что традиционные методы планирования водных ресурсов устарели.

Ранее экологи и государственные органы управляли водой исключительно в границах речных бассейнов. Они учитывали только речной сток, каналы и подземные пласты. Однако исследование показывает необходимость учета атмосферных водосборов.

Атмосферный водосбор — это территория суши, которая обеспечивает испарением осадки для конкретного целевого региона. Посадка лесов или создание орошаемых полей в одном районе изменяет количество осадков в других регионах, находящихся на расстоянии сотен и тысяч километров.

Для решения возникшего дисбаланса исследователи предлагают два практических шага:

1. Переход к «грамотному лесоразведению» (smart afforestation)

Нельзя высаживать деревья исключительно на основе показателей связывания углерода. При планировании лесопосадок необходимо учитывать гидрологический лимит региона. В сухих и полуаридных районах необходимо отказываться от видов деревьев с высокой транспирацией в пользу засухоустойчивых растений и кустарников, которые минимально расходуют грунтовые воды.

2. Межрегиональные компенсационные механизмы

Регионы, находящиеся ниже по направлению движения воздушных масс и получающие дополнительные осадки (как Тибет или отдельные восточные территории), фактически пользуются водой, испарившейся в наветренных регионах.

Авторы предлагают внедрить систему финансовых компенсаций за управление атмосферой по аналогии с существующими программами оплаты экосистемных услуг. Регионы-получатели осадков могут компенсировать засушливым наветренным регионам затраты на внедрение сберегающих технологий землепользования и ограничение выкачивания подземных вод.

Заключение

Опыт Китая демонстрирует, что любые масштабные изменения ландшафта дают нелинейный результат. Высадка лесов и восстановление лугов помогают бороться с опустыниванием и связывают углерод, но одновременно увеличивают суммарное испарение и забирают жидкую воду из рек и почв.

Изменение растительного покрова на одном конце страны способно изменить режим осадков на другом. Чтобы экологические программы не приводили к истощению водных ресурсов, государственное планирование должно учитывать не только наземный сток рек, но и пути переноса водяного пара в атмосфере.

Источник: Earth's Future