段 凱，孫 閣，劉 寧

（1.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州 510275；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東珠海 519082；3.Eastern Forest Environmental Threat Assessment Center，USDA Forest Service，Research Triangle Park， NC 27709）

1 研究背景

大氣與地表間水分與碳元素的交互過(guò)程是陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)與能量循環(huán)的核心，降水經(jīng)由下墊面的調(diào)蓄分配到土壤水、蒸散發(fā)、與產(chǎn)匯流，其中土壤含水量與蒸散發(fā)是決定植物光合作用與生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素，而植被也通過(guò)冠層截留降水與蒸騰作用耗水反饋影響水文系統(tǒng)。因此，在葉片到流域的多種空間尺度上，水量平衡與碳平衡均緊密相聯(lián)［1-2］，二者與外部環(huán)境交互作用，直接關(guān)系到生態(tài)系統(tǒng)的健康穩(wěn)定與人類(lèi)社會(huì)的供水安全和糧食安全。

當(dāng)前地球系統(tǒng)已進(jìn)入人類(lèi)干擾日益占據(jù)主導(dǎo)地位的新時(shí)代，即“人類(lèi)世”［3］。自工業(yè)革命以來(lái)，全球氣候變化持續(xù)加劇，過(guò)去30年很可能是近1400年來(lái)北半球平均氣溫最高的時(shí)期［4］；與此同時(shí)，我國(guó)改革開(kāi)放以來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展給環(huán)境帶來(lái)了顯著的負(fù)面影響，自然資源的消耗、快速城市化、大規(guī)模的植被破壞與修復(fù)、空氣與水體污染等高強(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)與氣候變化交織重疊，嚴(yán)重干擾了自然狀態(tài)下的水量平衡與碳平衡［5］。自然與人為因素共同作用下的環(huán)境變化與其影響已成為當(dāng)前地球科學(xué)、資源環(huán)境、生命科學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域普遍關(guān)注的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題［6-8］。我國(guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》也將“全球變化與區(qū)域響應(yīng)”列為10個(gè)面向國(guó)家重大戰(zhàn)略需求的基礎(chǔ)研究方向之一。監(jiān)測(cè)和模擬水循環(huán)與碳循環(huán)的演化、正確認(rèn)識(shí)并精確量化變化環(huán)境對(duì)生態(tài)水文過(guò)程以及流域水-碳平衡的影響，對(duì)于保障水安全、防災(zāi)減災(zāi)、修復(fù)水環(huán)境、維護(hù)“山水林田湖草”生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能均具有重要的研究?jī)r(jià)值與實(shí)踐意義［9-11］。全球水文學(xué)者與生態(tài)學(xué)者已針對(duì)自然水-碳循環(huán)的物理過(guò)程與內(nèi)在聯(lián)系、水-碳循環(huán)要素的時(shí)空演變特征、水-碳平衡對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng)機(jī)理等問(wèn)題進(jìn)行多年研究，尤其是自1990年代以來(lái)，生態(tài)水文學(xué)作為一門(mén)新興的交叉學(xué)科獲得迅速發(fā)展［12-13］，水-碳耦合研究開(kāi)始受到廣泛關(guān)注。下文從自然界中水循環(huán)與碳循環(huán)要素的監(jiān)測(cè)、水-碳耦合關(guān)系、變化環(huán)境對(duì)流域水-碳平衡的干擾、以及流域水-碳平衡演化規(guī)律識(shí)別與歸因等方面總結(jié)相關(guān)研究進(jìn)展，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展動(dòng)態(tài)做出展望。

2 水循環(huán)與碳循環(huán)要素的監(jiān)測(cè)

水循環(huán)主要包括降水、蒸散發(fā)、入滲、土壤水與地下水運(yùn)移、產(chǎn)匯流等過(guò)程，其中只有降水量與河川徑流量，通過(guò)氣象與水文測(cè)站有著廣泛的地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在全球尺度上，遙感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地形地貌、土地利用類(lèi)型、植被分布等基礎(chǔ)地理信息與水文循環(huán)各個(gè)變量的監(jiān)測(cè)之中［14］。在區(qū)域或流域尺度上，受限于遙感監(jiān)測(cè)的精度與實(shí)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)量，從經(jīng)驗(yàn)公式、概念性降水-徑流模型、大尺度水熱平衡公式、到分布式水文模型等一系列水文模擬技術(shù)仍然是獲取蒸散發(fā)、土壤蓄水量等水循環(huán)要素的重要手段［15］。

碳循環(huán)主要包括光合作用固碳、呼吸作用消耗、凋落物分解與土壤碳循環(huán)等過(guò)程。相較于徑流量，固碳量更加難以準(zhǔn)確測(cè)量，目前主要的方法包括：（1）基于渦度相關(guān)技術(shù)的碳通量觀(guān)測(cè)。在冠層和站點(diǎn)尺度上，主要通過(guò)通量塔進(jìn)行碳、水、熱通量及周邊微氣候條件的連續(xù)觀(guān)測(cè)。自1990年代以來(lái)，通量塔觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)得到迅速發(fā)展，F(xiàn)LUXNET［16］、AmeriFlux［17］、ChinaFLUX［6，18］等全球或國(guó)家大型觀(guān)測(cè)計(jì)劃已有超過(guò)250 個(gè)站點(diǎn)；（2）基于遙感技術(shù)的數(shù)學(xué)模型。在區(qū)域和全球尺度上，基于多光譜、高分辨率遙感數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型是獲取水、碳通量的主要方法，但模型的率定與校驗(yàn)仍然依賴(lài)于站點(diǎn)尺度上充足的通量觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)［19］。

隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)與儀器設(shè)備的發(fā)展，近年來(lái)開(kāi)始出現(xiàn)針對(duì)流域尺度的綜合觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［20］，通過(guò)結(jié)合傳統(tǒng)地面觀(guān)測(cè)與載微波輻射計(jì)、成像光譜儀、熱像儀、激光雷達(dá)等航空遙感設(shè)備，形成覆蓋全流域的氣象、水文、生態(tài)環(huán)境綜合觀(guān)測(cè)網(wǎng)，對(duì)水循環(huán)與碳循環(huán)要素進(jìn)行多尺度觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。

3 水-碳耦合機(jī)理與模擬模型

3.1 自然界水循環(huán)與碳循環(huán)的耦合過(guò)程在植物體內(nèi)存在的以光合作用為主的一系列碳-水生化反應(yīng)與水分循環(huán)對(duì)碳水化合物的運(yùn)輸作用構(gòu)成了陸地生態(tài)系統(tǒng)水-碳耦合關(guān)系的生理學(xué)基礎(chǔ)與動(dòng)力基礎(chǔ)。在植物體外，水、碳在土壤-植被-大氣連續(xù)體中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程存在一系列的耦合關(guān)系［21］：土壤-植被之間主要通過(guò)根系耦合，包括根系與土壤間水分與有機(jī)離子的交換、根系與凋落物分解過(guò)程中對(duì)水分的消耗及對(duì)土壤碳庫(kù)的補(bǔ)充等；土壤與大氣之間以土壤表層為耦合節(jié)點(diǎn)，包括土壤蒸發(fā)與土壤呼吸的相互作用、降水對(duì)土壤碳排放的影響等；植被與大氣之間則以葉片氣孔為水、碳交換過(guò)程的耦合節(jié)點(diǎn)，蒸騰作用與光合作用之間不可分割的生理聯(lián)系是水-碳耦合關(guān)系的核心。

在流域尺度上，水-碳耦合主要表現(xiàn)在植被固碳過(guò)程對(duì)土壤水分的消耗與對(duì)產(chǎn)匯流的調(diào)節(jié)、降水和徑流過(guò)程對(duì)地表有機(jī)物的沖刷和輸移等。水-碳耦合過(guò)程直接關(guān)系到水資源（水量、水生態(tài)環(huán)境）與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能（提供自然資源與生物棲息地、吸收溫室氣體等），因此，是氣候氣象、水文水資源、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域共同關(guān)注的問(wèn)題。

3.2 水-碳耦合關(guān)系的量化經(jīng)過(guò)全球通量網(wǎng)的多年觀(guān)測(cè)與實(shí)驗(yàn)分析，有大量證據(jù)顯示，在從葉片、冠層、到區(qū)域和全球的多種空間尺度上，固碳量與耗水量存在著顯著的正相關(guān)性，且在相似的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，存在著相似的線(xiàn)性比例關(guān)系［2，22］。這種植物光合作用中固碳量與耗水量的比例關(guān)系，即水分利用效率，是反映生態(tài)系統(tǒng)功能與水-熱-碳平衡的關(guān)鍵指標(biāo)。在生態(tài)系統(tǒng)尺度上，水分利用效率常用總初級(jí)生產(chǎn)力（GPP）與蒸散發(fā)（ET）的比值來(lái)表征（WUE=GPP/ET）。從Mu［23］、Sun［1］、Zhang［19］等基于全球地面通量數(shù)據(jù)的分析結(jié)果來(lái)看（圖1），森林、灌木、草地、農(nóng)田、濕地等生態(tài)系統(tǒng)的水分利用效率主要在0.5～5 g（C）kg-1（H2O）之間變化，在不同植被類(lèi)型及不同氣候條件下有著顯著差異。這些基于點(diǎn)尺度通量數(shù)據(jù)的WUE模擬結(jié)果與基于大尺度遙感觀(guān)測(cè)（例如廣泛使用的MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)）的結(jié)果往往有著較大偏差［19］，反映了當(dāng)前在GPP與ET的模擬計(jì)算中仍然存在較大的不確定性。

圖1 不同植被類(lèi)型的水分利用效率比較

有研究發(fā)現(xiàn)空氣中的蒸發(fā)動(dòng)力對(duì)于水分利用效率有著顯著影響。因此，針對(duì)水分利用效率與飽和水汽壓差（VPD）之間線(xiàn)性或非線(xiàn)性的響應(yīng)關(guān)系，有學(xué)者提出了固有水分利用效率系數(shù)（IWUE=GPP×VPD/ET）［24］、潛在水分利用效率系數(shù)（UWUE=GPP×VPDK/ET）［25］等指標(biāo)，從而可通過(guò)動(dòng)態(tài)的水分利用效率來(lái)反映氣候變化對(duì)水-碳耦合關(guān)系的影響。例如，Guerrieri等［26］利用同位素技術(shù)分析了北美地區(qū)8個(gè)森林樣地的樹(shù)木年輪數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)IWUE在過(guò)去30年以0.35±0.04 μmol·mol-1·a-1（P＜0.001）的速率遞增，其中針葉林比闊葉林的IWUE更高，這種增長(zhǎng)趨勢(shì)與氣溫、VPD、CO2背景濃度呈正相關(guān)，而與降水、土壤濕度呈負(fù)相關(guān)。尤其是人類(lèi)活動(dòng)導(dǎo)致的全球范圍內(nèi)CO2濃度持續(xù)上升，被認(rèn)為是WUE增大的重要驅(qū)動(dòng)因素。CO2背景濃度的升高降低了葉片氣孔開(kāi)度與蒸騰速率，從而提高了相似水分供給條件下的水分利用效率［27-28］。有學(xué)者建議，應(yīng)使用形如的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來(lái)反映CO2的這種肥化效應(yīng)［29］。式中WUE0為基準(zhǔn)期平均水分利用效率，Ci為環(huán)境中CO2濃度，C1與C2為CO2濃度的波動(dòng)閾值。

3.3 水-碳耦合數(shù)學(xué)模型基于水-碳平衡之間的物理聯(lián)系，涌現(xiàn)出一些將流域水文模型與碳平衡模型耦合起來(lái)的數(shù)學(xué)模型。這類(lèi)模型通常以土地利用為計(jì)算單元，模擬不同生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)水量平衡與碳平衡之間的相關(guān)性，并由此衍生出幾種構(gòu)建流域水-碳耦合模型的思路：

（1）以水定碳模型（water-centric model）。已有部分學(xué)者構(gòu)建了以測(cè)算水通量和水分虧缺對(duì)光合作用的限制為基礎(chǔ)的碳循環(huán)模型，例如：Beer等［30］利用流域尺度的蒸散發(fā)與水分利用效率系數(shù)模擬了總初級(jí)生產(chǎn)力的全球分布；Sun等［1］依據(jù)全球通量塔的水、碳通量數(shù)據(jù)，針對(duì)落葉林、常綠林等10種植被類(lèi)型的不同水分利用效率建立了大尺度碳平衡模型，用于估算流域尺度的生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。

（2）以碳定水模型（carbon-centric model）。由于蒸散發(fā)量組分復(fù)雜、難以直接測(cè)量，近年來(lái)也有嘗試使用生態(tài)系統(tǒng)的固碳量來(lái)估算蒸散發(fā)，即以碳定水的耦合模型。例如，Zhang等［19］利用全球通量網(wǎng)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)建立了全球水-碳耦合模型，該模型首先使用碳循環(huán)模型計(jì)算總初級(jí)生產(chǎn)力，再以總初級(jí)生產(chǎn)力與水分利用效率的比值估算蒸散發(fā)。

（3）基于植物生理過(guò)程的生態(tài)系統(tǒng)模型（process-based model）?，F(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)模型大多以基于光利用效率（LUE）理論的碳循環(huán)模型為內(nèi)核，模擬植物在不同生長(zhǎng)階段的生理過(guò)程。由于水份供給是光合作用的關(guān)鍵限制因素之一，這類(lèi)模型也以不同方式考慮了水循環(huán)與固碳量之間的耦合關(guān)系，例如CASA［31］、3PG［32］、TECO［33］、EC-LUE［34］、RHESSys［35］等模型，均通過(guò)對(duì)土壤含水量、蒸散發(fā)等水循環(huán)要素的模擬來(lái)反映水分條件對(duì)固碳過(guò)程的影響。

4 變化環(huán)境對(duì)流域水-碳平衡的干擾

變化環(huán)境對(duì)流域的干擾來(lái)自于許多方面，包括多種生物（如植被演替、病蟲(chóng)害、物種入侵等）與非生物（如氣候變化、土地開(kāi)發(fā)、空氣污染、水利工程建設(shè)等）因素，其中氣候與下墊面土地利用/植被覆蓋的變化對(duì)全球與區(qū)域尺度上的水-碳平衡造成了廣泛而深刻的影響，尤為受到關(guān)注［4，36-37］。

4.1 氣候變化的影響氣候變化對(duì)水循環(huán)過(guò)程有著直接的影響，導(dǎo)致水循環(huán)加劇、地表干旱化、水文序列非一致性、極端洪旱事件增多等。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在氣候暖化的背景下，近50年來(lái)我國(guó)西北東部、華北大部、東北南部等地區(qū)干旱面積均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)［38］。南方地區(qū)雖較北方濕潤(rùn)，近年來(lái)也頻繁出現(xiàn)季節(jié)性干旱，且降水的年內(nèi)分布變化也呈現(xiàn)出對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響，自1980年代以來(lái)，華南春季與秋季降水量呈現(xiàn)出明顯減少的趨勢(shì)，夏旱、秋旱及連旱發(fā)生的可能性增加［39］。在氣候變化與用水增長(zhǎng)的共同影響下，近50年來(lái)我國(guó)六大江河的實(shí)測(cè)徑流量整體上呈下降趨勢(shì)，尤其是海河、黃河、遼河、與松花江下降顯著［40］。

氣候變化也對(duì)碳平衡造成了顯著影響。一方面，氣候變化引起水循環(huán)要素時(shí)空格局變化，從而影響植物生長(zhǎng)期水分供應(yīng)條件。已有研究表明，持續(xù)加劇的全球暖化會(huì)驅(qū)動(dòng)蒸散發(fā)耗水的增長(zhǎng)與地表土壤濕度的減小，在供水條件較好的地區(qū)會(huì)顯著增大生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力［41］。然而，氣候變化背景下干旱頻發(fā)，也被普遍認(rèn)為是造成GPP下降的重要原因［22，42］。另一方面，氣候變化也與大氣中CO2、氮素、臭氧、氣溶膠等因素一起影響著植物的生理狀態(tài)與光合作用過(guò)程。例如，Sun等［43］利用通量測(cè)站與模型模擬數(shù)據(jù)分析了生態(tài)系統(tǒng)水分利用效率在我國(guó)的時(shí)空演變特征，發(fā)現(xiàn)在1979—2012年間，水分利用效率在東北、西南、與中部地區(qū)有所增長(zhǎng)，而下降趨勢(shì)主要分布在西部。

4.2 土地利用/植被覆蓋變化的影響土地利用/植被覆蓋的轉(zhuǎn)變（城市化、森林砍伐、圍湖造田等）則改變了自然狀態(tài)下的下墊面特征，干擾了降水在生態(tài)水文系統(tǒng)內(nèi)的分配過(guò)程，以及陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳收支狀況［44］。由于固碳過(guò)程依賴(lài)于土壤與空氣中的水分供給，流域產(chǎn)水與固碳之間不可避免地存在著矛盾［11］，而土地利用方式與植被組成的改變對(duì)于二者之間的這種轉(zhuǎn)化關(guān)系有著重要影響［45］。森林、草地、濕地等生態(tài)系統(tǒng)在為人類(lèi)社會(huì)提供各種自然資源并充當(dāng)天然碳庫(kù)的同時(shí)，也能在不同程度上起到凈化水質(zhì)、阻滯洪水、調(diào)蓄徑流年內(nèi)分配的作用，但也因?yàn)楸瘸擎?zhèn)地區(qū)更大的蒸散發(fā)而消耗掉大量水分。在我國(guó)范圍內(nèi)，自1980年代以來(lái)大規(guī)模的人工造林工程使得許多地區(qū)成為更大的碳匯［46-47］，與此同時(shí)，也因林地耗水量增大而在一定程度上導(dǎo)致河川徑流與輸沙量減少［48-49］。例如，在濕潤(rùn)炎熱的華南桉樹(shù)林地，蒸散發(fā)可消耗掉高達(dá)90%的年降水［50］；與此相反，近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)的快速城市化發(fā)展使得長(zhǎng)三角、珠三角等城市密集地區(qū)不透水面積迅速增大，削弱了地表蓄滯洪水與儲(chǔ)碳的能力。據(jù)Pei等［51］估算，2000—2006年，城市化導(dǎo)致中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)凈生產(chǎn)力減少約6%（0.31×10-3Pg C/年）。

4.3 變化環(huán)境的復(fù)合性與區(qū)域性變化環(huán)境對(duì)于流域水-碳平衡的干擾往往表現(xiàn)出多種因素（如氣候、土地利用、營(yíng)養(yǎng)元素、水利工程等）共同作用的復(fù)合性特征；另一方面，由于水分熱量條件、地質(zhì)地貌、植被、人類(lèi)活動(dòng)強(qiáng)度等方面的地區(qū)差異，水-碳平衡對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng)也呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域性［52-53］。例如，由衛(wèi)星遙感所得到的全球葉面積指數(shù)數(shù)據(jù)顯示，CO2濃度、氮沉降、氣候、以及土地利用的變化共同導(dǎo)致了地表儲(chǔ)碳量在全球大范圍的增長(zhǎng)，即“全球綠化”現(xiàn)象，其中氣候變化在高緯度地區(qū)與青藏高原起主導(dǎo)作用，而土地利用變化的影響在華南地區(qū)較為顯著［54-55］；Feng等［9］指出，長(zhǎng)年的大規(guī)模植被恢復(fù)工程已使得黃土高原達(dá)到了區(qū)域水資源所能承載的極限，而Zhou 等［56］則認(rèn)為，大面積植樹(shù)造林并沒(méi)有對(duì)廣東省的水資源造成顯著影響；Keenan 等［27］發(fā)現(xiàn)，在氣候與CO2濃度變化的組合影響下，高緯度地區(qū)的水分利用效率會(huì)有顯著增長(zhǎng)，而低緯度地區(qū)卻可能下降。造成這些差異性響應(yīng)的機(jī)理機(jī)制與未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)并不完全清晰，而且由于研究者學(xué)科背景、建模依據(jù)與數(shù)據(jù)來(lái)源等方面的差異，不同模型之間的結(jié)果往往相差甚遠(yuǎn)，從降水、蒸散發(fā)到徑流、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力等要素的模擬均存在較大的不確定性。要厘清不同環(huán)境因素的影響范圍、程度、驅(qū)動(dòng)機(jī)理仍然面臨許多困難，需要做進(jìn)一步的探索［57-58］。

5 流域水-碳平衡演化規(guī)律識(shí)別與歸因

已有大量研究從不同角度診斷流域水-碳平衡的變異特征與成因，并解析各個(gè)環(huán)境變化因子的貢獻(xiàn)率。常用方法包括基于流域?qū)嶒?yàn)的配對(duì)流域法、基于統(tǒng)計(jì)關(guān)系的氣候彈性模型法和大尺度經(jīng)驗(yàn)公式法、生態(tài)水文模擬法等。

（1）配對(duì)流域法。配對(duì)流域法是生態(tài)水文學(xué)中用于分析植被變化與流域管理對(duì)流域水文過(guò)程影響的經(jīng)典方法，也被公認(rèn)為最直接有效的手段［59-60］。早在1910年，美國(guó)農(nóng)業(yè)部林務(wù)局在科羅拉多州的Wagon Wheel Gap開(kāi)展了針對(duì)森林砍伐對(duì)徑流、輸沙量影響的配對(duì)流域?qū)嶒?yàn)［61］。這是全球數(shù)以百計(jì)的配對(duì)流域?qū)嶒?yàn)的原型。其基本思路為，在研究區(qū)域內(nèi)尋找氣候、地質(zhì)地貌、土壤條件類(lèi)似的兩個(gè)流域作為配對(duì)流域，設(shè)計(jì)嚴(yán)格的控制對(duì)照實(shí)驗(yàn)，人為改變其中一個(gè)流域（“實(shí)驗(yàn)流域”）的外部環(huán)境，同時(shí)以另一個(gè)流域?yàn)樽匀粭l件下的參照（“對(duì)照流域”），通過(guò)連續(xù)的跟蹤觀(guān)測(cè)，比較兩個(gè)流域水-碳要素的變化特征與環(huán)境變化的影響；然而，由于實(shí)驗(yàn)條件的制約，發(fā)展中國(guó)家往往缺乏長(zhǎng)期、連續(xù)的生態(tài)水文監(jiān)測(cè)與配對(duì)流域?qū)嶒?yàn)。一種廣泛使用的替代方案是在一個(gè)較長(zhǎng)的歷史時(shí)期內(nèi)，遴選出環(huán)境變化劇烈的兩個(gè)時(shí)期，選擇地理位置接近但受到不同環(huán)境變化影響的兩個(gè)流域作為配對(duì)流域，進(jìn)行比較分析。例如，我國(guó)自改革開(kāi)放以來(lái)許多流域經(jīng)歷了土地利用方式上的劇烈變化，以1980年代左右作為時(shí)間分割點(diǎn)，選擇氣候背景與地形地貌相似的兩個(gè)子流域開(kāi)展配對(duì)分析，已成為分割植被變化（城市化、植樹(shù)造林、砍伐圍墾等）與氣候變化影響的常見(jiàn)方法［62-63］。

（2）氣候彈性模型法。由于配對(duì)流域法對(duì)兩個(gè)流域的相似性要求嚴(yán)苛，目前國(guó)內(nèi)按照配對(duì)流域法嚴(yán)格進(jìn)行流域?qū)嶒?yàn)的報(bào)導(dǎo)并不多見(jiàn)，尤其是對(duì)于大流域而言這種相似性更加難以確定，且流域特征的差異性往往會(huì)掩蓋人類(lèi)活動(dòng)干擾的影響。因此，針對(duì)單一流域進(jìn)行時(shí)間序列分析，進(jìn)而量化不同時(shí)期環(huán)境變化的影響是另一種常用思路［64］。其中，氣候彈性模型法被廣泛應(yīng)用于分割氣候變化與下墊面人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域水量平衡的影響［65］。其基本步驟包括：①使用雙累積曲線(xiàn)法或Mann-Kendall檢驗(yàn)等方法檢測(cè)徑流突變發(fā)生的時(shí)間［66］，將歷史時(shí)期劃分為“突變前”與“突變后”兩個(gè)時(shí)期，以?xún)蓚€(gè)時(shí)期實(shí)測(cè)平均徑流的差值代表氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)對(duì)徑流的影響之和；②以“突變前”時(shí)期的實(shí)測(cè)降水、徑流、與潛在蒸散發(fā)為基準(zhǔn)，建立徑流與降水、潛在蒸散發(fā)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系；③利用所建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模擬“突變后”時(shí)期的平均徑流并計(jì)算相較于“突變前”時(shí)期的變化，用于識(shí)別氣候變化對(duì)徑流的影響；④最后以總影響值減去氣候變化影響得到人類(lèi)活動(dòng)影響。

（3）大尺度經(jīng)驗(yàn)公式法。其基本思路為在較大尺度上建立針對(duì)某一水-碳要素的經(jīng)驗(yàn)公式，并根據(jù)不同環(huán)境背景（如植被類(lèi)型）設(shè)定不同的模型參數(shù)，進(jìn)而模擬環(huán)境變化對(duì)水-碳要素的影響。其中，以Budyko 公式為代表的大尺度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅粡V泛用于診斷變化環(huán)境對(duì)流域水量平衡的影響。例如，Zhang 等［67］建立了形如的蒸散發(fā)模型。式中的w為植被參數(shù)，可利用歷史實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行率定，既而通過(guò)代入不同的w參數(shù)估算出特定的植被變化對(duì)蒸散發(fā)的影響程度。結(jié)合大尺度水量平衡公式與水分利用效率，可進(jìn)一步在年代際尺度上估算植被變化對(duì)徑流和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的影響。

（4）生態(tài)水文模擬法。即利用具有一定物理基礎(chǔ)的生態(tài)水文模型進(jìn)行控制模擬實(shí)驗(yàn)與歸因分析［68-69］。歸因結(jié)果一般可概化為：。式中ΔW表示流域水-碳平衡要素（如蒸散發(fā)、徑流、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力）從“突變前”到“突變后”時(shí)期的變化，即所有環(huán)境因子對(duì)其影響的總和?？蓪ⅵ分解為降水、氣溫、輻射、空氣濕度、風(fēng)速、土地利用方式、植被指數(shù)（如葉面積指數(shù)、NDVI）、CO2濃度等因子的獨(dú)立影響Ei()i=1，2，…，N，以及各因子間相互作用的影響Eint。其中，Ei可通過(guò)控制其余因子不變來(lái)模擬單個(gè)因子變化的獨(dú)立影響，Eint可通過(guò)ΔW與∑Ei的差值來(lái)計(jì)算。既而可得到各因子的相對(duì)貢獻(xiàn)率。以上幾類(lèi)方法各有其優(yōu)劣及適用范圍。配對(duì)流域法雖直接有效，但需要投入巨大的資金與時(shí)間成本，而判斷所選擇的兩個(gè)流域是否“相似”也有較強(qiáng)的主觀(guān)性，尤其是對(duì)于大流域而言。針對(duì)單一流域的統(tǒng)計(jì)方法則受限于數(shù)據(jù)資料的質(zhì)量與時(shí)空分辨率，例如，降水監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的空間代表性不足、植被的歷史演變?nèi)鄙贁?shù)據(jù)等因素，常常會(huì)直接影響到結(jié)論的可靠性。生態(tài)水文模型在一定程度上彌補(bǔ)了流域?qū)嶒?yàn)的不足，一方面可模擬無(wú)觀(guān)測(cè)地區(qū)的水-碳平衡，另一方面可靈活地用于預(yù)估未來(lái)一種或多種因素復(fù)合影響下的水-碳響應(yīng)。然而，模型的開(kāi)發(fā)、率定、與驗(yàn)證均依賴(lài)于長(zhǎng)期的觀(guān)測(cè)與實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集與尺度轉(zhuǎn)換中的不確定性、異參同效性等問(wèn)題，都可能對(duì)歸因分析的結(jié)果造成干擾。

6 研究難點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì)

6.1 研究難點(diǎn)從已有的研究來(lái)看，變化環(huán)境下的流域水-碳耦合模擬與水-碳演化規(guī)律研究仍然存在以下難點(diǎn)。

（1）蒸散發(fā)組分的分割量化。蒸散發(fā)是地表與大氣之間水、熱、碳交互的核心變量，但站點(diǎn)尺度上的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)稀少且難以獲取。遙感蒸散發(fā)產(chǎn)品雖已得到廣泛應(yīng)用，但在用于流域尺度時(shí)，仍存在較大不確定性，用于模型校驗(yàn)時(shí)可能帶來(lái)一定的系統(tǒng)性誤差。尤其是植被蒸騰、冠層截留、土壤蒸發(fā)等組分所占比重在不同的水熱條件下有著顯著差異，難以準(zhǔn)確測(cè)算。例如，在干旱且長(zhǎng)時(shí)間無(wú)降水的地區(qū)，冠層截留與土壤蒸發(fā)的貢獻(xiàn)趨近于零，但在濕潤(rùn)地區(qū)，二者卻常常占有重要比重。未來(lái)需要進(jìn)一步明晰冠層、葉面及地表水熱傳導(dǎo)過(guò)程的物理意義，厘清氣象、植被、土壤濕度等因素對(duì)蒸散發(fā)各分量的影響。

（2）水-碳耦合關(guān)系在流域尺度上的表達(dá)。由于不同尺度上空間結(jié)構(gòu)和功能的異質(zhì)性，尺度匹配問(wèn)題是水文學(xué)、生態(tài)學(xué)、及氣候?qū)W耦合研究中最大的障礙之一。當(dāng)前的水-碳耦合研究大多在站點(diǎn)或田間、樣地等小尺度上，流域尺度上水-碳平衡的耦合機(jī)制并不清晰，通常需要根據(jù)小尺度上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行升尺度（upscaling）分析。然而，升尺度面臨著空間異質(zhì)性與非線(xiàn)性的難題，往往帶來(lái)較大的誤差。未來(lái)需結(jié)合流域與生態(tài)系統(tǒng)的空間格局與嵌套關(guān)系，進(jìn)一步探索從站點(diǎn)到生態(tài)系統(tǒng)再到流域的尺度上升過(guò)程對(duì)水-碳耦合關(guān)系的影響與參數(shù)化方法。

（3）環(huán)境因素對(duì)水-碳耦合關(guān)系的影響機(jī)理。由于植物光合作用的生理復(fù)雜性，水分利用效率受到地形地貌、氣候氣象、土壤屬性、樹(shù)種樹(shù)齡等多種流域特征的影響，難以找到普適性的效率系數(shù)［43，70-71］。在不同尺度上水-碳耦合關(guān)系對(duì)大氣組分（如CO2濃度、氮沉降、臭氧等）［27，72］、飽和水汽壓差［25，30］、氣溶膠［73］等環(huán)境因素的非線(xiàn)性響應(yīng)關(guān)系以及不同因素間的相互作用仍將是未來(lái)研究的難點(diǎn)。

6.2 發(fā)展趨勢(shì)針對(duì)變化環(huán)境下水-碳平衡演化研究的復(fù)雜性、區(qū)域性、交叉性，當(dāng)前研究思路與方法的發(fā)展呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)。

（1）多源數(shù)據(jù)融合。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的日益豐富成熟與對(duì)水循環(huán)、碳循環(huán)物理過(guò)程的認(rèn)識(shí)逐步深入，綜合運(yùn)用地表觀(guān)測(cè)、航空遙感、同位素追蹤、統(tǒng)計(jì)模型、物理模型等多種技術(shù)手段，并集成、同化多源數(shù)據(jù)，將是未來(lái)監(jiān)測(cè)水-碳要素的主要發(fā)展方向。

（2）基于物理機(jī)制的分布式生態(tài)水文模擬。隨著觀(guān)測(cè)手段與信息技術(shù)的發(fā)展，物理意義更為明確的分布式或半分布式模型（如SWAT、VIC、RHESSys 等）得到了廣泛應(yīng)用［8，74］。通過(guò)綜合利用遙感解譯、雷達(dá)反演與地面觀(guān)測(cè)等不同時(shí)空尺度上的大氣與下墊面數(shù)據(jù)，能夠獲取時(shí)空分辨率更高的參數(shù)與模型輸入，從而更精細(xì)、準(zhǔn)確地模擬水-碳循環(huán)過(guò)程對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng)。開(kāi)發(fā)基于多源數(shù)據(jù)同化的分布式物理模型、并針對(duì)流域特征參數(shù)化表達(dá)水-碳耦合循環(huán)過(guò)程是當(dāng)前重要的研究方向。

（3）跨學(xué)科交叉研究。隨著人們對(duì)水-碳循環(huán)與氣候氣象、植被生態(tài)、社會(huì)城市等環(huán)境因素相互作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)逐步加深，融合氣候、水文、生態(tài)、社會(huì)等領(lǐng)域的跨學(xué)科綜合研究逐漸走向前沿［75-77］。例如，傳統(tǒng)的流域水文模型對(duì)生態(tài)機(jī)理的描述十分簡(jiǎn)略，即使是較為復(fù)雜的分布式物理模型，通常也是利用多期土地利用/植被覆蓋條件的遙感影像獲得下墊面參數(shù)，但無(wú)法預(yù)測(cè)植被的動(dòng)態(tài)變化與水-碳耦合關(guān)系的動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響。致力于實(shí)現(xiàn)生態(tài)-水文雙向耦合的‘達(dá)爾文式’模型，在未來(lái)有著廣闊的發(fā)展前景［78-79］。

7 結(jié)論

氣候系統(tǒng)、水文系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)之間的相互影響錯(cuò)綜復(fù)雜，某一個(gè)要素的變化往往導(dǎo)致其他系統(tǒng)的連鎖反應(yīng)。研究水-碳耦合關(guān)系與水-碳平衡對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng)規(guī)律，能夠?yàn)闆Q策者在不同時(shí)空尺度上提供水土資源統(tǒng)籌管理的決策依據(jù)，為協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)區(qū)域綠色發(fā)展與可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

目前關(guān)于氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水循環(huán)或者碳循環(huán)影響的研究雖然較多，但大多只側(cè)重于某一要素或某一過(guò)程，且往往將水、碳作為單獨(dú)的研究目標(biāo)來(lái)處理，對(duì)于兩者交互過(guò)程與耦合關(guān)系的相關(guān)基礎(chǔ)研究依然薄弱，尤其是流域尺度上的生態(tài)水文機(jī)理機(jī)制研究仍有待深入。在當(dāng)前全球變化的背景下，環(huán)境變化對(duì)流域水-碳平衡的干擾呈現(xiàn)出顯著的復(fù)合性與區(qū)域性，基于流域?qū)嶒?yàn)的配對(duì)流域法、基于統(tǒng)計(jì)關(guān)系的氣候彈性模型法和大尺度經(jīng)驗(yàn)公式法、與基于物理過(guò)程的生態(tài)水文模擬法等方法被廣泛用于解析流域水-碳平衡關(guān)鍵要素的變異特征與成因。然而，相關(guān)研究仍然面臨著數(shù)據(jù)短缺、水-碳耦合關(guān)系參數(shù)化與尺度轉(zhuǎn)換困難、自然與人為多種因素相互作用機(jī)理不明等問(wèn)題，多源數(shù)據(jù)同化及多模型集成、基于物理機(jī)制的分布式生態(tài)水文模擬、以及氣候-水文-生態(tài)-社會(huì)跨學(xué)科交叉研究將是未來(lái)重要的發(fā)展方向。