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水 利 学 报

2021 年 3 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 3 期

文章编号：0559-9350（2021）03-0300-10

变化环境下流域水-碳平衡演化研究综述

段 凯 ，孙 阁 ，刘 宁 3
3
1，2
（1. 中山大学 土木工程学院，广东 广州 510275；2. 南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海），广东 珠海 519082；
3. Eastern Forest Environmental Threat Assessment Center，USDA Forest Service，Research Triangle Park， NC 27709）

摘要： 流域水量平衡与碳平衡通过植物光合作用与蒸散发过程紧密相联。在全球环境变化的背景下，研究流域
水-碳平衡的耦合关系与对变化环境的响应规律对于发展生态水文科学具有重要科学意义，也可为区域水安全保
障、生态系统服务功能评价、气候变化适应性对策制定等提供科学支撑。本文从水循环与碳循环要素的监测、
水-碳耦合关系的量化和模拟、变化环境对水-碳平衡的干扰、流域尺度上水-碳平衡演化规律识别与归因等方面
对相关研究进展进行综述，探讨当前的研究热点、面临的问题与挑战、以及未来的发展趋势。
关键词：水-碳耦合；流域水-碳平衡；变化环境；研究进展
中图分类号：TV11 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200172

1 研究背景

大气与地表间水分与碳元素的交互过程是陆地生态系统物质与能量循环的核心，降水经由下垫
面的调蓄分配到土壤水、蒸散发、与产汇流，其中土壤含水量与蒸散发是决定植物光合作用与生态
系统生产力的关键因素，而植被也通过冠层截留降水与蒸腾作用耗水反馈影响水文系统。因此，在
叶片到流域的多种空间尺度上，水量平衡与碳平衡均紧密相联 ［1-2］ ，二者与外部环境交互作用，直接
关系到生态系统的健康稳定与人类社会的供水安全和粮食安全。
［3］
当前地球系统已进入人类干扰日益占据主导地位的新时代，即“人类世” 。自工业革命以来，
全 球 气 候 变 化 持 续 加 剧 ， 过 去 30 年 很 可 能 是 近 1400 年 来 北 半 球 平 均 气 温 最 高 的 时 期 ［4］ ； 与 此 同
时，我国改革开放以来经济社会的快速发展给环境带来了显著的负面影响，自然资源的消耗、快
速城市化、大规模的植被破坏与修复、空气与水体污染等高强度人类活动与气候变化交织重叠，
［5］
严重干扰了自然状态下的水量平衡与碳平衡 。自然与人为因素共同作用下的环境变化与其影响已
成为当前地球科学、资源环境、生命科学等多个学科领域普遍关注的热点与难点问题 ［6-8］ 。我国《国
家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》也将“全球变化与区域响应”列为 10 个面向国家
重大战略需求的基础研究方向之一。监测和模拟水循环与碳循环的演化、正确认识并精确量化变
化环境对生态水文过程以及流域水-碳平衡的影响，对于保障水安全、防灾减灾、修复水环境、维
护“山水林田湖草”生态系统服务功能均具有重要的研究价值与实践意义 ［9-11］ 。全球水文学者与生态
学者已针对自然水-碳循环的物理过程与内在联系、水-碳循环要素的时空演变特征、水-碳平衡对
变化环境的响应机理等问题进行多年研究，尤其是自 1990 年代以来，生态水文学作为一门新兴的
交叉学科获得迅速发展 ［12-13］ ，水-碳耦合研究开始受到广泛关注。下文从自然界中水循环与碳循环要
素的监测、水-碳耦合关系、变化环境对流域水-碳平衡的干扰、以及流域水-碳平衡演化规律识别与

收稿日期：2020-03-17；网络首发时间：2021-02-08
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210208.0935.001.html
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基金项目：国家自然科学基金项目（51909285）；广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队（2019ZT08G090）
作者简介：段凯（1989-），副教授，主要从事水文水资源研究。E-mail：duank6@mail.sysu.edu.cn
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