Page 51 - 水利学报2021年第52卷第3期

归因等方面总结相关研究进展，并对未来的发展动态做出展望。

2 水循环与碳循环要素的监测

水循环主要包括降水、蒸散发、入渗、土壤水与地下水运移、产汇流等过程，其中只有降水量
与河川径流量，通过气象与水文测站有着广泛的地面实时监测。在全球尺度上，遥感技术已广泛应
用于地形地貌、土地利用类型、植被分布等基础地理信息与水文循环各个变量的监测之中 ［14］ 。在区
域或流域尺度上，受限于遥感监测的精度与实测站点的数量，从经验公式、概念性降水-径流模型、
大尺度水热平衡公式、到分布式水文模型等一系列水文模拟技术仍然是获取蒸散发、土壤蓄水量等
水循环要素的重要手段 ［15］ 。
碳循环主要包括光合作用固碳、呼吸作用消耗、凋落物分解与土壤碳循环等过程。相较于径流
量，固碳量更加难以准确测量，目前主要的方法包括：（1）基于涡度相关技术的碳通量观测。在冠层
和站点尺度上，主要通过通量塔进行碳、水、热通量及周边微气候条件的连续观测。自 1990 年代以
［16］ ［17］ ［6，18 ］
来，通量塔观测网络得到迅速发展，FLUXNET 、AmeriFlux 、ChinaFLUX 等全球或国家大型
观测计划已有超过 250 个站点；（2）基于遥感技术的数学模型。在区域和全球尺度上，基于多光谱、
高分辨率遥感数据的数学模型是获取水、碳通量的主要方法，但模型的率定与校验仍然依赖于站点
尺度上充足的通量观测数据 ［19］ 。
随着监测技术与仪器设备的发展，近年来开始出现针对流域尺度的综合观测实验系统 ［20］ ，通过
结合传统地面观测与载微波辐射计、成像光谱仪、热像仪、激光雷达等航空遥感设备，形成覆盖全
流域的气象、水文、生态环境综合观测网，对水循环与碳循环要素进行多尺度观测实验。

3 水-碳耦合机理与模拟模型

3.1 自然界水循环与碳循环的耦合过程 在植物体内存在的以光合作用为主的一系列碳-水生化反应
与水分循环对碳水化合物的运输作用构成了陆地生态系统水-碳耦合关系的生理学基础与动力基础。
在植物体外，水、碳在土壤-植被-大气连续体中的运动过程存在一系列的耦合关系 ［21］ ：土壤-植被
之间主要通过根系耦合，包括根系与土壤间水分与有机离子的交换、根系与凋落物分解过程中对水
分的消耗及对土壤碳库的补充等；土壤与大气之间以土壤表层为耦合节点，包括土壤蒸发与土壤呼
吸的相互作用、降水对土壤碳排放的影响等；植被与大气之间则以叶片气孔为水、碳交换过程的耦
合节点，蒸腾作用与光合作用之间不可分割的生理联系是水-碳耦合关系的核心。
在流域尺度上，水-碳耦合主要表现在植被固碳过程对土壤水分的消耗与对产汇流的调节、降水
和径流过程对地表有机物的冲刷和输移等。水-碳耦合过程直接关系到水资源（水量、水生态环境）与
生态系统服务功能（提供自然资源与生物栖息地、吸收温室气体等），因此，是气候气象、水文水资
源、生态环境等领域共同关注的问题。
3.2 水-碳耦合关系的量化 经 过 全 球 通 量 网 的 多 年 观 测 与 实 验 分 析 ， 有 大 量 证 据 显 示 ， 在 从

叶 片 、 冠 层 、 到 区 域 和 全 球 的 多 种 空 间 尺 度 上 ， 固 碳 量 与 耗 水 量 存 在 着 显 著 的 正 相 关 性 ， 且
在 相 似 的 生 态 系 统 内 ， 存 在 着 相 似 的 线 性 比 例 关 系 ［2 ，22］ 。 这 种 植 物 光 合 作 用 中 固 碳 量 与 耗 水
量 的 比 例 关 系 ， 即 水 分 利 用 效 率 ， 是 反 映 生 态 系 统 功 能 与 水 -热 -碳 平 衡 的 关 键 指 标 。 在 生 态
系统尺度上，水分利用效率常用总初级生产力（GPP）与蒸散发（ET）的比值来表征（WUE = GPP / ET）。
［23］ ［1］ ［19］
从 Mu 、Sun 、Zhang 等基于全球地面通量数据的分析结果来看（图 1），森林、灌木、草地、农
田、湿地等生态系统的水分利用效率主要在 0.5 ~ 5 g（C）kg （H O）之间变化，在不同植被类型及不同气
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候条件下有着显著差异。这些基于点尺度通量数据的 WUE 模拟结果与基于大尺度遥感观测（例如广泛
使用的 MODIS 卫星数据）的结果往往有着较大偏差 ［19］ ，反映了当前在 GPP 与 ET 的模拟计算中仍然存在
较大的不确定性。

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