Page 53 - 水利学报2021年第52卷第3期

水循环要素的模拟来反映水分条件对固碳过程的影响。

4 变化环境对流域水-碳平衡的干扰

变化环境对流域的干扰来自于许多方面，包括多种生物（如植被演替、病虫害、物种入侵等）与
非生物（如气候变化、土地开发、空气污染、水利工程建设等）因素，其中气候与下垫面土地利用/植
被覆盖的变化对全球与区域尺度上的水-碳平衡造成了广泛而深刻的影响，尤为受到关注 ［4，36-37］ 。
4.1 气候变化的影响 气候变化对水循环过程有着直接的影响，导致水循环加剧、地表干旱化、水
文序列非一致性、极端洪旱事件增多等。实测数据表明，在气候暖化的背景下，近 50 年来我国西北
东部、华北大部、东北南部等地区干旱面积均呈现增长趋势 ［38］ 。南方地区虽较北方湿润，近年来也
频繁出现季节性干旱，且降水的年内分布变化也呈现出对农业生产的不利影响，自 1980 年代以来，
华南春季与秋季降水量呈现出明显减少的趋势，夏旱、秋旱及连旱发生的可能性增加 ［39］ 。在气候变
化与用水增长的共同影响下，近 50 年来我国六大江河的实测径流量整体上呈下降趋势，尤其是海
河、黄河、辽河、与松花江下降显著 ［40］ 。
气候变化也对碳平衡造成了显著影响。一方面，气候变化引起水循环要素时空格局变化，从而
影响植物生长期水分供应条件。已有研究表明，持续加剧的全球暖化会驱动蒸散发耗水的增长与地
表土壤湿度的减小，在供水条件较好的地区会显著增大生态系统生产力 ［41］ 。然而，气候变化背景下
干旱频发，也被普遍认为是造成 GPP 下降的重要原因 ［22，42］ 。另一方面，气候变化也与大气中 CO 、氮
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素、臭氧、气溶胶等因素一起影响着植物的生理状态与光合作用过程。例如，Sun 等 ［43］ 利用通量测站
与模型模拟数据分析了生态系统水分利用效率在我国的时空演变特征，发现在 1979—2012 年间，水
分利用效率在东北、西南、与中部地区有所增长，而下降趋势主要分布在西部。
4.2 土地利用/植被覆盖变化的影响 土地利用/植被覆盖的转变（城市化、森林砍伐、围湖造田等）则改
变了自然状态下的下垫面特征，干扰了降水在生态水文系统内的分配过程，以及陆地生态系统的碳收支状
［11］
［44］
况 。由于固碳过程依赖于土壤与空气中的水分供给，流域产水与固碳之间不可避免地存在着矛盾 ，而
土地利用方式与植被组成的改变对于二者之间的这种转化关系有着重要影响 ［45］ 。森林、草地、湿地等生
态系统在为人类社会提供各种自然资源并充当天然碳库的同时，也能在不同程度上起到净化水质、阻滞
洪水、调蓄径流年内分配的作用，但也因为比城镇地区更大的蒸散发而消耗掉大量水分。在我国范围
内，自 1980年代以来大规模的人工造林工程使得许多地区成为更大的碳汇 ［46-47］ ，与此同时，也因林地耗
水量增大而在一定程度上导致河川径流与输沙量减少 ［48-49］ 。例如，在湿润炎热的华南桉树林地，蒸散发
可消耗掉高达 90%的年降水 ［50］ ；与此相反，近半个世纪以来的快速城市化发展使得长三角、珠三角等城
市密集地区不透水面积迅速增大，削弱了地表蓄滞洪水与储碳的能力。据 Pei 等 ［51］ 估算，2000—2006
年，城市化导致中国生态系统净生产力减少约 6%（0.31×10 Pg C/年）。
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4.3 变化环境的复合性与区域性 变化环境对于流域水-碳平衡的干扰往往表现出多种因素（如气
候、土地利用、营养元素、水利工程等）共同作用的复合性特征；另一方面，由于水分热量条件、地
质地貌、植被、人类活动强度等方面的地区差异，水-碳平衡对变化环境的响应也呈现出明显的区域
性 ［52-53］ 。例如，由卫星遥感所得到的全球叶面积指数数据显示，CO 浓度、氮沉降、气候、以及土地
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利用的变化共同导致了地表储碳量在全球大范围的增长，即“全球绿化”现象，其中气候变化在高纬
［9］
度地区与青藏高原起主导作用，而土地利用变化的影响在华南地区较为显著 ［54-55］ ；Feng 等 指出，长
年的大规模植被恢复工程已使得黄土高原达到了区域水资源所能承载的极限，而 Zhou 等 ［56］ 则认为，
大面积植树造林并没有对广东省的水资源造成显著影响；Keenan 等 ［27］ 发现，在气候与 CO 浓度变化
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的组合影响下，高纬度地区的水分利用效率会有显著增长，而低纬度地区却可能下降。造成这些差
异性响应的机理机制与未来可能的发展趋势并不完全清晰，而且由于研究者学科背景、建模依据与
数据来源等方面的差异，不同模型之间的结果往往相差甚远，从降水、蒸散发到径流、生态系统生
产力等要素的模拟均存在较大的不确定性。要厘清不同环境因素的影响范围、程度、驱动机理仍然

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