Page 54 - 水利学报2021年第52卷第3期

面临许多困难，需要做进一步的探索 ［57-58］ 。

5 流域水-碳平衡演化规律识别与归因

已有大量研究从不同角度诊断流域水-碳平衡的变异特征与成因，并解析各个环境变化因子的贡
献率。常用方法包括基于流域实验的配对流域法、基于统计关系的气候弹性模型法和大尺度经验公
式法、生态水文模拟法等。
（1）配对流域法。配对流域法是生态水文学中用于分析植被变化与流域管理对流域水文过程影响
的经典方法，也被公认为最直接有效的手段 ［59-60］ 。早在 1910 年，美国农业部林务局在科罗拉多州的
Wagon Wheel Gap 开展了针对森林砍伐对径流、输沙量影响的配对流域实验 ［61］ 。这是全球数以百计的
配对流域实验的原型。其基本思路为，在研究区域内寻找气候、地质地貌、土壤条件类似的两个流
域作为配对流域，设计严格的控制对照实验，人为改变其中一个流域（“实验流域”）的外部环境，同
时以另一个流域为自然条件下的参照（“对照流域”），通过连续的跟踪观测，比较两个流域水-碳要素
的变化特征与环境变化的影响；然而，由于实验条件的制约，发展中国家往往缺乏长期、连续的生
态水文监测与配对流域实验。一种广泛使用的替代方案是在一个较长的历史时期内，遴选出环境变
化剧烈的两个时期，选择地理位置接近但受到不同环境变化影响的两个流域作为配对流域，进行比
较分析。例如，我国自改革开放以来许多流域经历了土地利用方式上的剧烈变化，以 1980 年代左右
作为时间分割点，选择气候背景与地形地貌相似的两个子流域开展配对分析，已成为分割植被变化
（城市化、植树造林、砍伐围垦等）与气候变化影响的常见方法 ［62-63］ 。
（2）气候弹性模型法。由于配对流域法对两个流域的相似性要求严苛，目前国内按照配对流域法
严格进行流域实验的报导并不多见，尤其是对于大流域而言这种相似性更加难以确定，且流域特征
的差异性往往会掩盖人类活动干扰的影响。因此，针对单一流域进行时间序列分析，进而量化不同
时期环境变化的影响是另一种常用思路 ［64］ 。其中，气候弹性模型法被广泛应用于分割气候变化与下
垫面人类活动对流域水量平衡的影响 ［65］ 。其基本步骤包括：①使用双累积曲线法或 Mann-Kendall 检
验等方法检测径流突变发生的时间 ［66］ ，将历史时期划分为“突变前”与“突变后”两个时期，以两个时
期实测平均径流的差值代表气候变化与人类活动对径流的影响之和；②以“突变前”时期的实测降
水、径流、与潜在蒸散发为基准，建立径流与降水、潜在蒸散发之间的经验关系；③利用所建立经
验关系模拟“突变后”时期的平均径流并计算相较于“突变前”时期的变化，用于识别气候变化对径流
的影响；④最后以总影响值减去气候变化影响得到人类活动影响。
（3）大尺度经验公式法。其基本思路为在较大尺度上建立针对某一水-碳要素的经验公式，并根
据不同环境背景（如植被类型）设定不同的模型参数，进而模拟环境变化对水-碳要素的影响。其中，
以 Budyko 公式为代表的大尺度经验模型被广泛用于诊断变化环境对流域水量平衡的影响。例如，
Zhang 等 ［67］ 建立了形如ET = P (1 + w × PET P ) (1 + w × PET P + P PET )的蒸散发模型。式中的w 为植
被参数，可利用历史实测数据进行率定，既而通过代入不同的w参数估算出特定的植被变化对蒸散发
的影响程度。结合大尺度水量平衡公式与水分利用效率，可进一步在年代际尺度上估算植被变化对
径流和生态系统生产力的影响。
（4）生态水文模拟法。即利用具有一定物理基础的生态水文模型进行控制模拟实验与归因分析 ［68-69］ 。归因
N
结果一般可概化为：DW = å E + E 。式中DW 表示流域水-碳平衡要素（如蒸散发、径流、生态系统生
int
i
i = 1
产力）从“突变前”到“突变后”时期的变化，即所有环境因子对其影响的总和。可将DW 分解为降水、气
温、辐射、空气湿度、风速、土地利用方式、植被指数（如叶面积指数、NDVI）、CO 浓度等因子的独
2
立影响E (i = 1，2，，N )，以及各因子间相互作用的影响E 。其中，E 可通过控制其余因子不变来
i
int
i
模拟单个因子变化的独立影响，E 可通过DW 与 å E 的差值来计算。既而可得到各因子的相对贡献率。
i
int
以上几类方法各有其优劣及适用范围。配对流域法虽直接有效，但需要投入巨大的资金与时间
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