Page 55 - 水利学报2021年第52卷第3期

成本，而判断所选择的两个流域是否“相似”也有较强的主观性，尤其是对于大流域而言。针对单一
流域的统计方法则受限于数据资料的质量与时空分辨率，例如，降水监测站点的空间代表性不足、
植被的历史演变缺少数据等因素，常常会直接影响到结论的可靠性。生态水文模型在一定程度上弥
补了流域实验的不足，一方面可模拟无观测地区的水-碳平衡，另一方面可灵活地用于预估未来一种
或多种因素复合影响下的水-碳响应。然而，模型的开发、率定、与验证均依赖于长期的观测与实
验，数据采集与尺度转换中的不确定性、异参同效性等问题，都可能对归因分析的结果造成干扰。

6 研究难点与发展趋势

6.1 研究难点 从已有的研究来看，变化环境下的流域水-碳耦合模拟与水-碳演化规律研究仍然存
在以下难点。
（1）蒸散发组分的分割量化。蒸散发是地表与大气之间水、热、碳交互的核心变量，但站点尺度
上的实测数据稀少且难以获取。遥感蒸散发产品虽已得到广泛应用，但在用于流域尺度时，仍存在
较大不确定性，用于模型校验时可能带来一定的系统性误差。尤其是植被蒸腾、冠层截留、土壤蒸
发等组分所占比重在不同的水热条件下有着显著差异，难以准确测算。例如，在干旱且长时间无降
水的地区，冠层截留与土壤蒸发的贡献趋近于零，但在湿润地区，二者却常常占有重要比重。未来
需要进一步明晰冠层、叶面及地表水热传导过程的物理意义，厘清气象、植被、土壤湿度等因素对
蒸散发各分量的影响。
（2）水-碳耦合关系在流域尺度上的表达。由于不同尺度上空间结构和功能的异质性，尺度匹配
问题是水文学、生态学、及气候学耦合研究中最大的障碍之一。当前的水-碳耦合研究大多在站点或
田间、样地等小尺度上，流域尺度上水-碳平衡的耦合机制并不清晰，通常需要根据小尺度上的实验
结果进行升尺度（upscaling）分析。然而，升尺度面临着空间异质性与非线性的难题，往往带来较大的
误差。未来需结合流域与生态系统的空间格局与嵌套关系，进一步探索从站点到生态系统再到流域
的尺度上升过程对水-碳耦合关系的影响与参数化方法。
（3）环境因素对水-碳耦合关系的影响机理。由于植物光合作用的生理复杂性，水分利用效率
受到地形地貌、气候气象、土壤属性、树种树龄等多种流域特征的影响，难以找到普适性的效率
系数 ［43，70-71］ 。在不同尺度上水-碳耦合关系对大气组分（如 CO 浓度、氮沉降、臭氧等） ［27，72］ 、饱和水汽
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压差 ［25，0］ 、气溶胶 ［73］ 等环境因素的非线性响应关系以及不同因素间的相互作用仍将是未来研究的难点。
6.2 发展趋势 针对变化环境下水-碳平衡演化研究的复杂性、区域性、交叉性，当前研究思路与方
法的发展呈现出以下趋势。
（1）多源数据融合。随着监测技术的日益丰富成熟与对水循环、碳循环物理过程的认识逐步深
入，综合运用地表观测、航空遥感、同位素追踪、统计模型、物理模型等多种技术手段，并集成、
同化多源数据，将是未来监测水-碳要素的主要发展方向。
（2）基于物理机制的分布式生态水文模拟。随着观测手段与信息技术的发展，物理意义更为明确
的分布式或半分布式模型（如 SWAT、VIC、RHESSys 等）得到了广泛应用 ［8，74］ 。通过综合利用遥感解
译、雷达反演与地面观测等不同时空尺度上的大气与下垫面数据，能够获取时空分辨率更高的参数
与模型输入，从而更精细、准确地模拟水-碳循环过程对变化环境的响应。开发基于多源数据同化的
分布式物理模型、并针对流域特征参数化表达水-碳耦合循环过程是当前重要的研究方向。
（3）跨学科交叉研究。随着人们对水-碳循环与气候气象、植被生态、社会城市等环境因素相
互作用机理的认识逐步加深，融合气候、水文、生态、社会等领域的跨学科综合研究逐渐走向前
沿 ［75-77］ 。例如，传统的流域水文模型对生态机理的描述十分简略，即使是较为复杂的分布式物理模
型，通常也是利用多期土地利用/植被覆盖条件的遥感影像获得下垫面参数，但无法预测植被的动态
变化与水-碳耦合关系的动态响应影响。致力于实现生态-水文双向耦合的‘达尔文式’模型，在未来
有着广阔的发展前景 ［78-79］ 。

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