水循环与碳循环是生态系统物质循环与能量交换的关键，其动态变化很大程度上决定了生态系统状况。黄土高原是我国重要的生态屏障，水土流失严重、生态环境脆弱，是备受社会和学界关注的热点区域。系统研究黄土高原生态系统水碳循环过程，可为区域生态系统应对气候变化策略的制定和退耕还林还草工程的实施提供理论指导。本论文以黄土高原典型丘陵沟壑区泾河流域为研究对象，首次利用新开发的水文-生物地球化学循环模型—SWAT-DayCent，在参数敏感性、不确定性分析及模型适用性评估基础上，模拟了1976~2016年泾河流域水碳循环，分析了水碳关键要素近41年来的时空演变特征，探讨了气候和水循环对碳循环关键过程的作用机制；再结合未来气候情景，预估了水碳循环的未来演变趋势，分析了未来气候变化对关键水碳过程及其关系的影响；最后根据退耕还林还草政策，设定了不同土地利用转换情景，模拟分析了土地利用变化对水碳循环的影响，并根据减沙、保水和固碳的原则对退耕还林还草进行了不同坡度的空间调控。论文的主要研究结论如下： 1. 利用ParaSol、SUFI-2及GLUE三种方法分析SWAT模型参数敏感性和不确定性，并评估SWAT-DayCent在泾河流域的适用性。结果表明，利用这三种方法进行模型参数敏感性分析和参数优化是可行的。关键参数中，CN2、SOL_K和ALPHA_BF分别对洪峰流量、平均流量和枯水期流量的模拟最敏感。SUFI-2和GLUE产生的参数95CI（95% Confidence Interval）大于ParaSol，表明SUFI-2和GLUE参数不确定性分析优于ParaSol。P-factor值大小依次为SUFI-2>GLUE>ParaSol，更多的真实观测值被包含在SUFI-2所产生的95PPU（95% Prediction Uncertainty）中。因此，SUFI-2更适用于泾河流域水文模拟参数识别及不确定性分析。评估了SWAT-DayCent模型SWAT在泾河流域的适用性，在率定期和验证期模型对径流的模拟均达到了满意的效果，评价指标R2、NSE和PB分别在0.70~0.80、0.56~0.74和8.68%~14.35%之间。同时对SWAT-DayCent模型DayCent的碳循环模拟，通过与遥感反演的植被净初级生产力（NPP）的数据对比，得出模型也较为准确地模拟了泾河流域主要土地利用的NPP动态变化。 2. 利用SWAT-DayCent模拟了1976~2016年泾河流域水碳循环过程，分析了关键水碳循环要素的时空演变特征。近41年来，流域蒸散发（ET）、土壤含水量及流域产水量呈阶段性波动变化：先减少后增加，但总体上流域土壤含水量呈不显著增加趋势，ET和流域产水量呈不显著减少趋势。ET、土壤水和产水量在流域东南部较高且呈递增趋势，并由东南向西北逐渐递减。林地的ET较大，草地土壤水和产水量较大。流域土壤含水量和ET的年际波动主要由草地贡献（30.1%的土壤水和55.0%的ET），农田对流域产水量年际波动的贡献较大（29.9%）。1976~2016年间，NPP呈不显著减少趋势，而土壤有机碳（SOC）呈显著增加趋势（0.20 g Cžm2žyr，P<0.01）。泾河流域东南部区域NPP呈增加趋势，北部区域NPP呈减少趋势。流域45.4%区域SOC呈显著增加趋势，主要分布在流域东南部边缘；54.6%的区域SOC显著减少，主要分布在流域北部。不同土地利用中，NPP和SOC的大小依次为林地>农田>草地，NPP和SOC的年际波动贡献度依次为农田>林地>草地。 3. 1976~2016年NPP与降雨呈显著正相关关系（相关系数在0.09~0.86之间），且相关性由流域东南部向北部逐渐增大；NPP与空气温度总体上呈负相关，相关系数在-0.54~0.15之间，且相关系数绝对值由流域东南部向北部逐渐增大。泾河流域的NPP主要由降雨驱动，且对三种土地利用的促进作用依次为草地>林地>农田。流域东南部SOC的年际波动受到降雨和温度的共同驱动，流域北部SOC的变化主要由降雨控制。流域土壤含水量对NPP的波动具有主导作用，且土壤水与NPP的关系在半干旱区更为密切；高土壤含水量能够促进林地和草地SOC的累积，而农田土壤含水量与SOC呈此消彼长的关系。三种土地利用中ET-NPP紧密耦合，且耦合程度由半湿润区向半干旱区逐渐增大。因此，泾河流域的水资源量和的利用性是植被生产力提高的主导因素，而对SOC的作用因土地利用不同而有所差异。 4. 结合SWAT-DayCent和通用大气环流模式数据研究了泾河流域未来气候变化对水碳循环及其关系的影响。流域在本世纪中叶（2020~2049年）气候将呈暖干化趋势，在本世纪末期（2070~2099年）呈暖湿化趋势。RCP2.6、4.5和8.5情景下，本世纪中叶径流量将相比历史时期（1976~2005年）分别减少8.1%、18.3%和20.1%，本世纪末分别增加3.7%、0.1%和3.7%。夏季流量在未来情景下显著减少，流域夏季面临更大水资源压力。本世纪中叶ET几乎保持不变，本世纪末期在三个情景下分别增加1.9%、6.0%和11.0%。考虑未来CO2富集肥效的情况下，NPP在大多数情景下（本世纪末期的RCP8.5除外）有不同程度的增加（3.3%~5.8%），表明CO2对植被生产力提高具有重要促进作用；在气候变暖背景下SOC均呈减少趋势，且减少量与SOC的初始含量有密切关系；未来任一气候情景下NPP-ET均紧密耦合，且耦合强度主要由降雨量的年际波动所控制。 5. 利用SWAT-DayCent并根据退耕还林还草政策，设定了若干土地利用转换情景，并籍此模拟流域水碳循环过程。退耕还林和还草均能减少流域产沙量，但同时也减少产水量；退耕还林对流域土壤含水量的影响不明显，退耕还草可明显增加流域土壤含水量；退耕还林可提高流域NPP和SOC含量，增强流域碳汇；退耕还草不利于流域NPP的提高，对SOC没有明显影响。在空间上权衡了土地利用转换下水、沙、碳的关系，以减沙、保水、固碳为原则识别了流域退耕还林还草的适宜区域。坡度>25°、>15°、>6°的退耕还林的推荐区域主要分布在流域的中部及东南部（半湿润区：林地-草地过渡及林地生长区），退耕还草的推荐区域主要分布流域在中北部（半干旱区：草地生长区），这与泾河流域的生物气候分区相吻合。研究成果可为泾河流域退耕还林还草工程的实施提供理论指导和决策支持。 |
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