流域生态水文要素时空耦合特征及演变机制研究

The hydrological and ecological processes in catchment are strongly coupled and interact with each other. Study of the spatiotemporal coupling characteristics and evolution mechanism of catchment ecohydrological elements at multiple scales under changing environment is at the frontier of water science. And it is of great strategic significance for the harmonious development of regional ecology and social economy. In this project, the Baiyangdian river basin is taken as the study area. Firstly, the spatiotemporal coupling characteristics of catchment ecohydrological elements is investigated at multiple scales from landscape, experiment watershed to basin scales, based on field experiment data and bidirectional-coupling ecohydrological model. Then, a method for quantitative the contribution matrix of multiple factors of climate change and land use and cover change (LUCC) to multiple ecohydrological elements based on the ecohydrological model is proposed. And it is used to separate the effects of multiple factors on water and carbon cycle flux in the upper stream of Baiyangdian river basin. Furthermore, the projected scenarios in the future combing of climate change and LUCC is used to drive the ecohydrological model to simulate the ecohydrological processes and estimate responses of the water and carbon cycle elements in the upper stream of Baiyangdian river basin. The theory and results of this project is of great theoretical value to understand the complex interaction of catchment ecohydrology. Meanwhile it could provide scientific support for the management of water resources and ecology security in the Baiyangdian river basin.

流域生态水文过程紧密耦合发生相互作用与反馈，研究变化环境下流域生态水文要素多尺度时空耦合特征及演变机制是当前国际水科学的研究前沿，对于区域生态和经济社会协调发展具有重要的战略意义。本项目选取白洋淀流域，基于野外试验观测数据及建立流域生态水文双向紧密耦合模型，揭示生态水文要素从点尺度、试验小区尺度到流域尺度的多尺度时空耦合特征。基于流域生态水文模型，提出一种定量识别包括气候变化、土地利用/覆被变化等更加细致的多因素对流域生态水文多要素变化贡献矩阵的方法，定量区分多因子对白洋淀上游流域水、碳循环通量变化的贡献。进一步通过预测的未来气候变化、土地利用/覆被变化等多情景组合驱动生态水文模型，预估白洋淀上游流域生态水文水、碳循环要素的响应机制。项目研究的理论和成果对于科学认识流域生态水文的复杂相互作用具有重要的理论价值，同时为白洋淀流域水资源安全、生态安全管理决策提供科学支撑。

流域生态水文过程紧密耦合发生相互作用与反馈，研究变化环境下流域生态水文要素耦合特征及演变机制是当前国际水科学的研究前沿，对于区域生态和经济社会协调发展具有重要的战略意义。.本项目以我国流域水资源和生态安全重要的白洋淀流域为研究区域，围绕流域生态水文耦合模型构建及耦合特征、生态水文过程演变归因识别、变化环境下生态水文过程的响应机制开展研究，主要研究结果：.（1）基于分布式时变增益模型，改进了水、能量、碳通量等模块，研发了生态水文双向耦合技术及模型。融合通量站试验数据、耦合模拟、遥感反演等对水-热-碳时空耦合特征进行分析。结果表明：在小时、日尺度上，光合作用速率随着蒸散发增加而增加并趋于稳定；在年尺度上蒸散发与初级生产力具有较好的线性关系；水分利用效率可以很好的模拟水热耦合的下垫面指数。该耦合模型在流域水资源评估、碳汇潜力评估具有应用前景。.（2）基于耦合模型通过改进的Fixing-Changing情景模拟法识别了气候要素、CO2、LUCC等多因素对流域ET、GPP多要素在不同尺度的贡献矩阵，揭示了白洋淀上游流域生态水文演变归因。结果表明：年尺度上，降水和CO2浓度升高分别是ET、GPP增加的主导因素；季节尺度上，气温升高和湿度减少对冬季ET和GPP影响最大；辐射减小对于秋季ET变化有显著影响；多因素交互作用在季节尺度上对ET和GPP的影响不容忽视。.（3）基于CMIP6多个气候模式及土地利用情景，预估了未来变化环境下白洋淀上游流域生态水文要素及耦合特征的响应机制。结果表明：未来变化情景下，流域蒸散发、产流量、土壤水及下渗量呈现增加趋势，截留蒸发增加显著，有效地抵消了植被蒸腾的减少；CO2浓度升高的施肥效应使得碳同化增加显著；流域水分利用效率WUE将提高。.项目执行期间，共发表学术论文6篇，其中SCI收录4篇，EI收录2篇；出版软件著作权2项；申请发明专利1项；参加国内外学术交流4次；培养研究生3名；项目负责人入选中国科学院青年创新促进会（资助编号：2021385）。