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水 利 学 报

2025 年 5 月 SHUILI XUEBAO 第 56 卷 第 5 期

文章编号：0559-9350（2025）05-0683-09 第二十七届中国科协年会学术论文

中国流域水碳平衡模拟模型研究 II：模型验证与应用

宋志远 ，段 凯 ，赵 勇 ，翟家齐 ，翁白莎 ，董义阳 3
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（1. 中山大学 土木工程学院，广东 广州 510275；2. 中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家
重点实验室，北京 100038；3. 中国长江三峡集团有限公司 科学技术研究院，北京 101199）
摘要：为解析复杂变化环境对区域水碳循环的多要素动态驱动过程，开展全国范围的分布式水碳耦合模拟研究具
有重要意义。本研究基于所构建的中国水碳耦合模型 WaSSI-CN，对中国水碳平衡关键要素进行模拟重构，并使
用 193 个水文站流量数据与 3 种遥感数据集验证了该模型的适用性。结果表明，模型对于径流、蒸散发、总初级
生产力均取得了较好的模拟效果，其中径流模拟的纳什效率、Kling-Gupta 效率、百分比偏差、相关系数的均值分
别达到 0.66、0.67、‒0.57% 和 0.85。计算结果表明：1982—2018 年间，林地对全国产水和固碳效益的贡献率分别
为 48.32% 和 46.26%，耕地的贡献率分别为 25.00% 和 31.61%；在降水增长、气温升高、林地扩张等因素的共同驱
动下，中国地区水碳通量总体呈增长趋势，其中蒸散发与总初级生产力增长更为显著，径流演变则呈现出更强的
区域差异性。
关键词：水碳耦合模拟；WaSSI-CN；模型验证；水碳通量分析；时空分布
中图分类号：P333 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20240214

1 研究背景

水、碳循环通过植物光合作用与蒸散发过程，在叶片到流域的多种空间尺度上紧密相连 ［1-3］ 。在
叶片尺度上，水碳交换过程以叶片气孔为耦合节点，主要表现为蒸腾作用与光合作用之间的生理联
系；在流域尺度上，水碳循环则以蒸散发过程为耦合节点，主要表现为植被固碳过程对土壤水分的消
耗与对产汇流的调节、降水和径流过程对地表有机物的冲刷和输移等。陆地水、碳循环是物质能量循
环的核心，二者耦合机制的研究，是实现水、碳资源综合管理的基础 ［4-5］ 。

气候变化对全球水资源与碳循环的影响已被广泛研究，由于中国独特的阶梯地形、季风气候和改
革开放以来显著的下垫面变化，中国对气候变化更为敏感 。为实现长期碳中和的目标与应对变化环
［6］
境带来的水资源与生态环境风险，识别、预测与调控区域水碳平衡至关重要 。以遥感产品与地面观
［7］
测数据为驱动的大尺度模型是量化研究流域水碳循环及其伴生过程的重要手段，而模型的验证通常依
赖于水文站点获取的流域尺度水量平衡数据与通量塔观测的点尺度通量数据。由于实测站点的稀缺性
与多源数据集之间的尺度差异，区域或流域尺度的水碳平衡评估仍然存在较大的不确定性 ［8-10］ 。目前
已有一定数量针对径流 （Runoff，R）、蒸散发 （Evapotranspiration，ET） 和总初级生产力 （Gross Pri⁃
［11-12］ ［13-14］
mary Productivity，GPP） 等水碳循环关键要素的大尺度模型或数据集，如 MODIS 、PML 提供

收稿日期：2024-04-17；网络首发日期：2025-04-27
网络首发地址：https：/link.cnki.net/urild/11.1882.TV.20250427.1103.001
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基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFC3200205）；国家自然科学基金项目（52379032）；广东省“珠江人才计划”引进创新
创业团队（2019ZT08G090）；广东省基础与应用基础研究基金项目（2023A1515012241，2023B1515040028）；广东省科
技计划项目（2024B1212040001）
作者简介：宋志远（2000-），硕士生，主要从事水文水资源研究。E-mail： songzhy@mail2.sysu.edu.cn
通信作者：段凯（1989-），副教授，主要从事水文水资源研究。E-mail： duank6@mail.sysu.edu.cn
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