《CATENA》：The impact of climate change on vertical hydrological connectivity of wetlands
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本研究基于SWAT模型耦合湿地模块，模拟分析了吉林省西部Taoer和Huolin河流域1963-2019年历史期及2021-2100年未来气候情景下湿地垂直水文连通性（VHCW）时空演变特征及其对气候因子的响应。结果表明：（1）构建的SWAT湿地模型能较好模拟流域VHCW，Taoer河basin R2=0.72，NSE=0.53；Huolin河basin R2=0.60，NSE=0.53；（2）未来VHCW主要表现为地表水向地下水补给，不同情景下补给量变化显著，如Taoer河under SSP3-7.0减少7.86%，SSP1-2.6增加7.41%；Huolin河under SSP5-8.5增加6.88%，显示气候路径差异对VHCW的显著影响。
张德全|吴海涛|张文光|张广新|安宇|彭琦
中国科学院东北地理与农业生态研究所吉林省水文监测与水安全重点实验室，中国长春市胜北街4888号，130102
摘要
湿地的垂直水文连通性（VHCW）对于维持湿地的物质循环、能量流动和信息传递具有重要意义。然而，在气候变化和人类活动的影响下，VHCW发生了显著变化，导致了一系列生态环境退化的风险。中国吉林省西部是中高纬度典型的湿地分布区。该地区的气候变化较为明显，农业灌溉日益依赖地下水，这增加了湿地VHCW功能的不确定性。因此，本研究重点关注吉林省西部洮尔河流域和霍林河流域的湿地复合体。研究人员开发了一个结合湿地模块的土壤和水资源评估工具（SWAT）水文模型，并通过决定系数（R2）、纳什-萨克利夫效率（NSE）和百分比偏差（PBIAS）对其性能进行了评估。利用该模型预测并分析了1963-2019年历史时期以及不同未来气候情景（2021-2100年）下VHCW的时空变化特征及其对气候因素的响应。主要研究结果如下：（1）本研究开发的带有湿地模块的SWAT模型（洮尔河流域：R2 = 0.72，NSE = 0.53，PBIAS = -12.8%；霍林河流域：R2 = 0.60，NSE = 0.53，PBIAS = 5.10%）能够有效模拟吉林省西部的湿地水文过程。（2）在未来的气候变化下，VHCW主要表现为湿地地表水向地下水的补给。（3）在2021-2100年期间，洮尔河流域的VHCW补给量在SSP3-7.0情景下减少最多（-7.86%），而在SSP1-2.6情景下增加最多（+7.41%）。霍林河流域在SSP3-7.0情景下VHCW补给量减少最多，约为8.94%，而在SSP5-8.5情景下增加最多，达到6.88%。这些结果突显了未来排放路径对湿地水文过程的显著差异性影响。总体而言，研究表明未来气候变化情景对VHCW的时空变化具有重要作用。
引言
湿地垂直水文连通性（VHCW）是指湿地地表水和地下水在特定时间和空间尺度上通过相应的水动力机制进行传输和转化的过程（Spanoudaki等，2009）。这一过程直接影响湿地物质的迁移和转化，对水生生物的生存环境起着关键作用（Karim等，2014；Lynch等，2019），同时有效缓解自然灾害对湿地的负面影响（Chen等，2023；Zheng等，2019）。然而，根据IPCC第五次评估报告，气候变化预计将减少大多数地区的可再生地表水和地下水资源，加剧流域内的水资源竞争（IPCC，2013）。特别是温度、降水和蒸散量的变化将显著改变水文循环和流域过程（Taie Semiromi和Koch，2020；Sanderson和Curtis，2016）。此外，气候变化可能会减少地表水的可用性，导致对地下水的依赖增加，从而复杂化气候与地下水之间的相互作用（Li等，2020；Peng等，2024）。因此，增强VHCW有助于稳定湿地水循环，提高水资源利用效率，并在气候变化背景下维持湿地生态系统功能。
水文建模是研究和模拟流域水文地质时空演变的重要方法（Bayat等，2022；Partington等，2013）。它主要用于描述流域内的水文过程，进行流域水文的定量分析，并计算区域水资源量的变化（Blanchette等，2023）。因此，构建用于探索VHCW机制的水文模型对流域水资源利用和湿地水循环的发展具有重要意义。土壤和水资源评估工具（SWAT）是一种目前广泛应用于研究流域湿地水文变化过程的水文模拟模型（Ni等，2021；Rajib等，2020；Taheri等，2023；Zhang等，2025）。例如，Awan和Ismaeel（2014）利用SWAT模型模拟了印度半干旱地区的下 Chenab 运河流域，并系统分析了气候变化对地下水补给的影响。随后，他们预测了两种未来气候模型（代表性浓度路径4.5（RCP4.5）和代表性浓度路径8.5（RCP8.5）下VHCW的时空变化。结果表明，SWAT模型能够准确模拟该地区的水循环机制，并可用于评估未来不同气候变化情景下流域内VHCW的时空变化。Setegn等（2014）利用SWAT模型评估了气候因素对牙买加Río Cobre流域水资源的影响。他们的发现表明，降雨是流域内水文过程的主要驱动因素，而蒸散作用显著加剧了水资源损失。这对于理解如何在未来气候变化背景下增强VHCW功能至关重要（Evenson等，2015；Yang等，2009）。Wang等（2008）提出了“水文等效湿地”的概念，使SWAT能够有效模拟湿地的水循环过程。因此，本研究旨在利用SWAT模型及其耦合的湿地计算模块来估计VHCW的时空变化。
中国吉林省西部拥有众多支持渔业和鸟类迁徙的湿地（Balcombe等，2007）。然而，该地区位于半干旱气候区（Chen等，2020）。近年来，气候变化和农业扩张减少了湿地的水源，使一些河流干涸，地下水位下降，垂直水文连通性减弱（Blanchette等，2022）。湿地水循环的破坏导致了生态问题，包括栖息地功能退化和湿地面积缩小（Partington等，2017；Li等，2023）。许多研究利用通用环流模型（GCMs）评估气候变化对湿地水资源的影响（Wang等，2008）。例如，Luo（2017）应用了37个GCM和Delta方法分析了2021-2060年期间新疆的气候变化模式和径流预测。Zabaleta等（2014）为西班牙Aixola河流域开发了一个SWAT水文模型，以分析其对气候变化的响应。结果表明，降水量减少和温度升高减少了流域水资源。因此，研究半干旱地区垂直水文连通性的时空变化及其对气候变化的响应已成为关键研究焦点，为湿地水资源管理提供了宝贵见解。
大多数关于水资源的研究集中在未来气候变化对流域或地区水文循环的潜在影响上，而很少有研究探讨气候情景对湿地VHCW机制的影响（Taie Semiromi和Koch，2020；Taylor等，2013）。因此，本研究旨在构建一个结合湿地模块的SWAT水文模型，以增强对吉林省西部湿地在气候变化下VHCW时空变化的理解。这种方法将使流域湿地水文的模拟更加准确。本研究利用CMIP6的未来气候数据，结合五个通用环流模型（GCMs）和四个共享社会经济路径（SSPs）——SSP1-2.6、SSP2-4.5、SSP3-7.0和SSP5-8.5——来研究不同情景下VHCW与气候因素之间的关系。研究结果将提供关于气候变化对区域湿地水资源影响的见解，并为吉林省西部的水资源管理和湿地保护提供有价值的指导。
研究区域描述
研究区域（北纬43°59′～47°10′，东经119°22′～124°50′）位于中国东北部（图1）。该地区的年平均降水量为400至500毫米，主要集中在7月至9月。山区降水量较高，平原地区逐渐减少。年平均气温为5.6℃。年平均蒸散量为1102.7毫米，4月蒸散量最大，主要受强
模型敏感性分析
由于SWAT模型包含大量参数，对所有参数进行全面校准会非常耗时。此外，所选参数可能因具体研究目标的不同而有所差异。因此，在模型校准过程中进行参数敏感性分析是必要的，这有助于提高校准效率并确保模拟结果的准确性（Zhao等，2018）。在本研究中，使用了SUFI2
模型评估
研究VHCW与气候变化响应关系的主要方法是结合水文建模和未来气候数据情景的估算与分析（Shi等，2023）。研究结果表明，在吉林省西部的Taonan站和BYHS站，模型在校准期（1963-1990年）和验证期（1991-2016年）的模拟值与观测值之间表现出强相关性。
结论
本研究开发了一个结合湿地模块的SWAT水文模型，并在流量测量站进行了校准和验证。该模型在模拟径流方面表现良好，R2和NSE值均超过0.50。随后，利用该模型评估了吉林省西部VHCW的时空变化。基于CMIP6数据的五个机构的未来气候预测，本研究估计了未来VHCW的时空变化
作者贡献声明
张德全：撰写——初稿。吴海涛：资料提供。张文光：资料提供。安宇：方法设计。张广新：资料提供。彭琦：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2022YFF1300902）、吉林省自然科学基金（YDZJ202401485ZYTS）和国家自然科学基金（42371037和42371169）的支持。同时，我们感谢编辑和审稿人的努力和建议。
