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长白山流域气候变化与土地利用耦合效应下水文水质响应研究显示，经济开发情景下年径流量及氮磷负荷显著增加，而生态保护情景下总磷负荷减少26.1%，氨氮减少66.4%，主要归因于林地和湿地扩张对水文缓冲及污染物截留的强化作用。空间分析表明低海拔出口子流域因地形汇聚、蒸发动态及人为压力叠加导致污染物浓度最高。研究揭示寒区高海拔集水区水文水质响应的显著子流域异质性，需实施缓冲带修复、施肥优化和用地分区管理策略以降低气候变化下的水质风险。
Jin Zhang|Yuhong Li|Wenguang Zhang|Peng Qi|Mingming Feng|Shuo Yan|Ming Jiang|Yuanchun Zou
中国科学研究院（CAS）东北地理与农业生态研究所（IGA）国家林业和草原管理局湿地生态系统保护与恢复重点实验室，长春130102，中国
摘要
寒冷地区的高山流域是下游地区淡水的重要来源，但其水文和生物地球化学过程日益受到气候变暖和土地利用变化的双重压力影响。以中国东北的长白山地区作为代表性的寒冷地区高山流域系统，本研究开发了一个综合建模框架，将土壤和水资源评估工具（SWAT）与多情景土地利用预测相结合，并与共享的社会经济路径（SSPs）相协调。未来的气候输入数据来自CMIP6预测，而土地利用情景则代表了当前的发展、经济发展和生态保护路径。通过多个子流域的校准和验证，使用观测到的径流和营养物质数据来评估模型的性能。结果表明，与2020年的基准情况相比，在经济发展情景下，年径流量以及氮和磷的负荷显著增加，尤其是在以农业为主的子流域中。相比之下，在生态保护情景下，营养物质负荷显著下降，二道河流域的总磷和氨氮分别减少了26.1%和66.4%。这些减少主要与森林和湿地面积的扩大有关，这些扩展增强了水文缓冲作用和营养物质滞留能力。空间分析进一步表明，营养物质负荷在低海拔的出口子流域中积累，地形汇聚、蒸散作用和人为压力共同促进了污染物的浓度。总体而言，研究结果揭示了寒冷地区高山流域在水文和水质响应方面的明显子流域异质性，强调了需要采取综合的流域管理策略，如河岸缓冲带恢复、优化肥料施用和土地利用分区，以限制耕地和城市扩张，从而减少在持续气候变化下的水质风险。
引言
全球气候变化正在以复杂且非线性的方式改变水文循环的空间和时间模式（Serpa等人，2017年）。自工业时期以来，全球平均温度上升了约1.1°C，导致极端水文事件的频率和强度增加了20%（Villarini和Wasko，2021年）。这些变化在高纬度和高海拔地区尤为明显，那里的升温速率估计是全球平均水平的两到三倍（Pothula和Adams，2022年）。山区通常被称为“水塔”，对调节下游水资源至关重要。它们通过以积雪、冰川和高山湖泊的形式储存降水，并逐渐释放这些储存的水（Xu等人，2024年）。然而，这些地区的生态敏感性和脆弱性使它们极易受到气候变化的干扰。例如，温度升高加速了中国东北山区的融雪过程，可能增加了春季洪水的频率和规模（Cheng等人，2023年）。同时，人类活动如城市扩张、森林砍伐和农业集约化正在改变地表特征，加剧了水质退化的影响（Serpa等人，2017年）。尽管气候变化和土地利用变化被广泛认为是高山流域水文变化的关键驱动因素，但关于它们对水量和水质相互作用的研究仍然有限。全面了解这些动态对于在这些气候敏感环境中制定有效的水资源管理策略和生态保护措施至关重要。
由于地貌隔离和生态敏感性紧密耦合，寒冷地区的小流域成为阐明水文过程复杂反馈机制的天然实验室（Chalov和Ivanov，2023年）。这些流域对气候和土地利用变化的响应表现出更大的水文和生物地球化学变异性（Ficklin等人，2022年）。例如，由气候变暖驱动的冰川退缩和永久冻土退化显著改变了当地径流的季节分布，而极端降水事件的频率增加加剧了山坡侵蚀和污染物迁移（Xu等人，2024年）。同时，土地利用变化通过改变地表粗糙度和渗透能力放大了这些水文变化（Schletterer等人，2019年）。此外，气候和土地利用变化的协同效应可能引发非线性响应。例如，永久冻土退化和过度放牧的联合效应可能导致土壤侵蚀加剧（Bolatova等人，2023年）。此外，极端降水与城市扩张的相互作用可能增加洪水风险和污染物传输。这些过程对流域的水资源安全构成了重大威胁（Probst等人，2024年）。然而，当前研究中对于具有不同地表特征的子流域的水文响应了解仍然不足，这可能阻碍了针对这些环境敏感区域制定有针对性和适应性的流域管理策略的发展。
水文模型是评估气候变化和土地利用变化对水资源影响的重要工具，通过模拟水文过程及其空间和时间变异性（Halder等人，2022年）。这些模型通常分为自下而上和自上而下的方法，其区别在于空间分辨率和过程复杂性（Huang等人，2024年）。自下而上的模型依赖于高精度数据和精细尺度的实地观测来模拟水文过程，而自上而下的模型将流域划分为水文响应单元，以捕捉土地覆盖、地形和土壤特征的空间异质性（Radelyuk等人，2022年）。在水文方法中，SWAT模型被广泛用作半分布式、基于过程的模型，能够通过集成模块化集成来模拟复杂的流域尺度过程（Cezarette等人，2024年）。其半分布式结构允许灵活参数化土地利用类型和土壤特征，从而准确表示水文响应的空间异质性（Jiao等人，2024年）。SWAT模型已被广泛应用于评估土地利用和环境变化对水文和水质动态的影响。例如，Chen等人（2022年）使用SWAT评估了草地退化对青藏高原黑河盆地径流和水质的影响，而Li等人（2018年）采用类似的方法评估了中国祁连山一个子流域的氮和磷负荷变化。此外，SWAT模型可以与土地利用模型结合，以评估与水相关的生态系统服务。例如，Wang等人（2026年）将SWAT与土地利用情景矩阵结合，量化了不同生态模式对胡林河流域水资源的影响。尽管取得了这些进展，但将SWAT与多情景气候和土地利用预测相结合的研究仍然有限。考虑到气候变化和土地利用动态之间的复杂相互作用，这种综合建模方法可以显著提高水文预测的准确性，并为寒冷地区的适应性水资源管理提供有价值的决策支持工具。
长白山地区被称为东北亚的“水塔”，在区域水文稳定性中发挥着关键作用。由于其高生态敏感性，该地区在过去六十年中经历了快速的升温，远远超过全球平均升温速率（Zhang等人，2024年）。由于变暖引起的降水模式变化显著影响了地表径流（Sun等人，2022年），而城市化和农业扩张减少了森林覆盖，破坏了水文过程，削弱了重要的生态系统服务，如水生栖息地的保护和水资源保持（Wang等人，2022年）。这使得该地区成为科学研究和区域管理的重点。为了应对这些挑战，我们通过将SWAT半分布式、基于过程的模型与区域规划政策和共享社会经济路径（SSPs）相结合，为长白山地区开发了一个全面的多情景水文和土地利用建模框架。在该框架内，本研究旨在（i）评估气候和土地利用变化情景下的水文和水质响应，（ii）识别径流和营养物质动态的关键驱动因素，以及（iii）为长白山流域提供有针对性的管理策略。
研究区域
研究区域
本研究重点关注中国东北长白山地区的三个相邻子流域：辉发河、头道河和二道河流域，这三个流域都属于二道松花河流域（图1a）。该地区具有冷温带湿润气候，四季分明。1月是最冷的月份，平均日温度约为-10°C，而7月是最热的月份，平均日温度约为22°C。
不同情景下的土地利用预测
根据三种组合情景确定的参数，预测了2050年这三个流域的土地利用模式，并揭示了不同情景下各种土地利用类型的转换趋势（图2和图3）。在CD245和ED585情景下，预计耕地和建设用地将扩大。在辉发河流域，耕地预计分别增加38.64%和54.58%。同时，在头道河流域，建设用地
水文和水质对气候和土地利用变化的响应
历史和未来情景的比较显示，长白山地区的小流域之间存在明显的水文响应差异，这与Xu等人（2024年）的研究结果一致。在辉发河流域，耕地的广泛扩张导致化肥和农药的使用量大幅增加。同时，森林砍伐削弱了景观拦截污染物的能力，进一步加剧了土壤侵蚀和非点源污染。
结论
本研究调查了气候变化和土地利用变化对长白山流域水量和水质的协同效应，揭示了主要的水文动态。主要发现总结如下：
- (1)
未来的变暖和降水模式的变化将改变径流分布，而农业扩张和城市化将加剧非点源污染，特别是在CD245和ED585情景下。与2020年的基准情况相比，二道河流域的径流量
CRediT作者贡献声明
Jin Zhang：撰写——原始草案、可视化、正式分析、数据管理。Yuhong Li：可视化、方法论、数据管理。Wenguang Zhang：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念化。Peng Qi：撰写——审稿与编辑、资金获取。Mingming Feng：资源支持。Shuo Yan：资源支持。Ming Jiang：资金获取。Yuanchun Zou：资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（2024YFD1501400）、国家自然科学基金（42371169）和吉林省自然科学基金（20210101105JC）的支持。
