基于SWAT模型的中国南方湿润流域多时间尺度水源涵养功能评估与驱动机制解析

推荐：本研究针对湿润区生态系统水源涵养功能(WR)多时间尺度量化不足的问题，采用SWAT模型耦合水平衡原理，解析新安江源区(SXAR)2009-2017年WR时空变异特征。研究发现年际WR(256.4-412.7 mm)与极端降雨事件显著相关，揭示了降水-蒸散发(ET)的驱动机制及土地利用转型的长期影响，为长三角生态补偿区水资源管理提供理论支撑。

　　

在长江三角洲生态屏障新安江源区(SXAR)，水源涵养功能(Water Conservation Function, WCF)作为关键生态系统服务，直接影响着区域水安全与生态补偿机制的实施。尽管前人研究已证实气候要素和土地利用是影响WCF的两大核心因素，但湿润区多时间尺度水源涵养量(Water Retention, WR)的精确估算仍存在显著空白。传统InVEST模型受限于年尺度计算，而野外实验难以实现流域级监测，导致WR对极端气候事件和复杂下垫面的响应机制尚不明确。更关键的是，农业扩张与城市化进程如何改变亚热带森林流域的水文调节能力，这一科学问题亟待解答。

针对这些挑战，Lin-xia Gao团队在《Water Science and Engineering》发表的研究，创新性地将Soil and Water Assessment Tool (SWAT)模型与水平衡原理耦合，首次实现了SXAR流域日-月-年多尺度WR的精准模拟。研究通过2005与2020年土地利用情景对比，结合2009-2017年气象水文数据，揭示了WR的时空分异规律及其驱动机制。

关键技术方法包括：1)基于90-m SRTM DEM和HWSD土壤数据构建SWAT分布式水文模型，划分23个子流域和495个水文响应单元(HRUs)；2)采用CMADS V1.0气象数据集驱动模型，以Tunxi站月径流数据验证模型精度(NSE>0.90)；3)通过水平衡方程WR=P-ET-R定量计算不同时空尺度WR；4)运用土地转移矩阵分析15年间土地利用转型特征；5)采用影子工程法量化水源涵养服务价值(WRS)。

研究结果方面：

3.1. 模型校准和验证

模型在校准期(2009-2012)和验证期(2013-2017)的NSE均达0.93，证实其能准确模拟SXAR复杂水文过程。

3.2. 土地利用转型

2005-2020年间，2.2%农业用地(57.03 km²)转为城市建设用地，森林覆盖率提升1.0%(25.92 km²)，这种空间重组直接改变了流域产汇流格局。

3.3. WR变化

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  日尺度：最大日WR(18.7 mm)与极端降雨同步出现，农业用地夏季出现负值WR(-3.7 mm)，反映作物耗水特性。

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  月尺度：6月WR峰值达67.6 mm，而7月出现0 mm值，揭示高温增强ET的抑制作用。

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  年尺度：年均WR 340.8 mm(占降水19.7%)，东北部平缓区WR最高，子流域3因森林增加WR提升109.5 mm。

3.4. 水源涵养服务价值

流域年均WRS达7.5×10⁸ CNY，其中子流域4虽面积减半但WR优势使其价值媲美更大子流域，证实WR强度比面积对服务价值影响更大。

3.5-3.6. 影响因素

降水与ET解释76% WR变异(r=0.87)，森林通过冠层截留和枯落层蓄水提升WR，而城市化使子流域4 WR降低150.1 mm。

讨论部分强调三个突破性认知：1)首次量化湿润区WR的"负值现象"，修正了传统研究认为WR恒为正的认知；2)揭示气候因子主导短期WR波动(如日尺度)，而土地利用决定长期持水能力；3)建立森林覆盖率与WR的非线性关系，为生态补偿标准制定提供量化依据。该研究不仅完善了湿润区水文过程理论框架，其构建的"SWAT-水平衡"耦合模型体系，更可为全球变化背景下流域综合管理提供方法论范式。特别值得注意的是，研究发现7月WR归零现象暗示着亚热带森林流域可能存在生态水文阈值，这一发现为后续研究气候变化临界点提供了新视角。