水文过程的影响路径：不同类型流域中路径概率的视角

《Journal of Environmental Management》：Influence pathways of hydrological processes: Perspectives from the pathway probability in different types of watersheds

影响路径与概率评估：干旱半干旱区两种流域类型下土壤-植被-水文学耦合机制研究采用DHSVM模型模拟验证，结合BRT和SEM-BBN方法分析，发现草land流域土壤主导（EVP/MC路径概率63.16%），forestland流域植被主导（EVP低概率70.59%），为脆弱生态区水资源管理提供量化依据。

　　

张雅静|郝瑞芳|王云琪|薛兆雷|常亚楠|卢月|张亚辉|王正刚

北京林业大学水土保持学院，中国北京，100083

摘要

在水资源和半干旱地区，水资源的可用性是区域可持续性的重要决定因素。探索水文过程的影响路径以及不同流域之间的差异对于理解关键影响因素和改善脆弱生态系统的状况至关重要。本研究揭示了在中国北部干旱和半干旱地区，两种不同类型流域（以草地为主的Xar Moron河流域和以森林为主的Laoha河流域）中，水文要素（包括日平均蒸散量（EVP）和平均土壤含水量（MC）的影响路径及其相关概率。生长季节的水文过程通过分布式水文土壤植被模型（DHSVM）进行模拟，并通过观测到的月径流数据进行验证。模型性能使用Nash–Sutcliffe效率（NSE）和决定系数（R²）进行评估。相关性分析用于分析每个水文要素与可能的影响因素之间的空间异质性。提升回归树识别出主要的影响因素，而结构方程建模结合贝叶斯信念网络量化了影响路径及其发生概率。在以草地为主的Xar Moron河流域，NSE值分别为0.7004（校准）和0.11（验证），对应的R²值为0.8542和0.8326。表土中的沙分在塑造上层土壤的EVP和MC中起着关键作用。主要的影响路径是表土沙分 → 表土质地 → EVP/MC。在沙质土壤和草地条件下，上层土壤的MC具有非常低的概率（63.16%）。在以森林为主的Laoha河流域，NSE值分别为0.5644（校准）和0.7031（验证），R²值分别为0.7526和0.9112。植被类型是主要驱动因素，主要的影响路径是植被类型 → EVP/MC。当植被类型为森林且降水量较高时，EVP具有非常低的概率（70.59%）。这些发现揭示了不同流域类型之间的土壤-植被-水文耦合机制，并为差异化的水资源管理策略提供了定量支持。

引言

由于气候变化和人类活动导致的水资源短缺和水文变异性增加，已成为可持续发展的关键挑战，特别是在脆弱的生态区域（McMillan等人，2025年；Shrestha等人，2025年）。全球变暖导致的温度升高增加了蒸发率，从而减少了河流流量并加剧了区域干旱（Nash和Gleick，1991年；Yong等人，2024年）。同时，随着近几十年来全球人口的急剧增加，对食品的需求增加通过改变土地使用/覆盖状况来满足，这直接影响了区域径流生成和其他水文过程（Zhu等人，2025年）。作为水资源的关键调节器，水文过程在维持生态系统和调节区域气候中起着重要作用（Jiang等人，2015年；Dey和Mishra，2017年）。因此，明确水文过程的影响路径对于指导人类活动以减轻气候变化对水资源可用性的负面影响至关重要。

水文过程包括地球上水的连续运动过程（McMillan等人，2025年）。这涉及一个复杂的生态过程，涉及大气圈、岩石圈、水圈和生物圈。降水、蒸发和蒸腾、入渗和径流是水文过程的关键环节，也是最近研究中常见的水文要素（Jiang等人，2015年；Yong等人，2024年）。由于不同的气候条件、自然条件（如地形和土壤）和社会条件（如经济水平和当地用水需求），水文过程和水文要素表现出空间异质性。此外，水文过程各个环节之间的依赖程度也不均匀。在高山地区，气候因素是降水、蒸散量、径流和基流变化的主要决定因素，而土地利用/覆盖的影响相对有限（Cuo等人，2013年；Ahmed，2021年；Kayitesi等人，2022年）。在干旱和半干旱地区，由于水资源的稀缺和脆弱生态系统的存在，水文过程对气候变化和土地利用的变化更为敏感，多种因素的结合比单一因素的影响更大（Shao等人，2018年；Rafiei-Sardooi等人，2022年）。然而，大多数研究集中在单一流域或连续的多个流域上，难以全面反映不同地理、气候和人类活动条件下的水文差异（Shrestha等人，2025年）。因此，有必要系统地比较不同类型流域中水文要素及其相关影响路径的空间和时间变化。

尽管影响路径分析已在气候和生态系统研究中得到广泛应用（Bartlett等人，2025年），但专注于水文要素的研究仍然有限。通常采用控制变量的方法来探索气候变化和人类活动对水文过程的影响。实际上，现实世界的水文过程非常复杂，受到多种因素的影响，且影响可能涉及多条路径。在自然环境中，完全隔离气候变化和人类活动的因素非常困难，因为它们之间经常发生相互作用和反馈。因此，很难充分捕捉水文过程背后的多路径机制，对这些路径发生概率的定量评估也不足。

目前，用于模拟水文过程的模型主要分为两类：聚合水文模型和分布式及半分布式水文模型。聚合水文模型将整个流域视为一个整体，忽略了流域内土壤、植被等元素的不均匀性对水文循环的影响。这些模型（如Sacramento模型和Tank模型）数据要求低、计算效率高、性能稳健，是模拟径流的有效工具（Lei等人，2023年）。半分布式水文模型的响应单元通常是一个小流域，而分布式水文模型的响应单元是一个相同大小的网格。土壤和水评估工具（SWAT）是最广泛使用的半分布式水文模型，用于模拟各种不同的水文-物理-化学过程，如水量、沙运移和化学传输及转化过程（Zhang等人，2023年）。然而，SWAT模型在机制描述方面仍有不足，无法提供水文要素的空间分布。随着环境决策需求的增加，分布式水文建模得到了更广泛的应用。分布式水文土壤植被模型（DHSVM）作为一种基于物理的分布式水文模型，能够动态描述DEM数据空间尺度上的蒸散量、积雪、土壤水分和径流的空间分布。它通过找出适应更多地理环境的敏感性参数来提高模拟精度，同时以更复杂的方式描述物理过程（Cuo等人，2013年）。此外，DHSVM还可以将人为因素（如土地利用类型和水库建设）纳入水文过程的模拟中（Du等人，2014年）。因此，我们将使用DHSVM来模拟水文过程。

在这项研究中，我们从多个影响路径及其发生概率的角度，探讨了以草地为主的Xar Moron河流域和以森林为主的Laoha河流域的水文过程。我们的目标是明确气候变化和人类活动如何共同塑造这些路径，超越以往研究中常用的单一因素分析。具体来说，我们研究了水文要素与影响因素之间的关系空间异质性，识别了不同流域中的关键驱动因素，并量化了主要影响路径及其概率。这项研究提高了对流域对综合气候和人为压力响应的理解，为脆弱地区的可持续水资源管理提供了基础。

研究区域

研究区域

农牧过渡带（APTZ）的东部区域位于北纬40°~49°和东经115°~125°之间，面积约为352,400平方公里。该区域属于从半湿润到干旱和半干旱地区的过渡带，介于传统的牧区和农业区之间。该地区脆弱的生态环境使得水文过程对气候变化和人类活动高度敏感（Ruifang等人，2017年）。为了比较不同的影响

DHVSM模拟的验证

在Xar Moron河流域，DHSVM在校准期间的表现良好（NSE = 0.7004，R² = 0.8542，PBIAS = ?4.76%），表明水文动态和水分平衡得到了很好的再现（图4和表3）。在验证期间，模型保持了较高的R²（0.8326）和适度的负PBIAS（?20.22%），尽管NSE下降到0.1124（表3）。在Laoha河流域，模型的性能在各时期保持一致，NSE有所提高

影响水文路径的生态过程

首先，DHSVM充分再现了季节性径流动态，为后续的路径分析提供了可靠的基础。Xar Moron河流域在验证期间相对较低的NSE可能归因于生长季节强烈的年际变化和间歇性流量条件。尽管DHSVM有效捕捉了整体径流趋势（如高R²所示），但峰值流量的差异降低了NSE值。

Xar Moron河流域

结论

在这项研究中，我们提出了一个综合框架（DHSVM–BRT–SEM–BBN），以量化气候和人类活动因素如何通过多个影响路径及其发生概率共同影响关键水文要素。此外，我们发现草地主导的流域和森林主导的流域之间的土壤-植被-水文耦合存在差异。在Xar Moron河流域（草地类型），土壤是主导的影响因素。

CRediT作者贡献声明

张雅静：撰写 – 原稿撰写、验证、方法论、正式分析、数据管理。郝瑞芳：撰写 – 审稿与编辑、监督、资金获取。王云琪：项目管理、资金获取。薛兆雷：数据管理。常亚楠：数据管理。卢月：数据管理。张亚辉：数据管理。王正刚：数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们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[绿色流域评估指标体系和方法（项目编号：2023YFC3205600和内蒙古自治区科技计划[乌兰布和沙漠管理与湖泊保护协同控制技术集成与示范项目（项目编号：2023YFHH0068的支持。特别感谢审稿人和编辑们的指导性评论和建议