黄土高原水碳耦合管理研究

工程15（2022）143研究分水岭-文章黄土高原可持续植被恢复的水碳耦合管理研究赵伏波a，吴一平a，刘晓波，尹晓伟a，亚历山德罗夫b，邱林静aaXi交通大学人居环境与土木工程学院地球与环境科学系b俄罗斯科学院奥布霍夫大气物理研究所，俄罗斯莫斯科119017阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2020年11月15日修订2020年12月15日接受2021年3月4日网上发售保留字：碳黄土高原土地利用变化水资源A B S T R A C T黄土高原的“退耕还林”工程是世界上最大的植被恢复工程。然而，重新植被引起的土地利用变化会影响水循环和碳循环，其各种后果尚未得到很好的理解。因此，重新植被措施的合理性和可持续性受到质疑。以黄土高原典型小流域为例，定量分析了植被恢复引起的土地利用转换对流域水碳循环的影响，并确定了适宜的森林或草地植被恢复区域。本文利用耦合的水文地球化学模型模拟了通过设计源自重新植被政策的各种假设的土地用途转换情景，确定水和碳方面的几个关键组成部分。与基准条件（土地利用）相比，2000年），以森林或草地替代陡坡耕地，产沙量和产水量均大幅下降。坡度大于25°、15°和6 °的退耕还林（CTF）可增加土壤固碳能力，对土壤含水量的负面影响可忽略不计，而退耕还草（CTG）则会导致净初级生产力下降，但大幅度提高土壤含水量（3.8%~ 14.9%）。与基线相比，常规施肥土壤有机碳含量增加0.9%~ 3.2%，常规施肥土壤有机碳含量通过测试各种假设的植被恢复方案，我们确定了CTF和CTG的潜在优先领域，在这些领域，植被恢复可能是适当的，并可能有利于保护土壤和水，并加强碳固存。研究结果表明，未来黄土高原植被恢复政策下水碳耦合管理面临的挑战是多方面的，定量结果和潜在植被恢复区域的识别可为黄土高原地区的优化管理提供参考©2021 THE COUNTORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇CCBY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍植被重建政策，如造林计划和保护区的声明，广泛地在区域和全球范围内恢复退化的生态系统[1]。植被重建可以导致土地利用变化，这在陆地生态系统中起着重要作用，因为它与水，碳和养分循环明确相关[2]。土地利用变化会影响水文过程（例如，地表径流、产水量、洪水频率和基流）[3植被生产、土壤碳储存和CO2通量）[7了解*通讯作者。电子邮件地址：rocky. gmail.com（Y。Wu）.植被重建引起的土地利用变化的综合环境影响对于生态系统管理和相关政策的制定至关重要[11，12]。植被恢复是中国生态系统恢复和水土保持的重要项目[13，14]。中国政府于1999年启动了名为”退耕还林还草“的大规模植被重建战略中国黄土高原因其植被覆盖稀疏而以严重的土壤侵蚀而闻名[9，15]，使其成为GGP的试点地区黄土高原GGP的主要目标是将陡坡（大多在15°以上）的耕地转化为森林或草地，以减轻土壤侵蚀[16，17]。据报道，黄土高原的植被覆盖度从1999年的31.6%增加到2000年的59.6%，https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.12.0172095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engF. Zhao，Y. Wu，X. Yin等人工程15（2022）1431442013年，在过去的二十年中，约16000平方公里的陡坡耕地已被转化为种植植被（森林或草地）[18，19]。因此，由于植被引起的土地利用变化，水和碳循环发生了很大变化[20，21]。中国政府计划到2050年再投资95亿美元用于黄土高原植被恢复[22]。从这个意义上讲，未来土地利用将经历持续变化，这将对水、沉积物和碳固存等关键环境要素产生积极和消极的影响在过去的几十年中，许多研究调查了黄土高原植被恢复引起的土地利用变化对水循环或碳循环的影响[23 Qiu等[5]报道了在黄土高原典型的黄土丘陵沟壑区，陡坡地（坡度> 15°）退耕还林可以减少地表径流和土壤含水量。Yin等人[27]发现，自GGP实施以来，径流量越来越受到土地利用变化的影响。Wang等人[19]还得出结论，植被恢复计划是减少黄土高原径流和产沙的主导因素。Lü等人[16]使用多元回归方法量化造林对区域土壤有机碳（SOC）固存的影响，发现从农田到森林和草地的转换可以增强碳固存。通过分析遥感数据，肖[28]发现植树造林显著提高了生态系统生产力。这些研究对于了解土地利用变化的影响是有价值的关于水、沉积物和碳动力学。然而，他们只关注一个方面（例如，水或碳），而且很少有研究评估了综合影响，这可能会扭曲土地利用计划，特别是考虑到水，沉积物和碳之间的权衡。更重要的是，一些与GGP驱动的土地利用转换相关的重大挑战仍未解决[13，29例如，有多少坡度在15°和25°之间的土地应该归还森林或草地，以及如何加强碳固存以减缓气候变化，同时通过重新植被保持区域水安全，这些问题都存在许多问题。解决这些问题涉及许多挑战，如基本的解释模型，更真实的情景设置，以及确定潜在的植被恢复区域，以告知政策制定者。为 应 对 上 述 挑 战 ， 我 们 首 次 应 用 水 文 - 地 球 化 学 耦 合 模 型（SWAT-DayCent）研究GGP驱动下土地利用转换的潜在环境影响，并优化植被重建政策。与以往的研究不同，本研究集中于与水和碳相关的多个环境指标，以更全面地了解植被恢复引起的环境影响。以典型的黄土丘陵沟壑区泾河流域为例进行了研究。通过在GGP下设定一系列潜在的土地利用产水量、土壤水和沉积物产量）和碳（例如，净初级生产力（NPP）和SOC。本研究试图回答以下问题：①植被恢复引起的土地利用变化如何影响水碳循环？是否有任何机会使植被重建措施同时有利于水、土壤和碳固存？研究结果可为黄土高原植被恢复的可持续管理提供参考，以平衡黄土高原社会经济系统与自然生态系统的发展2. 材料和方法2.1. 研究区黄土丘陵沟壑区是我国西北黄土高原典型的大型黄土JRB覆盖面积为面积45421km2，属半湿润半干旱过渡带，属典型的温带大陆性气候。泾河发源于六盘山，全长约455公里。年平均降水量约350由于降水量的空间变化，气候流域内主要土地利用类型为耕地、草地和林地，占总面积的90%以上。根据不同的生物物理和气候条件，JRB可分为四个生物气候带：半湿润森林、半湿润-半干旱由于气候干燥，土壤疏松，流域内经常发生严重的缺水和水土流失。2.2. 模型描述耦合SWAT-DayCent模型[33]是通过整合广泛使用的流域分布式水文模型（土壤和水评估工具（SWAT））[34]和主要的地球化学模型（CENTURY模型的每日版本，DayCent）[35，36]开发的。在SWAT-DayCent的耦合中，以SWAT模型为基本框架，将DayCent嵌入到SWAT中，增加了一些新的数据转换和消息传递功能。在运行过程中，SWAT模型首先基于水文响应单元（HRU）模拟水文过程，生成DayCents所需的数据。然后，DayCent可以自动获取每个HRU的特定信息，并模拟所有HRU的地球化学循环。主要产出包括水文组成部分（例如，产水量、径流量、土壤水和蒸散量（ET））和土壤地球化学成分（例如，NPP、SOC、土壤呼吸和生物量），使我们能够在流域尺度上分析水和碳循环。SWAT-DayCent的细节和应用可以在我们以前的研究中找到[33，37该耦合模型能够同时模拟流域尺度的水文循环和生态地球化学循环，为流域水碳综合分析和管理提供支持。实际上，据我们所知，没有一个单一的模型能够模拟流域尺度的水文和地球化学过程[40]。SWAT-DayCent的应用为研究人类活动对流域水循环和碳循环的影响提供了一个合适的视角。2.3. 模型输入和验证一个地理信息系统（GIS）接口，ArcSWAT，被用来划定流域和自动化模型输入参数。ArcSWAT所需的空间输入包括地形、土地利用、土壤类型和气象信息。数字高程模型（DEM）是从航天飞机雷达地形任务（SRTM）获得的，分辨率为90米2000年的土地利用数据来自中国科学院遥感与数字地球研究所，分辨率为30 m。土壤性质数据由中国西部生态与环境科学数据中心提供，F. Zhao，Y. Wu，X. Yin等人工程15（2022）143145-··分辨率每日气象数据来自中国气象局数据中心。本文利用张集山站1973-1979年的径流量和1973 - 1978年的产沙量资料（1973-1978年的径流量和1979-1987年的产沙量），对1973- 1979年的径流量和产沙量进行了校正和验证。 1）对SWAT部分进行了标定和验证，并利用2000-2010年遥感NPP数据对DayCent部分进行了标定和验证。对于SWAT，我们使用敏感性分析确定了最敏感的参数（附录A中的表S1）。对于DayCent，根据我们自己的经验和以前的研究选择了最重要和最敏感的参数 在数值标准方面，径流模拟的Nash-Sutcliffe 效率 （ NSE ） 、相关 系数（ R2 ） 和百分比 偏差（PB）分别为0.70、0.71和6.7%，而泥沙模拟的NSE、R2和PB分别为0.58、0.71和24.9%。 2）的情况。根据模型评价标准[43]，这些统计评价表明SWAT得到了很好的校准为了验证，SWAT模型也表现良好，与NSE，R2，和PB的径流模拟分别为0.54，0.62，和5.3%，而这三个方面分别为0.60，0.67，和30.2%，分别为泥沙模拟。对于Day-Cent，我们使用R型耦合器进行验证，该校准方案可见于我们之前的研究[9，39]。 统计评价措施表明，|PB|所有三种生态系统（作物、森林和草地）的R2值均小于5%，R2值在0.21到0.55之间，均方根误差（RMSE）值在20.8到39.3克碳/平方米/年（gC m-2a-1）之间。 3）。虽然DayCent的表现不如SWAT，但考虑到遥感NPP和碳建模的更大不确定性，其表现可以被视为令人满意。2.4. 重新植被政策选择2.4.1. 植被重建项目纲要GGP是由中国政府实施，以恢复该国实施GGP的一个重要标准是坡度，坡度大于一定坡度（称为目标坡度）的耕地应退耕还林或还草。在黄土高原所在的西北地区，目标坡度为15°[13]。这表明，强烈建议将坡度大于15°的耕地改为森林或草地。此外，坡度小于6°的土地需要保护用于农业，因为它们的土壤侵蚀程度较低，土壤肥力相对较高，并且需要粮食生产[45]。基于上述政策及要求，我们设定若干土地用途转换方案，如下节所述。2.4.2. 重新植被设想方案首先，在GGP方面，我们根据2000年的实际土地使用情况建立了六种潜在的植被恢复方案（表1）：(1) CTF：将陡坡农田改为森林。设想方案S1(2) CTG：将陡坡耕地改为草地。S4除坡度外，还应考虑生物气候条件，以确定植被的适宜性和可持续性[46]。在我们的研究中，JRB被分为四个生物气候带：森林，森林-草，草和草地-草（图1）。①的人。已知图1.一、（a）JRB的位置和数字高程红色虚线表示生物气候边界，JRB分为四个区：森林（半湿润森林区），（b）典型黄土地貌和（c）坡地照片。这些照片是由赵伏波于2018年9月在JRB的一个典型黄土丘陵沟壑位置拍摄的DEM：数字高程模型（m）。本文以浙江省张家山站为例进行了模拟研究F. Zhao，Y. Wu，X. Yin等人工程15（2022）143146--图二. ZJS站每月（a）径流量和（b）产沙量模拟。据了解，森林和林草地带适合植树造林，而草地和林草地带可以种植草地。在这种适宜性的驱动下，我们建立了三个额外的植被恢复方案。(3) CTFG：将坡度大于25°、15°和6°的耕地分别在森林和林草带中退耕还林，或在草地和林草带中退耕还草。设想方案S7相应的用地比例见表2。利用19762.5. 影响分析我们通过比较基准条件和植被诱导情景之间的差异，量化了植被恢复对流域平均环境的影响。 为了确定适合造林或种草的区域，我们进行了叠加分析（栅格计算），以计算特定HRU的净变化。如果目标要素之间存在冲突，则建议进行权衡-一个要素增加而另一个要素减少，而如果水的可用性、土壤保持和碳汇同时增加，则会出现协同效应[47]。如果植被能够同时对水（增加土壤含水量）、土壤（减少沉积物）和碳（增加有机碳）有利，则确定了适合植被恢复的候选区域根据对土壤含水量、泥沙含量、土壤含水量、土壤产量和SOC。计算总的影响程度是为了将重新植被（CTF或CTG）对每一个指标的影响标准化（即，土壤水分、沉积物或SOC），然后将其归一化值相加[47，48]。当特定靶区（HRU）的总影响幅度（TIM）低于5%百分位数时，可确定极低推荐度，当TIM高于或等于5%但低于25%百分位数时，可确定低推荐度，当TIM高于75%但低于或等于95%百分位数时，可确定高推荐度，当TIM高于95%百分位数时，可确定极高推荐度，当特定靶区的TIM在25%和75%百分位数之间时，可标记为很高的推荐度表明，造林或种草可以实现最大的环境效益（即，对土壤含水量、产沙量和有机碳储量的正效应大小3. 结果3.1. 环境指数(1) CTF。与基线条件相比，从农田到森林的转换可能会对特定的生态系统产生不同的影响（S1-S3，图1）。 4），但产水量和产沙量均会减少。产水量和产沙量的相对减少量分别从S1的4.7%和5.2%变化到S3的17.0%和19.1%。这表明，增加坡地森林覆盖可减少水资源，但可减轻土壤侵蚀。F. Zhao，Y. Wu，X. Yin等人工程15（2022）143147-------图3.第三章。（a）农田、（b）森林、（c）草地和（d）整个流域的遥感NPP和DayCent模拟NPP的比较红色虚线表示1：1线。表1可能的重新植被设想方案的缩略语和定义缩写描述坡度大于6°的耕地（S6）转化率为8.6%。产沙量随草地面积的增加而减少. 下降幅度将从S4的-5.6%变化到- S6为10.7%，与CTF scenar相比相对较低-2000年实际土地使用情况S1坡度> 25°的耕地到森林S2坡度> 15°的耕地到森林S3坡度> 6°的耕地到森林S4坡度> 25°的耕地到草地S5坡度> 15°的耕地到草地S6坡度> 6°的耕地到草地S7森林和森林-草地地带中坡度大于25°的S8森林和林草地带中坡度大于15°的S9森林和林草地带中坡度大于6°的模拟结果还表明，CTF可能对根区土壤含水量有轻微影响（图4）。不同造林面积的NPP增加1.3%~ 4.7%（S1(2) CTG。与CTF类似，从农田到草地的转换可能导致产水量和产沙量的下降（图4）。随着退耕还草面积的增加，草地的产水量呈下降趋势，下降幅度小于CTF。产水量减少坡度大于25°的耕地转化率为2.4草地（S4），而这种减少幅度将达到iOS.很明显，土壤含水量大幅增加，从S4增加3.8%到S6增加14.9%此外，净初级生产力大幅下降，幅度由S4的3.9%至S6的14.7%，这可归因于较低的草产量。SOC在不同时间段保持相对稳定，CTG中的narios，表明CTG对SOC有轻微影响。(3) CTFG。CTFG情景下的产水量和产沙量的相对变化与CTF和CTG情景相似（图4）。相对于基线条件，产水量和产沙量的减少幅度由S7的5.4%和5.9%至S9的17.3%和16.5%不等。与CTG相似，土壤含水量随着退耕还林还草数量的增加而增加。但增幅低于CTG，S9增幅最大，为6.9%。此外，与基线条件相比，情景S7至S9下的NPP将略有下降（0.8%至4.2%），而SOC略有增加，幅度从S7的0.6%至 S9的1.8%不等。3.2. 环境指数环境指数变化的空间格局是异质的，不同的情景。在CTF中（图5），产水量和产沙量表现出相似的变化模式。F. Zhao，Y. Wu，X. Yin等人工程15（2022）143148表22000年土地利用比例和建议的植被恢复方案的百分比（%）。场景森林草作物灌木水体发展贫瘠BS7.433.044.114.10.11.10.1S114.3-37.3----S222.2-29.3----S331.6-19.9----S4-39.837.3----S5-47.829.3----S6-57.219.9----S710.536.837.3----S813.641.629.3----S917.547.119.9----“-”表示与2000年的土地用途比较，没有改变。BS代表2000年的实际土地使用情况。见图4。流域平均产水量（WY）、产沙量（SY）、土壤水（SW）、净初级生产力（NPP）和有机碳（SOC）在2000年土地利用和拟议的植被重建方案之间的百分比变化。径向轴上的数字表示相对于2000年土地利用的百分比变化（%）。随着植树造林的增加（情景S1-S3），更多的JRB区域（特别是北部流域）的产水量和产沙量出现下降。土壤水分的下降主要出现在北部地区，表明半干旱地区对造林相对更为敏感。随着造林面积的扩大，NPP和SOC均呈现出明显的增加趋势，但NPP的增加幅度相对大于SOC。在CTG（图6），随着草原面积的增加，北部和中部地区的产水量下降（情景S4至S6）。产沙量的变化规律与产水量的变化规律相似。但西部和南部部分地区的产沙量略有增加。与常规草地相比，南、北两区土壤含水量略有增加，说明草地种植对土壤水分的保持具有积极作用。随着草地种植面积的增加，草地生态系统NPP下降的区域越来越多，草地生产力低于作物生产力，而土壤有机碳保持相对稳定。随着森林和草地的种植，产水量和产沙量均下降的面积不断增加（情景S7-S9，图7）。这一现象表明，在半湿润地区造林和在半干旱地区种草都有助于保持土壤，但减少了水分产量。混合情景对土壤含水量产生轻微的积极影响，只有一小部分土壤含水量下降。人工种草和人工造林的NPP存在明显差异，种草降低了生产力，而人工造林提高了生产力。SOC的变化在空间上是异质的，混合情景也会对的SOC。3.3. 适合重新植被的如前所述，重新植被减少了土壤侵蚀，但也减少了水的供应，并可能增加大多数地区的这表明有贸易-F. Zhao，Y. Wu，X. Yin等人工程15（2022）143149图五. CTF情景下WY、SY、SW、NPP和SOC变化的空间格局（S1-S3）。数字表示相对于2000年土地利用的百分比变化（%）。空白表示没有变化的区域。重新植被方案下的水-沉积物-碳关系之间的协同作用问题是是否有任何领域的CTF或CTG转换（即，陡坡耕地，绿地）将有利于水资源、土壤保持和碳固存。为了解决这个问题，我们覆盖了这些关键环境指数的空间地图的潜在图六、 与图 5，但在CTG情景下（S4-S6）。F. Zhao，Y. Wu，X. Yin等人工程15（2022）143150图7.第一次会议。 与图 5，但在CTFG情景下（S7-S9）。确定了坡度大于25°、15°和6°的CTF区域，如图8（a）所示，CTF不会对水、沉积物和碳造成负面影响。这些候选地区主要位于盆地中部和南部。就对水、沉积物和碳的影响程度而言，我们设定了三种不同的推荐等级（低、中、高，见第2.5节）。如图8所示，南部盆地中坡度大于25°、15°和6°的大面积区域被高度推荐（包括非常高和高坡度）进行转换（即，CTF）。大多数地区被适度建议转换图8.第八条。从坡地耕地转换土地用途可能有利于水资源、土壤保持和碳固存的潜在领域：（a）清洁技术论坛和（b）清洁技术小组。颜色显示特定区域的推荐程度，红色、橙色、浅绿色、绿色和深绿色分别表示非常低、低、中等、高和非常高的推荐。F. Zhao，Y. Wu，X. Yin等人工程15（2022）143151中西部边缘部分地区处于低推荐和极低推荐。图8（b）中标出了坡度大于25°、15°和6 °的CTG候选区，大部分位于盆地中部和北部，只有部分位于南部盆地。只有西部边缘的坡度大于25°、15°和6°的小部分具有高和非常高的转换建议（即，CTG），而北部盆地的大部分地区处于非常低的推荐水平。有趣的是，推荐的CTF或CTG区域通常与生物气候分类一致：推荐的CTF区域主要位于半湿润森林和这些结果表明，在实施植被重建计划时，考虑气候条件的必要性。4. 讨论4.1. 重新植被备选办法坡地上森林和草地覆盖的增加会减少产水量，这种减少的程度取决于土地利用转换的程度[49，50]。产水量是集水区供水能力的代表，与区域自然和经济条件密切相关。与农田相比，在坡地上种植更多的树木会导致更多的水分流失，因为它的叶面积和蒸腾速率相对较大[9]，而在坡地上种植草会加速土壤的蒸发速率，因为它不能保护土壤表面免受太阳辐射。坡面产沙量随林地和草地覆盖度的增加而减少。 一般来说，当耕地被草或树木取代时，地表粗糙度和蒸散量会得到改善，从而导致产水量和产沙量减少[16，45]。对于土壤水分，该研究表明，坡地森林覆盖的增加可能对土壤含水量产生轻微影响，这可能归因于陡坡上原有的较低保水潜力[51，52]。Qiu等人[5]还报告称，在延河流域，将陡坡（> 25 °和15°）上的农田退耕还林对土壤含水量的影响很小。这表明了坡耕地造林在保持水土方面的重要作用。与森林相比，草的根系深度较浅，生长所需的水分较少，导致CTG和CTFG的土壤含水量增加。这一发现也得到了实验研究的支持。例如，Yu等[51]报道了黄土高原丘陵沟壑区草地土壤水分高于森林和农田，特别是在雨季。除了土地利用类型，地形域（例如，坡度和海拔）对土壤含水量的影响也很大，土壤水分含量对土地利用的影响[53，54]。 由于森林具有相对较大的生产力[55]，在坡地造林无疑会增加区域生产力，并增强SOC固存。相比之下，以草地替代坡耕地将导致较低的生产力和较弱的SOC调节，因为其生产力较低[9]。4.2. 水供应、土壤保持和碳固存我们的研究揭示了在潜在的土地利用转换方案中，水资源可用性、土壤保持和碳封存之间存在着重大冲突[56水资源之间的冲突产量和碳固存主要见于清洁森林备选方案，表明与造林同时相关的水、土壤和碳可持续性管理的挑战。这些发现也得到了实验结果的支持[60，61]。通过分析600多个观察结果，杰克逊等人。[62]发现，种植园通过生物碳固存每年使全球径流量减少227毫米。这些研究结果表明，水资源的可持续性在退耕还林以保持土壤时十分重要。土壤水分与固碳之间的冲突主要表现在CTG和CTFG。这一现象突出表明，用草地取代坡耕地有助于改善土壤水分，但代价是减少了产水量和碳固存[58，63，64]。从S4到S9，产水量、产沙量和净初级生产力持续下降，这与坡地种草有关[65]。这一现象突出表明，在用草地取代坡地作物时，共同管理和加强这些生态系统服务是一项挑战。在时间上，在基线和9个情景下，产水量、产沙量和净初级生产力随时间的变化模式相似（附录图S1A）。产水量和产沙量随NPP的增加先减小后发散，表明水碳关系随时间变化。实际上，在1976-2005年期间，产水量、产沙量、NPP的相似年际变化及其总体正相关关系（图S1）可以用降水变化来解释，这在我们以前的研究中已经得到了CTG和CTFG对土壤含水量和SOC都有积极的影响，这表明在未来的植被重建中考虑人工种草时，有机会共同管理这两种生态系统服务。上述现象进一步说明了植被恢复过程中水土保持与固碳之间的权衡与协同。4.3. 对政策的这项研究有几个耦合的水和碳管理与植被的影响。首先，大的空间变异性表明，特定的环境指数在给定位置可能增加或减少，这取决于未来的植被重建，强调了当地措施和精细管理的重要性[47]。第二，我们会物色适合日后改作土地用途的地区，以达致“双赢”的目的，并透过最佳的土地用途规划/管理，取得最大的效益。第三，大多数地区的一些环境指数有所改善，但其他环境指数有所下降（很少全部增加），这表明权衡的重要性[66]以及适当的人类干预以尽量减少负面影响的必要性。此外，本文的分析也可以支持与正在进行的植被恢复在其他地区，但类似的生物物理条件，如，在黄土高原上的延河和渭河流域的决策。4.4. 限制和未来范围我们承认这项研究存在局限性首先，尽管本研究中使用的土地转换情景包括许多不同的组合，但具体的植被类型（即，转换中涉及的森林和草地类型）没有进行明确的检查。未来的研究应评估不同森林或草地类型对水和碳的具体影响第二，在水文地球化学过程模拟中，我们只关注土地利用变化，而没有考虑其他生态工程措施（例如，大坝和梯田建设），F. Zhao，Y. Wu，X. Yin等人工程15（2022）143152也可以影响水、沉积物和碳动力学[67]。因此，在今后的研究中，有必要对生态工程措施的效果进行研究。第三，我们研究中的一些元素可能对气候变化敏感，未来的研究也应该考虑气候变化的影响。更重要的是，人口增长和经济发展将增加对水的需求，因此决策者在实施植被恢复项目时必须未来的研究应将社会经济系统与自然生态系统联系起来，避免黄土高原地区的水资源冲突。5. 结论我们应用，为第一次，耦合SWAT-DayCent模型调查植被引起的土地利用转换对水的可用性，土壤保持和碳封存的潜在影响。结果表明，坡度大于25°、15°和6°的退耕还林（草）可减少产沙量和产水量。坡度大于25°、15 °和6°的退耕还林可提高生态系统生产力，对土壤含水量影响不大，而退耕还草则使NPP下降，但土壤含水量显著增加。退耕还林（草）对土壤有机碳有积极的影响。综上所述，植被恢复可能会导致水土保持、水资源和碳固存之间的矛盾。然而，通过分析包括水、沉积物、碳在内的环境指标的空间变化及其与土地利用模式的关系，我们确定了转换可以同时有利于水资源可用性、土壤保护和碳封存的潜在区域。我们的研究结果可以为政策制定者在JRB中优化植被重建政策提供有价值的参考，并有可能扩大到为黄土高原植被重建相关的水碳耦合管理提供信息。致谢本研究得到了国家自然科学基金（31961143011）、中国博士后科学 基金 （ 2020 M683451 ） 、中 国科学 院战 略重点 研究 计划（ XDB 40020205 ）、陕西省重点研发计划（ 2018 ZDXM-GY-030）和国家青年千人计划的资助我们衷心感谢编辑和两位匿名评论者对本文的宝贵意见/建议我们还要感谢Xi交通大学的高性能计算集群（HPCC）平台遵守道德操守准则Fubo Zhao、Yiping Wu、Xiaowei Yin、Georgio Alexandrov和Linjing Qiu声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。附录A.补充数据本文的补充数据可在https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.12.017上找到。引用[1] GuerryAD，Polasky S，Lubchenco J，Chaplin-Kramer R，Daily GC，GriffinR，et al. 为决策提供信息的自然资本和生态系统服务：从承诺到实践。 Proc NatlAcad Sci USA 2015;112（24）：7348-55.[2] Wu Y，Liu S，Sohl TL，Young CJ.美国中西部雪松河流域土地覆盖变化及其环境影响预测。环境研究快报2013;8（2）：024025。[3] Berihun ML，Tsunekawa A，Haregeweyn N，Meshesheshha DT，Adgo E，Tsubo M ， et al. 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