本项目为基础研究项目，属于自然地理学与生态水文学。

    水循环与碳循环是陆地生态系统物质循环与能量交换的核心过程，两者紧密关联。水碳耦合循环过程的演变及动态调整是生态系统稳定和可持续性的关键。深刻认识生态系统水循环和碳循环过程及其耦合演变机制是维持生态系统自然资源循环再生和生态系统服务功能的关键，也是实现我国十四五规划《纲要》中“山水林田湖草系统治理”的重要科学途径。然而，受研究方法的限制以及气候与人类活动的影响，针对水碳耦合循环机理的认识和过程演变的刻画仍然存在一定的难度和不确定性，制约了对生态系统更为全面透彻的认识，成为我国生态文明建设过程中的一大障碍。

流域水文模型和生态模型是目前研究水循环和碳循环过程的有力工具，但是这些模型由于分别侧重了水或碳循环的单一过程模拟，忽视或简化了水碳循环过程的紧密联系。基于此，研究团队从水碳耦合的角度出发，针对流域水碳耦合循环过程及其对气候变化和人类活动的响应这一关键科学问题进行了系统深入的研究。以世界范围内广泛应用的水文模型和生态模型为基础，借助各自在水循环和碳循环模拟方面的优势，通过开发功能模块、修改边界条件、构建多源数据融合等方式开发了生态水文耦合过程模型，并以黄土高原典型流域为研究对象，验证了该模型在水、碳、沙等方面模拟精度；结合全球气候模式数据，分析历史及未来气候条件下水碳耦合演变的规律，并解析水碳耦合演变的控制机制；以退耕还林（草）国家植被建设为驱动，借助耦合模型分析植被恢复下水、碳、沙的演变特征，并以“减沙、保水、固碳”生态环境效益兼顾的原则，提出了植被恢复背景下黄土高原水碳效益的提升策略和途径。取得的主要创新性成果主要体现在以下几个方面。

    1.研发了流域尺度生态水文耦合过程模型和基于多源数据的自动反演系统，验证了模型适用性，为流域水碳整合模拟与协同分析提供了有力工具。水文模型和生态模型因其各自侧重水或碳模拟而忽视了两者之间的耦合关联，生态水文耦合模型开发与应用是当前生态水文领域的前沿问题。以全球广泛应用的水文模型SWAT为基础框架，通过修改模型边界、开发功能模块、构建数据融合与格式转化匹配机制，将经典生物地球化学循环模型DayCent嵌入SWAT的水文响应单元，实现了流域尺度生态水文过程的耦合模拟（SWAT-DayCent）；采用多源观测和遥感数据、多目标及多种校验方法验证了模型在径流情势、蒸散发、侵蚀产沙、植被生产力、土壤有机碳等方面的模型适用性和模拟精度，为生态水文学领域提供了新的研究思路和方法。

    2. 阐明了历史及未来气候条件下流域水碳耦合演变规律，构建了水-气候变暖-有机碳损失的响应曲线，揭示了未来气候条件下水碳耦合关系的控制机制，拓展了对流域尺度水碳耦合模拟及其关系的认识，丰富和发展了生态水耦合理论。阐明了在历史气候条件下水循环与碳循环的变化规律，揭示土壤水分有效性对植被生长和土壤有机碳演变的控制机制；探明了未来气候条件下流域和站点尺度水碳耦合演变特征，构建了土壤水分和气候变暖背景下有机碳响应的驼峰曲面关系，确定了不同气候情景和土壤水分阈值控制下的有机碳损失效应；明确了气候变暖背景下土壤有机碳损失与本底有机碳含量的关系，提出“高低低高”的土壤有机碳未来演变态势；分析了未来气候条件下水碳耦合关系强度及其演变规律，揭示了降雨波动性对水碳耦合的控制机制，为流域生态系统应对气候变化提供了关键的理论指导。

    3. 揭示退耕还林草背景下水、沙、碳对土地利用变化的响应规律，提出了兼顾“保水、减沙、固碳”效益的流域尺度植被恢复的空间调控策略，为区域生态恢复和流域治理等生态建设提供理论依据和科技支撑。定量揭示了以退耕还林草为主的土地利用变化对过去三十多年来黄土高原典型流域水沙演变的时空影响；揭示了土地利用变化对不同径流组分的影响，定量评估了流域尺度不同坡度和地形的坡耕地转换的生态水文综合效应；揭示了黄土高原典型流域植被恢复引起的水、沙、碳组分及其平衡关系的变化，并以“减沙、保水、固碳”的环境效益最大化为原则对退耕还林草进行空间调控，提出流域植被恢复的空间优化方案，这为科学推进植被恢复和可持续发展提供了关键的技术支撑和决策支持。

    以上研究获得了国家青年人才项目、国家自然科学基金面上项目（31741020、42271025）、国家自然科学基金青年项目（42101029）、国家自然科学基金国际合作项目（31961143011）、国家重点研发计划课题（2019YFC0507403）、科技部高端外专项目（G20190027009）、博士后特别资助项目和面上项目（2022T150513、2020M683451）以及陕西省创新团队（2021TD-52）等项目资助，研究成果发表SCI论文53篇，总引用量800余次，其中发表在本领域顶级和知名刊物《Engineering》、《Journal of Hydrology》、《Science of the Total Environment》、《Environmental Modelling & Software》的5篇代表作受到广泛关注和好评。如于2020年发表在《Journal of Hydrology》上揭示未来气候条件下流域水碳耦合演变及其控制机制的代表作，在发表当年就入选了ESI前1%高被引论文。研究成果“黄土高原流域生态水文耦合模型与水沙碳时空演变研究”荣获2022年度陕西省生态科学技术奖科技进步一等奖，研究团队“环境变化与生态水文”入选陕西省创新团队（2021TD-52）。生态水文耦合模型研发的研究成果获邀亚洲大洋洲地球科学学会（AOGS）青年科学家杰出报告（Early-Career Researcher Distinguished Lecture）、中国工程院国际工程前沿高端论坛邀请报告、全国农业资源与生态论坛大会特邀报告等，在国内外产生了较大的学术影响，联系索取模型的学者遍及全球六大洲20多个国家和地区。