地球是一个由岩石圈、土壤圈、水圈、生物圈、大气圈等层圈组成的系统，水循环过程是这些圈层间联系的纽带，维持良性水循环是实现可持续发展的关键所在。水循环不是一个独立的自然过程，水问题的解决方案往往涉及到地球系统的各个圈层和经济社会的方方面面。本文以森林与水的关系、水循环变化预估、水循环综合研究这3个话题为例，尝试从地球系统的角度探讨水循环研究。
随着人类文明的进步，用水量持续增加，流域水循环受高强度人类活动的影响越来越深刻，呈现出复杂的“自然—社会”二元特征。本文阐述了流域“自然—社会”二元水循环理论的提出、科学问题和框架体系，并从二元水循环的视角剖析了水资源“资源、环境、生态、社会、经济”五维属性的科学内涵，提出了基于二元水循环理论的关键技术，总结了水资源研究的前沿方向和发展趋势。本文可为流域水循环研究、水文地理研究、水文水资源学科发展起到推动作用，为国家水安全保障、国家水网建设等重大实践提供技术支撑。
国家水网工程是应对气候变化、提高国家水安全保障一项重大战略部署。本文在分析中国气候、水土资源分布不均等地理特点基础上，探究了变化环境下中国水资源供需关系，分析了国家水网规划布局及典型水网成效，探讨了国家水网规划建设中存在的亟待研究的若干问题和对策建议。研究表明：全球变化影响愈来愈凸显；国家进入高质量发展阶段，人们对供水质量及保障程度、洪旱灾害防御能力等要求越来越高；构建国家及区域水网是应对环境变化影响、显著提高供水灌溉保障程度和防洪排涝能力，改善天然河湖水环境质量，提高国家水安全保障的重大举措。但需要从区域“水—土—气—生”及“人—地”关系协调，尊重自然，做到人与自然和谐共生。加强国家水网规划建设和运行的科技和管理创新，受水区不仅应该加强节水和水资源保护，守住本地水资源的主体地位，与外调水联合调度，提高水网工程生态环境与经济发展综合效益，支撑国家生态文明建设和高质量发展。
全球变暖和城市化发展加剧了暴雨洪涝灾害风险，严重威胁区域经济社会的安全与发展。郑州“7·20”特大暴雨洪涝是近10年中国单个市域范围内因灾伤亡最多、经济损失最重、灾害影响极大的城市内涝灾害。本文系统剖析了郑州“7·20”特大暴雨洪涝灾害的特征和成因，围绕暴雨洪涝灾害防御中存在的主要问题，阐明了气象水文监测预警工作的短板，并指明了天气预报预警、水文监测预报预警及新技术应用等在应对城市暴雨洪涝问题上需重点加强的方向，以期为城市洪涝灾害防御和智慧管理工作提供支撑。
壤中暴流是山丘区陡峭坡体包气带壤中流的一种特殊存在形式，也是山洪形成最为重要的产流机制之一。然而，现有研究对壤中暴流的科学内涵、机理过程与致灾特征的认知尚缺乏系统梳理和总结，限制了产汇流理论体系和山洪模型方法的发展。通过对国内外壤中暴流研究发展历程的梳理和产流物理过程的解析，本文厘清了壤中暴流的科学内涵与概念，提炼出壤中暴流发生的三大物理条件及其对非线性响应过程的影响，总结了壤中暴流对山洪、滑坡与泥石流致灾过程的影响机制。最后，凝练出未来需要深化的3个关键科学问题：包气带岩土体大孔隙水分输移过程与水文连通机制、坡面内部岩土体通道界面的水分交换过程及机理、复杂坡面地形条件下多产流机制综合的山洪形成机理。可为复杂山区的山洪形成机理与水文理论框架构建提供新的研究视角，更好支撑山洪灾害预测预报与防灾减灾的国家科技需求。
绿水通过蒸散发、大气水输送和陆地降水过程形成陆地内循环，是连接水圈、大气圈、生物圈、人类圈等地球圈层的重要环节。对绿水陆地内循环的有限认知将低估人类活动对水和生态的影响。本文研究中国范围内绿水陆地内循环的格局以及自然和人类生态系统对其的作用。结果表明，2000—2018年中国绿水陆地内循环具有内循环率高（50.4%）和内循环量大（2.75万亿m3/a）的总体特点，存在由南向北、由西南向东北、西部以内循环为主的“三线”输送格局。其中，以草地为主的青藏高原为中国绿水陆地内循环提供了最多的水量（约8000亿m3/a）；以森林为主的东南丘陵和云贵川地区是辐射范围最广的绿水供应区；以耕地为主的长江中下游平原和以草地为主的黄土高原分别是绿水由南向北、由西南向东北输送的枢纽。中国绿水陆地内循环格局由生态系统、大气环流等大尺度地理系统决定，充分认识绿水循环的战略意义在于：① 绿水陆地内循环是中国水循环的“国内大循环”，是构建治水“全国一盘棋”新局面的着力点；② 绿水陆地内循环是水循环与“山水林田湖草沙”的紧密纽带，是践行“山水林田湖草沙”系统治理的重要抓手；③ 绿水陆地内循环与跨流域调水和虚拟水转移构成中国跨流域水转移的主要过程，三者的科学统筹与协调是实现中国水资源与经济发展“空间均衡”的新方案。
1949年以来中国水文地理研究经历了4个重要的发展阶段，分别为河流水文主导时期、区域水文与实验水文快速发展时期、水资源与水环境主导时期和水系统综合与学科交叉融合研究时期。中国水文地理研究在河流水文与水文区划、水文实验与水文分析、水循环机理与水文模型、水系统和社会经济综合研究等方面取得了系列原创性成果。本文梳理了水文地理学不同发展阶段的研究特点，以在学科发展和服务国家等方面起到重要作用的科研工作和系列成果为例，回顾中国水文地理研究的历程，希望以此启发当代水文地理学研究，促进水文地理青年学者的成长。
黄河中游地区生态环境脆弱，易受到严重的洪旱灾害威胁。近年来，在大规模梯田建设和植被恢复工程等人类活动影响下，黄河中游水土流失治理水平稳步提高，发挥了消洪抗旱减灾的作用。但与此同时，黄河中游植被建设导致土壤干层加剧、产流产沙下降，增加了干旱风险；城市扩张也导致城市化地区孕灾环境剧变，暴雨洪水风险增加。目前针对变化环境下流域水文—泥沙—植被协同演变机理的认识还不够清楚，需要充分考虑工程扰动后流域水文—泥沙—植被重新建立新平衡的过程，科学评估大规模梯田建设、植被恢复工程和城市扩张等人类活动对洪旱灾害风险的影响，发展变化环境下黄河中游智慧化生态水文模型，预估大规模人类活动对洪旱灾害的长期后继影响，为黄河中游生态建设与水利工程协调发展有效防范化解洪旱灾害风险提供科技支撑。
地表径流的预测和模拟是水文地理研究的核心，对水资源管理和规划都具有重要意义。传统研究借助于实测地表径流进行水文模型率定和参数移植，对“无测站流域”进行径流预测，但在实测径流稀缺或受到强人类活动（如大坝调控）干扰时，参数移植能力受到限制、预测能力不足。而遥感数据具有时空连续的优势，且不受制于地表径流观测时间序列，为径流预测提供了新思路。本文采用了遥感数据率定水文模型的方法，在中国84个流域探究该方法采用遥感蒸散发、水储量和土壤水数据不同组合率定水文模型，评估各方案预测流域径流的潜力。结果显示基于偏差校正后的网格蒸散发数据约束水文模型的新方法，在中国干旱区和湿润区均具有较大的应用潜力；在格网上约束水文模型相比集总式约束具有较为明显的优越性；应采用多个水文模型提升该方法在不同流域的应用潜力。该方法的径流预测能力具有明显的空间分异性，因地制宜方可有效发挥遥感数据的优势。
遥感水文模型是水文学与遥感学的交叉领域，既包括水循环要素遥感反演模型，也包括以水文过程模拟分析为对象的遥感水文模型。本文汇总分析20世纪70年代以来遥感在水文方面应用成果，综述遥感水文模型研究历史、现状及发展趋势。研究表明，20世纪70年代以来遥感水文模型就一直是遥感水文的热点；中国在遥感水文研究兴起之时就与国际上同步，在遥感水文的概念认知、遥感与水文相结合的科学认识，以及遥感水文模型的研发应用等诸多方面做出了探索性的成果。随着信息技术发展，结合多重信息采集手段，围绕遥感径流监测、多传感器智能物联网、缺资料区水文分析和流域水量—水质—水生态精细化模拟等重大实际问题是遥感水文模型发展的趋势。
中国发育了亚洲主要的国际河流，丰富的跨境水资源在区域“水—能源—粮食—生态”安全维持中发挥着重要作用。近几十年来，受全球气候变化特别是大规模水利水电工程建设驱动，国际河流区水文及生态过程变化与跨境影响等问题备受关注。国内对这些问题的研究，重点聚焦于水文及生态过程变化规律与变化归因、跨境影响与安全风险调控，探讨跨境流域“水—能源—粮食—生态”纽带关系，构建适应全球变化的跨境水资源协调机制等方面，取得了突出的研发成效。面对全球变化影响下日益突出的跨境水安全与生态安全风险问题，国际河流的水文地理研究，更需要借助空天地一体化精准监测技术、现代空间地理信息技术和智能技术等，通过提供可量化、可参与、可公开的研发成果，更好地为国家对国际河流的合理利用与地缘合作、健康维持与风险管控、跨境水外交与环境外交等提供科学依据和决策支持。
水资源亏缺是中国农业可持续发展面临的主要挑战。本文从地理学的综合性视角出发，提出区域农业耗水与生产、生态效益关系的概念模型，拓展了“土壤—作物—大气系统界面节水调控理论”，构建了节水与适水并重的农业综合节水研究体系及其理论框架。并以华北平原为例，探究了中国缺水区农业水资源可持续利用途径。基于田间水循环及节水潜力的研究表明，华北平原小麦—玉米一年两熟农田年水分净亏缺220 mm，要实现农田尺度水平衡，需改为二年三熟，甚至一年一熟；京津冀区域尺度模型模拟表明，若通过调整农业种植规模和结构来平衡区域地下水超采，则小麦产量只能满足75%的口粮需求，要实现地下水采补平衡下的粮食自给，需要外部调水来补足水资源亏缺；基于农田耗水结构的节水试验表明，与地面灌相比，地下滴灌的小麦季、玉米季蒸散分别减少88 mm、60 mm，年均可节约耗水1480 m3/hm2。因此，深度田间节水技术会对种植结构和种植制度调整的节水效应产生显著支撑，从而实现稳定农业产能和水资源可持续利用的双重目标。从地理学综合视角出发，未来应更多关注变化环境下水资源的形成、转化和利用，从水量和水质两方面开展农业节水和水资源可持续利用研究，为平衡区域农业发展和健康水循环提供科学依据。
中国水资源呈现北缺南丰的空间分布格局，跨流域调水是缓解水资源分布不均的有效方案。南水北调工程是重大跨流域调水工程，对缓解黄淮海平原水资源短缺、改善河湖生态环境、优化水资源分配具有重要作用。从方案构想初步提出到一期工程建设完工，南水北调工程规划建设历时70余年，水资源优化配置、生态环境影响、工程建设管理机制等关键问题被深入研究，一系列关键成果应用于南水北调工程前期论证，助力南水北调工程高质量规划建设。2014年南水北调一期工程正式通水，标志着工程由宏伟构想变成伟大工程，从科学研究进入工程实践阶段，通水9年来，工程综合效益不断彰显。本文系统梳理了南水北调工程几个重点领域的系列科研成果，全面总结了优化水资源分配格局、提升饮水安全保障水平、推进生态环境保护与修复方面南水北调工程的实践成效，并对后续工程建设运行提出思考与展望。
天山北坡位于中国新疆，地处亚欧桥的国门，社会经济发展迅速，其绿洲经济和灌溉农业对地下水资源的依赖程度高。揭示1990—2020年地下水储量的演变规律对维持区域可持续发展具有重要意义。但由于长时序和较高分辨率的区域地下水观测数据匮乏，使得该任务又极具挑战性。本文基于重建的陆地水储量（TWS）变化数据、ERA5-Land再分析数据和其他相关的土壤质地、海拔高程、植被指数和冰川分布等辅助数据，建立了随机森林降尺度模型，据此估算了天山北坡1990—2020年的8 km分辨率地下水储量（GWS）变化，分析了天山北坡GWS的时空演变规律。估算的GWS变化与实测地下水位序列的时间变化具有较高的一致性，二者的相关系数最高达到0.68。天山北坡GWS具有明显的年内变化和年际变化。GWS在夏季和春季较高，在秋季和冬季较低，峰值出现在6月，最低值出现在10月。1990—2020年天山北坡有85%以上的地区GWS发生了显著下降，全区平均的变化趋势为-0.38 cm/a。其中，艾比湖水系和中段诸河区GWS下降最剧烈，额敏河流域下降速率最小；耕地下降速率最大，草地次之，裸地下降速率最小。日益增强的农业耗水活动是1990—2020年天山北坡GWS持续下降的主要驱动因素。相比于季节变化和亚季节变化，长期趋势性变化是天山北坡GWS时间变化的主导模式。但对于额敏河流域，GWS变化由三者共同主导。特别值得指出的是，在冰川覆盖区联合重力卫星与水储量组分方程开展GWS估算工作面临的挑战之一是缺乏长序列、高分辨率的冰川水储量数据，以往大部分研究忽视了冰川覆盖的影响。本文研究表明，若忽视冰川的影响，将导致天山北坡的平均GWS变化速率至少高估27.56%，应引起重视。
随着全球气温的持续升高，水资源可利用性对植被生长的影响是否发生了变化仍不清楚。本文评估了1982—2018年中国植被生产力对干湿变化响应的长期演变趋势及植被响应的时间尺度阈值，这将对降低陆地生态系统管理成本和双碳目标实现具有重要意义。① 在研究期内中国植被生产力的水分胁迫不断增强。② 在多时间尺度干湿变化中，61.18%的植被覆盖区存在过干旱化显著抑制了该区域的植被光合作用；28.89%的植被覆盖区存在过水分过剩显著抑制了该区域的植被光合作用。③ 干旱化显著胁迫植被生产力的最小响应时间缩短，而水分过剩显著约束植被生产力的最大响应时间延长，表明干旱化抑制植被生产力影响越来越容易，水分过剩对植被生产力产生抑制作用越来越困难。因此，1982—2018年中国植被生产力的水分约束正在增加。本文结果揭示了气候持续变暖背景下的水资源可利用性对植被生长影响的变化趋势，为水—碳耦合关系及水碳循环提供科学依据。
植被蒸腾（Tc）是水循环的重要组成部分。土壤水分（SM）和饱和水汽压差（VPD）是Tc的关键驱动因素，探讨其对Tc的影响有助于加深生态系统对气候变化响应机制的认识。然而有关VPD和SM对Tc变化的相对贡献尚不清楚，主要原因在于SM和VPD通过陆地—大气相互作用强烈耦合，阻碍了SM、VPD对Tc独立影响程度的量化。本文基于气象再分析资料、遥感土壤水分、蒸腾以及土地覆盖数据等多源数据，采用当前较为先进的“分箱解耦法”，分析2003—2018年中国亚热带植被蒸腾主导驱动力。通过对SM和VPD数据相关性解耦发现，研究区Tc随SM增加呈现出先上升后保持稳定的趋势，而随VPD增加Tc变化幅度较小；总体而言，SM对Tc变化的相对贡献更高，约为VPD对Tc相对贡献的5倍；不同植被类型Tc对SM和VPD的敏感性有所差异，尽管4种植被类型Tc对SM的敏感性均大于VPD的敏感性，但4种植被Tc对SM响应的阈值不同，其中森林（常绿阔叶林除外）的阈值最低（约为35%），短木植被的阈值最高（约为55%），表明不同植被生态对策的差异。此外，为验证结论的可信性，本文基于光合与蒸腾的强耦合关系，利用太阳诱导叶绿素荧光（SIF）指征Tc变化，经上述分析得到一致的结果。通过解耦SM-VPD对Tc的定量影响，本文进一步完善了气候变化生态水文效应的认知，为区域水循环模拟优化提供理论依据。
青藏高原生态环境对气候变化的响应是全球变化研究关注的重点问题。地表风化与气候变化之间具有紧密的联系，因此对冰川流域硅酸盐岩风化以及黄铁矿氧化进行定量研究可为理解高原气候变化提供关键性认识。本文以青藏高原北部祁连山典型冰川流域—老虎沟流域为研究对象，通过分析流域河水及降水的水化学和氢氧同位素，研究了冰川径流来源，河流溶质来源以及水文条件对溶质的影响，流域化学风化速率以及黄铁矿氧化对化学风化碳汇效应的影响。利用同位素径流分割得到地下水、冰川融水以及大气降水对冰川径流的贡献分别为18.2%、58.3%和23.5%，并进一步通过溶质产生模型讨论了冰川河流量对溶质的影响。通过反演模型计算得到碳酸盐岩、硅酸盐岩、蒸发岩和降水对河水阳离子的贡献分别为59.1%、20.1%、8.3%和12.5%，蒸发岩、降水和融雪、黄铁矿对$SO_{4}^{2-}$的贡献分别为14.4%、8.0%、77.6%。最终估算得到碳酸盐岩和硅酸盐岩的风化通量分别为50.8 g/s和7.8 g/s，相应的CO2吸收速率分别为24.4 t/(km2 a)和5.9 t/(km2 a)。考虑黄铁矿氧化的影响后，短时间尺度（<106 a）老虎沟流域总CO2吸收速率为8.3 t/(km2 a)，在长时间尺度（>106 a）则会释放CO2，总CO2释放速率为16.2 t/(km2 a)。总体来说，本文对老虎沟冰川流域的硅酸盐岩风化以及黄铁矿氧化对气候变化的响应进行了评估，明确了黄铁矿氧化对碳循环的影响，丰富了青藏高原流域风化和碳循环理论研究。
沙漠/沙地中沉积物的粒度是物源及各种地表过程长期作用的结果。研究沉积物粒度特征对认识沙漠/沙地形成演变和防沙治沙具有重要意义。本文对浑善达克沙地不同类型沉积物进行了详细采样，对其进行粒度和端元分析。结果表明，浑善达克沙地风成沙受风力分选作用影响，平均粒径和分选系数沿盛行风向存在显著变化趋势。偏度和峰度的空间格局较为复杂，可能与局地物源、沉积环境和植被覆盖等因素有关。端元分析结果显示，风成沙含有6个端元（EM），其中EM1与沙地西部湖相沉积露头有关；EM2来自松散的河湖相沉积物，在风力作用下呈现显著空间变化；EM3是风成沙的主要物质来源，与河流携带的碎屑物质有关；EM4可能来源于周围山体的冲洪积物；EM5和EM6粒度最粗，与间冰期河湖相沉积物中的粗粒组分相似。浑善达克沙地沉积物粒度特征表明，风成沙主要来自沙地附近不同时期的河湖相沉积物，远源贡献较少。沙地西部是风成沙的主要源区，在风力作用下较细组分的风成沙向沙地中东部运移，而沙地南缘和东缘河流也为其邻近区域贡献了沙源。本文研究说明，通过高密度采样并结合端元分析，沉积物粒度可解决地表过程复杂的沙漠地区风沙物源识别问题。
爬坡沙丘是高原山区广布的一种重要的障碍沙丘类型，其形成主要受地形、沙源和风动力的影响。已有的研究侧重于模拟试验、分布规律、野外观测和沙丘形态等方面，从区域尺度解析不同气候带爬坡沙丘沉积物特征及环境意义的研究还相对缺乏。本文从风沙地貌学、粒度沉积物、地球化学等方面综合分析青藏高原不同气候带爬坡沙丘的风能环境、近地表流场、沉积物特征及物源等。结果表明：① 由于物源差异，不同气候区爬坡沙丘沉积物粒度组成不同，主要为细沙和中沙，半湿润区分选好而干旱区分选差；不同地貌部位沉积物的粒度差异较小，且与近地表气流有较好的响应，就地起沙是其形成的基本形式，其中细沙爬坡能力最强。② 母岩特征和气候环境影响沉积物的化学元素含量，但粒径大小也是造成其空间差异的关键，微量元素主要集中于河漫滩且不同地貌部位差异较小。③ 沉积物中常量元素除SiO2富集外，其他均呈现不同程度的淋失或富集，微量元素大多亏损，淋失与富集程度与粒径密切相关。④ 青藏高原爬坡沙丘沉积物处于大陆风化初期，半湿润区风化程度较强，不同地貌部位沉积物的风化差异较大，与母岩性质、气候环境及沉积分异有关。
