摘要
在全球变暖的背景下，北极地区对全球气候变化极为敏感，且广泛分布着多年冻土。多年冻土地区水文过程及路径复杂，具有独特的水文响应机制，土壤冻融过程严重影响了多年冻土水力特性及区域水文循环。然而目前北极多年冻土区的水文过程尚不清楚，多年冻土退化对径流变化的影响尚不确定。北极多年冻土区土壤储存了大量养分(碳、氮、磷、硅等)，随着多年冻土退化，大量养分物质将通过河流输移到水生系统，对区域的生物地球化学循环产生重大影响。目前关于多年冻土退化如何影响流域水体中关键物质(如硝酸盐、磷酸盐、硅酸盐)的浓度和通量，以及关键物质如何影响下游生态系统存在较大的不确定性。基于此，本研究利用Soiland Water Assessment Tool(SWAT模型)对育空河流域的多年冻土水文过程进行模拟，阐明多年冻土对河流径流的调节作用，并探究了不同类型多年冻土在径流调节过程中的差异；在此基础上，基于Load Estimator(LOADEST模型)估算了2001年至2020年北极六大流域关键物质输移量，并进一步扩展到整个环北极地区，揭示环境因素对北极河流关键物质输移过程影响，并定量分析了各环境要素的相对贡献。论文的主要结论如下： (1)SWAT模型在北极育空河流域日尺度和月尺度的径流模拟方面表现出较好的适用性，多年冻土对育空河流域径流具有显著的调节作用。多年冻土通过冻融循环改变育空河径流路径，调节径流的年内变化，使得冻结期的径流以地表径流为主，流量高峰期以侧向径流为主。育空河流域内多年冻土分布不均，进而影响径流的空间分布，多年冻土覆盖率较高的地区对气候变化更为敏感，对径流的贡献较大。不同类型多年冻土对径流调节作用存在一定差异性，随着多年冻土连续性的降低，单位面积径流平均贡献呈上升趋势，其中大片不连续多年冻土平均贡献最大。连续性最低的稀疏岛状多年冻土径流平均贡献发生明显下降，这与该地区的蒸发量较高有关。 (2)北极六大河近二十年平均的年径流量高达2223.6m3s-1，这一过程输移了21157.5Ggyr-1有机碳。颗粒性有机碳(POC)、溶解性有机碳(DOC)的输移量分别为2790Ggyr-1、18367.5Ggyr-1，总悬浮物(TSS)的输移量为168220.5Ggyr-1。除碳元素之外，河流还输移了大量氮元素。总氮(TDN)输移量为696Ggyr-1，其中无机氮(铵根NH4+的输移量为63.6Ggyr-1、硝酸根NO3-的输移量为164.9Ggyr-1)，颗粒性有机氮(PON)的输移量为320.7Ggyr-1。河流总磷的输移量(TDP)为37.9Ggyr-1，磷酸根(PO43-)输移量为19.9Ggyr-1。六大河流域大多数关键物质(DOC、POC、TDN、PON、TDP、PO43-、TSS)的输移主要发生在春夏季，与径流量的年内分布一致。无机氮(NH4+、NO3-)的输移主要发生在冬季，物质输移量的季节性差异远大于径流的季节变化。北极河流中物质浓度也存在一定规律，以麦肯齐河和勒拿河为例，河流中DOC、TDN、TDP、TSS高浓度发生在春季，并且浓度随着径流量增加而增加。NO3-高浓度均发生在冬季，低浓度出现在春夏季，NO3-浓度随着径流增加而显著减少，其他物质(如NH4+、PO43-、PON、POC)浓度无明显季节特征。不同北极大河的物质浓度季节规律存在一定差异，与流域内多年冻土覆盖率密切相关。 (3)环北极地区关键物质的输移存在显著的季节性特征，除无机氮外，其他关键物质的输移主要发生在春夏季。其中POC、DOC、TDN的年均输移量在近二十年以来表现为波动变化，略有下降，但变化趋势不显著(pgt;0.05)；(NH4+、NO3-、TDN、PON、TDP、PO43-、TSS)输移量近二十年呈现显著减少趋势(plt;0.05)。北极六大河流域(除鄂毕河流域外)植被归一化植被指数(NDVI)、活动层厚度(ALT)近些年均呈现显著增加趋势，变化速率与多年冻土覆盖率密切相关。北极六大河流域大部分地区NDVI与无机氮输移(NH4+、NO3-)呈现显著负相关关系，植被会吸收水中无机氮。北极六大河流域内，河流DOC输移主控因素为气温与植被NDVI，对于颗粒性溶解物质(POC、PON)主控因素均为地表温度(GST)。TDP主控因素为人口密度(MPD)，流域内人类活动对河流中TDP输移的影响也较为显著。 综上，本文揭示了北极多年冻土流域主要河流的水文动态变化过程，明确多年冻土在水文循环中的作用；估算和分析了北极主要河流关键物质输移量及变化趋势，探究了多年冻土对河流关键物质输移影响，为研究气候变化下北极主要河流径流量的变化及关键物质输移过程提供重要数据及理论基础。
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