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构建可持续发展的陆地生态系统是应对粮食安全、环境污染和气候变化等问题的重要策略。多目标碳氮综合调控研究为可持续发展生态系统的构建提供关键的科学依据。多目标碳氮综合调控的目的是在保证陆地生态系统生产力前提下，最大化地减少水流驱动的氮流失（简称水氮流失）和减排温室气体与氮污染气体。鉴于水氮流失固有的空间特征，综合调控需要以流域作为基本研究对象。通过试验手段开展碳氮循环综合调控研究是最直接的方法，但试验研究存在观测变量时空尺度不一致、无法同时监测多个目标变量、人力物力耗费较大等问题。碳氮生物地球化学过程模型可以估算植物生长、碳氮循环和气体排放，为部分解决这个难题提供了工具。然而，这类模型大多是地块尺度模型，水文过程描述简化，不能模拟流域内部水碳氮的横向迁移，因而难以准确估算流域水氮流失。针对这些问题，本论文开展如下研究工作:1）通过模型比较的方式筛选机理性强、适用性广的碳氮生物地球化学过程模型;2）利用在青藏高原高寒草甸获取的观测数据，检验优选模型对草地生态系统碳氮循环过程和温室气体排放的模拟能力;3）将所选模型的碳氮循环相关科学过程，无缝地与一个比较成熟的流域水文过程模型耦合，旨在客观地刻画流域水碳氮循环的相互作用，实现一个模型对小流域生态系统生产力（如生态系统净初级生产力或农作物产量等）、水氮流失量（包括总氮、铵态氮、硝态氮三种形态）、碳氮温室气体排放量（包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮三种长寿命气体）和氮污染气体排放量（包括一氧化氮、氨两种短寿命气体）四类目标变量的综合模拟;4）利用一个农林复合小流域的长期同步观测数据，检验和评价耦合模型在小流域尺度上综合模拟多目标变量的能力。 根据三个石灰性土壤地区冬小麦-夏玉米轮作农田一氧化氮(NO)和氧化亚氮(N2O)排放及相关变量的观测结果，比较三个过程模型的模拟性能。对比结果显示，LandscapeDNDC需要改进灌溉相关过程;IAP-N-GAS亟需提升其对碳氮耦合过程的模拟能力;DNDC的碳氮生物地球化学循环过程相对比较完整、成熟。因而，本论文选用DNDC的碳氮循环过程，用以与三维水文过程进行耦合。 本论文在青藏高原典型高寒草地（矮嵩草草甸）开展不同田间处理（包括普通草地和形成时间不同的高原鼢鼠土丘）的观测研究，旨在检验优选模型一DNDC对草地生态系统碳氮循环过程和温室气体排放的模拟能力，为开展流域复杂生态系统碳氮循环过程模拟提供坚实的基础。观测变量包括生态系统呼吸所致的二氧化碳(Re)通量、甲烷(CH4)吸收通量和N2O排放通量及其环境影响因素。观测数据显示:鼢鼠活动会导致草地生产力降低、土壤有机碳丢失，CH4和N2O净排放量增加。所以，应当采取有效措施控制高原鼢鼠的快速繁殖和蔓延，以避免鼠害削弱高寒草甸的温室气体汇功能。模型对普通草地日土壤温度和湿度、地上生物量动态、无机氮含量、CH4和N2O通量的模拟值与观测值具有较好的一致性。充分肯定DNDC碳氮循环科学过程的合理性和普适性。 模型耦合的核心过程是将DNDC的有机质分解、硝化、反硝化和发酵过程模块耦合到金井流域环境模型（简称JCM，建立于湖南金井小流域）的水文模块DHSVM框架内。有机质分解和发酵作用根据一级动力学原理模拟;硝化、反硝化作用采用“厌氧气球”模型，结合一级动力学、米氏方程和Pirt方程共同模拟。模型耦合过程中需要解决的关键科学和技术难题包括植物生长与碳氮循环模块的过程衔接，水文模块优先流过程的扩展，水文模块与碳氮循环模块的变量匹配和碳氮循环模块的时间尺度调整。所建耦合模型暂命名为JCM-DNDC，耦合模型不仅可以模拟小流域的植物生长、碳氮循环和气体排放过程，而且具备对小流域空间内客观存在的纵向和横向水碳氮迁移过程、碳氮形态转化过程及其相互作用过程的模拟能力，为流域多目标碳氮综合调控和可持续发展管理方案探讨提供模拟研究工具。 在亚热带紫色土丘陵区农林复合小流域（位于四川省盐亭县境内），利用丰富可靠的观测数据（日土壤温度和湿度、农作物产量、稻田CH4日排放通量、坡耕地旱作农田和林地N2O日排放通量、地表径流和壤中流日流量及其引起的硝态氮日流失通量、小流域出水口日总径流量和月硝态氮流失总量），初步检验JCM-DNDC的综合模拟性能(模型运行空间分辨率为15m×15m，时间步长为3h)。检验结果显示，JCM-DNDC能够较好地模拟农林复合小流域不同土地利用方式下的土壤气候条件、水分循环、植物生长、碳氮循环和气体排放，以及流域水碳氮的迁移和转化过程。流域模拟结果表明，小流域的氮素损失主要途径是氨挥发和硝态氮流失，损失量分别为1284和408kg Nyr-1，农田是碳氮损失的主要贡献区，降水量和施氮量是流域硝态氮流失的主控因子，基本符合模拟前的预期。耦合模型不仅继承DNDC的碳氮循环模拟能力，而且水文过程机理性和适用性强，可以在无实测水文资料地区推广应用。 本论文的创新点主要体现在:1）采用水文与碳氮生物地球化学过程耦合的方式实现对小流域水碳氮循环过程和四类目标变量的综合模拟，尝试解决流域多目标碳氮综合调控研究中的科学难题;2) JCM-DNDC可以很好地模拟农林复合小流域的水碳氮循环过程，为流域多目标碳氮综合调控研究提供模型工具。 进一步研究需要从以下几个方面深入:1）JCM-DNDC对于其它含氮气体排放和水生生态系统氮素物理化学生物过程的模拟能力需要开展进一步检验，降低目标变量模拟结果的不确定性，提升模拟功能;2）进一步检验JCM-DNDC耦合模型水文过程的普适性，进而在无水文实测资料地区推广应用;3）利用JCM-DNDC进一步开展小流域多目标碳氮综合调控研究，设定不同的水碳氮管理和土地利用方式模拟情景，探讨小流域可持续发展优化管理方案，实现终极调控目标。