松花江流域是我国纬度最高的流域,与世界其他高纬度寒区流域类似,气候变化对流域的影响十分显著,在过去半个世纪里,松花江流域表现为显著的暖干趋势。在气候变化的影响下,流域的水分与物质通量过程发生着深刻的变化,长期以来,松花江流域径流整体呈显著减少趋势,特别是20世纪90年代以来减少趋势更为严重,而随着经济社会的发展,松花江流域水稻种植面积逐年扩大,以农业活动为主的经济社会取用水需求逐渐增大,径流性水资源量的减少与用水需求增加的矛盾造成了松嫩平原地区地下水的严重超采,水资源短缺问题日益严峻。同时,流域内面临严峻的土壤侵蚀与水土流失问题,其中土壤侵蚀的主要形式是由降雨-径流过程驱动的土壤颗粒的输移,此外还伴随着溶解态污染物与吸附于土壤颗粒上的颗粒态污染物的流失,对下游生态环境与人居环境造成了巨大影响。在未来气候变化下,流域的水文水质过程的演变趋势是怎样的,水资源短缺的情势是否再次升级,流域的土壤侵蚀与污染流失程度是否进一步恶化,是当前松花江流域管理中亟待回答的问题。在这样的背景下,本研究以流域水文学、水资源学、环境科学、土壤学、大气科学、地貌学等多学科理论为基础,以水文、气象、地理信息等多元数据平台与野外实验场地为支撑,以规律识别和模型模拟为手段,围绕径流-污染物流失响应机制与气候变化影响两大主题,以响应机制解析-气候变化特征揭示-演变预测及不确定性分析为研究主线,解析了高纬度源区流域不同形态磷素流失对径流过程的响应机制,揭示了流域气候变化及其径流响应特征,构建了高纬度源区流域水循环模型并提出了参数化方案,以此为基础,模拟预测了未来气候变化情景下径流、土壤侵蚀与磷素流失负荷的演变趋势。主要研究成果与结论如下:(1)揭示了不同形态磷素流失对径流的响应机制。研究采用机理实验与规律分析相结合的手段,在典型高纬度源区流域开展污染物流失过程与径流过程的响应机制研究,以不同形态磷素为典型污染物,分析其流失过程对径流过程的耦合响应关系。结果表明,颗粒态磷是磷素流失的主要形式,占总流失量的80～99%,而溶解态磷流失量仅占20%以下。研究在揭示颗粒态磷与泥沙流失量的显著相关性的基础上,基于高纬度源区流域颗粒态磷资料的匮乏与悬移质泥沙资料的易获取性,揭示了不同水文情势和场次尺度下悬移质泥沙流失与径流的耦合响应关系,以此反映颗粒态磷流失与径流的耦合作用关系。研究发现,在大于中流量的流量过程中,累计径流与悬移质泥沙流失量分别占实测期(2006～2014年)的99.4%和98.6%,且在中流量以上的流量过程中悬移质泥沙与径流呈显著的对数线性相关关系(p<0.05);场次洪水事件是泥沙流失的最主要的水文过程,其中实测期中82场场次洪水事件输移了 89～99%的悬移质泥沙,场次尺度下悬移质泥沙流失与径流也表现为显著的对数线性相关关系(R2=0.809,p<0.05),这一结论在场地尺度下降雨-径流实验中也得到验证(R2=0.836,p<0.05)。对于溶解态磷,平均场次溶解态磷流失率为0.41g/hm2,在0～1.74g/hm2之间变化,场次降雨-径流事件下溶解态磷流失量的波动特征与径流量具有较高的一致性,呈显著正相关关系(R2=0.635,p<0.05)。此外,研究通过对比实验的方法定量评估了不同耕作模式对不同形态磷素与泥沙流失负荷的影响,结果表明,少耕和免耕等保护性耕作模式能显著减少颗粒态磷的流失量,但将提高径流中溶解态磷的含量,使其成为磷素流失的主要形式。(2)评估了典型高纬度源区流域气候变化特征及其径流响应。过去50年中饮马河源区流域呈显著增温趋势,特别是1990s开始变暖趋势更为显著;气候变暖趋势的季节性差异较大,主要表现为春、冬的增温现象强于夏、秋两季;降水则呈现微弱增加趋势,主要是春、夏、冬季的降水增加带来,秋季降水有所减少;在这样的背景下,饮马河源区流域的年径流量增加了 34%,在气候突变后还表现出先减后增的波动趋势,特别是2005年后呈单调波动增加趋势;年径流量的增加主要是春、夏季径流的增加带来的,特别是7月径流量则增加了 20.34mm,增幅达63%,秋、冬季径流则较前期有所减少;径流量的年际、年内波动也表现为增强趋势,加剧了径流年际差异性和年内分配的不均匀性;此外,不同水文情势对气候变化的响应也表现不同,主要是峰值流量、高流量和中流量过程呈增加趋势,而启动流量和低流量过程则减少,径流过程的特征改变势必带来污染物,特别是不同形态磷素流失负荷的显著变化。(3)预测了未来情景下典型高纬度源区流域径流与非点源磷素负荷的演变趋势。研究发现到2050年径年径流将增加9～23%,夏季径流量显著增加而春季径流量减少;到21世纪中叶土壤侵蚀/泥沙流失量增加19～50%,致使土壤侵蚀率达6.2～7.8tha-1yr-1,显著高于世界公认的可接受土壤侵蚀率,非点源磷素流失负荷也增加到28.5～35.7 kg/(km2*yr)。上述结果表明,未来情景下高纬度源区流域水资源量呈增加趋势,但季节性差异也在加大,特别是春季的用水缺口可能会增大,同时夏季洪涝灾害的风险提升;随着径流量的增加,特别是夏季径流的增加带来的土壤侵蚀与非点源污染负荷的增加是未来气候变化对高纬度源区流域带来的主要生态环境问题,在农业耕作区域采用少耕、免耕等保护性措施是应对气候变化引起的非点源污染流失的重要措施。(4)解析了气候变化下高纬度源区流域水文水质过程预测中的不确定性来源,重点分析了水文模拟参数不确定性对水文水质过程的影响。气候变化下水文过程模拟与预测不确定性来源主要包括GCM数据的差异、降尺度方法、水文模型结构、水文模型参数、气候变化排放情景等;而磷素流失过程预测的不确定性构成除了水文模拟中的不确定性外,还包括不同形态磷素流失负荷计算方法的不确定性。在此基础上,研究定量评估了不同合理参数组下年、月径流量的不确定性区间,结果表明年径流量表现为增加趋势,平均年径流增幅在0～34%之间变化,最大、最小年径流量的增幅不确定性区间分别在2～38%和17～72%之间,可见气候变暖的趋势带来的径流量增加在枯水年的不确定性更大;月径流量的不确定性区间在0.1～39.4mm之间变化,其中8月径流的不确定性区间最大,且RCP8.5情景下夏季月份的径流不确定性区间要高于RCP4.5情景。