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随着人类活动加剧以及水质恶化等问题,华北土石山区水资源短缺日益严重。在全球气候变化背景下,本研究以华北土石山区为研究区域,以水碳循环特征为切入点,将最能反映水碳耦合关系的水分利用效率(WUE)作为研究对象,基于CASA模型和气象、土地覆被、遥感等数据,估算2000-2018年间研究区净初级生产力(NPP),将估算得到的NPP结合蒸散发(ET)计算区域植被WUE,分析植被ET、NPP与WUE的时空分布与趋势特征,基于水碳循环与气象因子及植被因子的关系,探讨区域WUE对气候变化及植被变化的响应,以期定量评价气象因子与植被因子对区域水碳耦合的阈值,研究结果如下:(1)1957-2018年间降水量的平均值是503.5mm,呈不显著下降趋势,平均降值约为0.13-6.57mm/10yr;气温的平均值是8.6℃,有明显上升趋势,平均增温约为0.025-0.46℃/10yr。从2000年到2018年,林地与草地覆盖率呈增加趋势,农地覆盖率减少了 1.96%。(2)2000-2018年间ET的年际变化范围是289.9-462.5mm,总体以3.72mm/yr的速率呈波动上升趋势。年内ET分布不均匀呈单峰型分布,有明显的季节性差异,由大到小的顺序为夏季>春季>秋季>冬季。年平均ET有较为明显的空间异质性,由东南向西北方向逐渐减少,空间年变化率介于-25.8～62.97mm/yr;不同季节ET的空间变化趋势差异较大,其中春、秋季节增加速率为2.01与2.45 mm/yr,夏季增加速率为5.87mm/yr,冬季增加速率仅为0.073mm/yr。不同植被类型ET由大到小的顺序为阔叶林(464.02mm/yr)>混交林(419.20mm/yr)>针叶林(380.35 mm/yr)>灌木(365.72 mm/yr)>草地(341.22 mm/yr)>农地(311.97 mm/yr)。ET 对气象因子的敏感性差异明显,每降水、太阳辐射与气温增加10%时,ET将分别增加3.26%、2.25%与1.05%,而干旱指数每增加10%,ET将减少2.73%,降水是影响ET最突出的气象因子。ET与NDVI及LAI均呈显著正相关,NDVI、LAI每增加10%,ET将分别增加2.07%与1.84%。(3)采用其他模型的模拟结果及MODIS NPP数据对CASA模型估算的NPP值进行对比验证,发现CASA模型对研究区NPP的模拟结果较好,具有一定的可靠性,适用于研究华北土石山区NPP的时空分布与趋势变化。(4)2000-2018 年间 NPP 的年际变化范围是 230.57-498.81gC/m2·yr,总体以 7.18 gC/m2·yr的速率呈波动上升趋势。NPP年内分布不均匀,有明显的季节性差异,由大到小的顺序依次为夏季>春季>秋季>冬季。年平均NPP有较为明显的空间异质性,由东南向西北方向逐渐减少,空间年变化率介于-32.38～45.87 gC/m2·yr。区域内不同植被类型的NPP均呈上升趋势,农地NPP平均增幅为9.27gC/m2·yr;草地NPP平均增幅为6.83 gC/m2·yr;针叶林、阔叶林、混交林在生态恢复工程实施前NPP就已经很高,增幅小于农地与草地,平均增幅分别为4.09、5.86、5.99gC/m2·yr;灌木NPP平均增幅为2.86 gC/m2·yr。2000-2018年间降水、气温、太阳辐射与干旱指数的协同效应可解释68%植被NPP的变化,植被覆被变化是影响区域植被NPP变化的重要因素,将NPP较低的农地面积转换为NPP较高的林地、灌木与草地会导致区域NPP的增加。(5)采用其他模型的模拟结果对WUE的估算结果进行对比验证,发现本研究WUE的模拟结果是合理可信的,适用于研究华北土石山区WUE的时空分布与趋势变化。2000-2018年间WUE的平均值是0.985 gC/mm·m2,表明通过蒸散发每损失1mm的水分,由植被生长固定下来的C02大约有0.985g。年内WUE呈单峰型分布,有明显的季节性差异,由大到小的顺序依次为夏季>春季>秋季>冬季。年均WUE有较为明显的空间异质性,空间年变化率介于-0.265～0.389gC/mm·m2。不同植被类型WUE的动态变化差异明显,由大到小的顺序为林地(1.111 gC/mm.m2)>草地(0.901gC/mm.m2)>灌木(0.832 gC/mm.m2)>农地(0.747 gC/mm.m2)。(6)植被WUE变化主要以LAI、气温、降水为主导因子,累积贡献率为79.43%。2000-2018年间植被WUE与降水量、气温呈二次曲线关系,在年降水量处在490-510mm、年均气温为13℃时植被WUE达到阈值即研究区植被对水分利用程度最高;植被WUE与LAI的关系非线性,当LAI为1.27m2m-2时,植被WUE达到阈值即2.866 gC/mm·m2。