生态系统服务已成为制定流域综合管理策略的重要组成部分。淡水供给服务(FWP)作为生态系统的重要服务类型之一,对其他各项服务具有较强的支撑作用。随着全球人口数量的增加,人类对淡水供给服务的需求量日益增加,气候变化及变异、集约化农业措施等环境因素的变化,直接改变着流域水文循环条件,影响其水量和水质的变化,进而对淡水供给服务产生级联影响。因此,研究淡水供给服务量化及变化环境响应,对流域水土资源的高效利用及生态系统服务效率的提升具有科学意义。本文以美国密西西比河流域上游区(UMRB)为研究区,基于实测径流及水质资料,采用生态系统服务综合指数法对UMRB淡水供给服务进行了量化评价。根据流域水文气象、DEM、土地利用/覆被和土壤等资料,构建了UMRB流域的SWAT模型,通过对模型参数的校准以及水文、水质及作物产量模拟结果的验证,分析探讨了模型的适用性。基于SWAT模型的水文、水质及作物产量模拟结果,对UMRB 14个HUC4子流域的淡水和粮食供给服务进行了量化,并结合标准化降水指数(SPI)、标准化土壤含水量指数(SSWI)和标准化径流指数(SSI),探究了不同干旱类型对淡水及粮食供给服务的影响。运用SWAT模型及两种区域气候模型RCP4.5和RCP8.5排放情景下的气候预测数据,分析评价了FWP效率提升对气候变化及不同最优化管理实践(BMPs)情景措施的响应。主要研究结论如下:(1)UMRB 13个HUC8子流域近20年的淡水供给服务指数(FWPI)整体小于1,FWP明显低于年总径流量,表明各子流域淡水供给服务呈减少态势;敏感性分析结果表明,FWP对各水质成分浓度的敏感性最强,对径流的敏感性次之,而对长期环境需水量的敏感性最弱,说明水质成分浓度对FWP的影响最为明显;年降水量与FWPI之间呈显著负相关关系,当降水量增加时,FWP和FWPI有所减少,究其原因是由于降水量增加的同时,也增大了水体污染物的负荷及浓度,在一定程度上降低了流域水质条件,从而减少了FWP,表明对于集约化管理农业流域,若以增加FWP为管理目标,改善流域水质条件显得非常必要。(2)构建的UMRB流域SWAT模型校准期和验证期13个水文站的确定性系数(R2)、Nash-Sutcliff效率系数(NSE)和百分比偏差(PBIAS)均满足模型评价标准(R2>0.6,NSE>0.5,PBIAS<25%),月径流模拟序列与实测序列的变化趋势基本一致;总氮(TN)、总磷(TP)及泥沙(TSS)月负荷模拟序列与实测序列之间具有显著的线性相关性,实测值与模拟值之间的偏差较小(R2>0.6、PBIAS<70%),TN和TP日实测浓度与模拟浓度基本吻合;多数子流域玉米产量模拟序列与实测序列的PBIAS低于10%,大豆产量实测序列与模拟序列的PBIAS变化位于-18.5%~14.8%。表明所构建的SWAT模型具有较高的模拟精度,能够比较准确地模拟UMRB水文、水质及泥沙变化过程,模型具有良好的适用性。(3)UMRB多数子流域年FWP与12个月时间尺度SSI(SSI12)的相关性整体高于与12个月时间尺度SPI(SPI12)的相关性,说明水文干旱较气象干旱对年FWP的影响更加显著;季节性FWP受夏季和秋季降水盈亏条件的影响较显著,而部分以农耕为主的子流域,春季和夏季FWP与3个月时间尺度SPI(SPI3)呈显著负相关关系,r最小值为-0.61~-0.51,表明这一时期FWP主要受SPI3的影响,这也反映了河流水质条件与其径流丰枯程度的内在关系。(4)多数子流域年FP与3个月时间尺度SSWI(SSWI3)的相关性整体高于与SPI3的相关性,说明FP受作物生育期农业干旱的影响较气象干旱显著;夏季和早秋时期年FP与SPI3和SSWI3具有显著相关性(p<0.05),而冬季年FP与SPI3、SSWI3的r值为-0.3~0.3,p>0.05,表明FP受夏季和早秋降水量和土壤水分盈亏条件的影响较显著,而受冬季降水及土壤水分盈亏状况的影响较小;位于UMRB干流且以农耕为主的多数子流域,春季年FP与SPI3、SSWI3呈显著负相关(p<0.05),说明FP受春季干旱影响相对较小,过剩的水压力反而会抑制作物生长,进而减少粮食供给服务。(5)基准气候期和两种气候模型未来气候期,免耕(NT)、作物覆盖(CC)、植被过滤带(FS)、草皮水道(GW)和各BMPS综合措施(CM)5种BMPs情景措施下的年FWP均有所提高;CM情景下的年FWP提升效率高于单个BMPs情景,主要原因是各BMPs措施的综合实施,能够较大幅度地减少泥沙和营养物负荷及浓度,改善流域水质条件,从而提高了CM情景在各子流域的FWP提升效率;NT和CC情景在以农耕为主的子流域,FWP提升效率相对较高;FS和GW情景在以非农耕为主的子流域中的FWP提升效率相对较高,而在其它以农耕为主的子流域中的FWP提升效率相对低于NT和CC情景,这主要是受农耕区地下瓦管排水的影响,田间部分氮以硝酸盐形式随地下瓦管水流直接排放到河道中,降低了FS和GW情景对氮的削减作用,使得FWP提升效率相对较低。(6)两种气候模型RCP4.5和RCP8.5排放情景的未来气候条件下,UMRB 6个子流域各BMPs情景的FWP提升效率相对于基准气候期均有所提高,表明这些子流域未来气候条件的变化将有利于各BMPs措施提升淡水供给服务效率;然而,CCCmaCan ESM2 RCA4模型两种排放情景的未来气候条件下,Turkey、Peruque-Piasa和Lower Illinois子流域不同BMPs情景的FWP提升效率均有所降低,其主要原因是受未来降水量增加和气温上升的综合影响,过量的污染物负荷由田间运移至河道,使得未来气候期TN、TP和TSS浓度较大幅度增加,降低了水体水质条件,引起未来气候条件下的年平均FWP有所减少,从而可能降低了未来气候条件下各BMPs情景措施提升FWP的效率。本文在学习国外较前沿的生态系统服务量化理论与研究方法,以及BMPs措施改善流域水质条件的基础上,系统研究了大尺度流域淡水供给生态系统服务量化及变化环境响应,期望相关研究结果对改进我国流域水土资源利用综合管理方法、提升生态系统服务效率具有借鉴作用。