土壤与河流氮磷输送过程，是全球生物地球化学循环必不可少的重要环节。以氮磷排放及取用水调节为主要特征的人类活动改变陆地生态水文过程，进而影响土壤与河流中氮磷迁移及气候系统。量化这些过程及人为扰动影响对深入认识与理解全球氮磷循环及陆气相互作用具有重要意义。然而，目前用于气候模拟的陆面模式缺乏对氮磷输送与人为扰动的定量描述。因此，本博士论文研究目标是发展包含人为扰动和氮磷输送的陆面过程模式，并与气候模式耦合，研究并揭示氮磷排放与水调节对陆面生态水文过程与氮磷输送的影响及其气候效应。围绕上述研究目标，本论文在模式发展及应用方面开展工作，得到主要结果与结论如下:　　(1)在陆面模式CLM4.5的汇流模型中加入了河流温度计算方案，揭示了河流温度时空分布及其对人为热排放的响应。将以河流流量、产流温度、大气强迫及人为热排放等为输入的河流温度参数化方案与汇流模块耦合集成，由此发展了包含河流温度变化的陆面汇流模型。利用所发展模型，针对1981-2010年进行全球模拟验证（0.5°空间分辨率），结果表明:模型能较好地模拟河流温度的季节变化;热带地区温度较高而季节变化较小，温带地区温度适中且四季变化分明，高纬度地区则偏低而冷暖转换迅速;气温、土壤温度及太阳辐射与河流温度的空间相关性较好;夏季，河流温度对气温变化最敏感;人为热排放对热污染地区的河流温度影响非常显著，其中以发展中国家居多的地区受影响程度呈逐年增长的趋势。　　(2)发展了包含人为氮磷排放与河流氮磷输送的陆面模式，探讨了人为排放对河流氮磷输送的影响。基于包含温度变化的陆面汇流模型，考虑土壤氮磷流失、河流氮磷损耗及人为氮磷排放的作用，建立大尺度河流氮磷输送方案，将其与陆面模式耦合，由此发展了考虑人为氮磷排放与河流氮磷输送的陆面模式。利用所发展的模型，取陆面模型分辨率为1°、河网分辨率为0.5°、时段为1991-2010年，进行数值模拟试验，结果表明:考虑水温变化能够有效地降低河流氮磷模拟量在年内的变化幅度并且使得河流无机氮在热带地区减少、高纬度地区增加;施肥能有效提高植被总初级生产力与净初级生产力，同时显著地增加与河流氮磷输送密切相关的土壤氮流失量;施肥与点源排放能显著地增加全球多数河流氮磷通量，且过去20年来其对陆海氮磷输出量的影响呈增加趋势。　　(3)研制了考虑人为水调节对氮磷输送影响的陆面模式，量化了不同水调节过程对陆面过程及氮磷输送的影响。基于考虑人为氮磷排放与河流氮磷输送的陆面模式，进一步耦合全球水库调蓄、地表水取用、地下水开采利用等方案，由此研制了考虑以水调节与氮磷排放为主的人为扰动及河流氮磷输送的陆面模式。利用所发展的模型，针对1991-2000年进行数值模拟试验，结果表明:地表水取用减少河道流量，并通过灌溉等途径增加潜热通量与土壤湿度及产流、降低感热通量与地表温度及土壤温度，进而影响土壤氮分解与磷风化，改变氮磷流失量;水库与地表水取用对河流水量及无机氮磷起了拦截作用，减少河流氮磷;地下水取用效应主要体现在美国中部、印度巴基斯坦及中国华北地区，其中印度地下产流减少量大于地表产流的增加量，导致产流整体上减少;地下水开采区氮流失在印度表现为减少、在伊朗巴基斯坦为增加、在美国中部和中国华北增减情况共存，由此河流氮磷量发生相应改变，但其改变程度小于地表水调节。　　(4)实现了包含人为扰动和氮磷输送的陆面模式与气候系统模式的初步耦合，探讨了多种人为扰动综合作用对陆面、气候以及河流氮磷输送的影响。在地球系统模式CESM1.2.0框架中集成了所发展的包含人为扰动和氮磷输送的陆面模式，并将其与大气模式CAM4耦合，取大气模式分辨率为1°、陆面模型分辨率为1°、河网分辨率为0.5°，分别开展30年陆面离线与初步陆气耦合模拟试验，结果表明:离线模式能刻画人为扰动综合作用对陆面及河流氮磷输送的影响，且模拟的河口无机氮通量与观测量级基本一致;初步耦合试验显示人为扰动使得850hPa层气温有所降低、欧亚过渡带及印度降水显著减少、其余地区降水有所增加，同时人为扰动及其引起的气候效应也影响河流氮磷输送。