第31卷 第5期
2011年9月
中 国 沙 漠
JO U RN A L O F DESERT R ESEA RCH
V ol. 31 No. 5S ep. 2011
文章编号:1000-694X (2011) 05-1242-05
流域生态水文过程与功能研究进展
杨永刚
1, 2
, 肖洪浪, 赵良菊, 侯兰功, 杨秋, 邹松兵
11111
(1. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所生态水文与流域科学重点实验室, 甘肃兰州730000; 2. 山西大学黄土高原研究所, 山西太原030006)
摘 要:探讨流域生态系统与水文过程耦合关系及水文机理是当今水科学的前沿问题。通过阐述流域生态水文过程与生态水文功能的国内外研究进展, 同位素技术在生态水文研究方面的应用进展。提出了应用同位素技术、水化学方法与景观格局分析法相结合来研究流域不同景观带水文过程及生态水文功能, 来探讨不同生态系统与水文过程的耦合关系及水文机理, 开展流域地下水-土壤-植被作用层水文过程研究。最后展望了今后的研究趋势和重点研究工作, 指出了未来的发展方向。
关键词:生态水文过程; 生态水文功能; 景观带; 同位素中图分类号:X143
文献标识码:A
生态水文学是一门20世纪80年代以后逐步发展起来的新兴交叉学科, 是研究植物如何影响水文过程及水文过程如何影响植物分布生长, 描述生态格局和生态过程水文学机制的一门交叉科学。生态水文学作为水文过程与生态过程耦合研究的一门学科, 已成为水文学科最为活跃的前沿领域。生态水文研究的目的是增加对生态过程与水文过程的理解, 为恢复和建立健康生态水文环境提供理论依据。生态系统格局和生态过程的变化都与水文过程有着密切关系。生态水文学以生态过程和生态格局的水文学机制为研究核心, 以植物与水分关系为基础理论, 将尺度问题贯穿于整个研究之中, 研究对象涉及旱地、湿地、森林、草地、山地、湖泊、河流等。
对水文过程的观测试验和研究一直是资源环境领域的研究重点。生态系统表现出植被和环境要素的关系, 而水文过程是生态系统演替的主要驱动力之一, 控制了植被结构、植被分布格局和生态过程。探讨冰雪-冻土-降水/地下水-生态环境之间的相互作用关系成为当前国际研究热点[4], 认识流域生态系统与水文过程之间的耦合关系, 集成生态恢复技术体系将是今后流域科学发展和实现流域管理的主要任务[5]。
[3][2]
[1]
水文过程和生物动态之间的功能关系, 揭示生态格局和生态过程变化的水文机理。生态水文过程研究重视生态过程和水文过程关系, 重视不同植被与水文过程之间耦合关系的探讨, 以增加对生态水文过程和功能的充分理解并更好地评价和利用它们, 预测生态水文过程变化可能带来的后果, 为良性生态水文的维持和生态水文恢复提供理论依据。通过研究水文过程和生态系统的稳定性、水文过程和生态系统相互作用机制, 可以为生态水文布局及其动态平衡的维持提供理论依据, 为生态演替和水文循环变化及其相互关系提供科学解释和有效依据[7]。生态水文过程研究主要面临以下3个重要科学问题。1. 1 生态水文恢复研究
生态水文过程研究的一个重要科学问题就是生态水文恢复。研究流域水分行为对植被覆盖的敏感性, 水分行为的生态效应, 干旱胁迫条件下的植物生理生态过程及其表现等, 目的是为用植被进行生态水文恢复提供理论依据[8]。1980年Cairns 主编 受损生态系统的恢复过程 一书, 阐述了受损生态修复过程中主要理论和应用问题。1997年Science 连续刊载了7篇关于生态恢复的论文。近20a 来, 世界各国对生态水文环境修复技术进行了大量的研究和实践, 涉及草场恢复、矿山、水体和水土流失等环境恢复和治理工程、水体恢复等研究和示范。中国从20世纪50年代开始就进行退化生态系统的长期定
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1 生态水文过程研究
生态水文过程是指水文过程与生态过程之间的相互作用关系。生态水文过程研究是进行生态水文结构与生态水文功能的机理性探讨, 关键内容是研究
收稿日期:2010-10-04; 改回日期:2010-11-19
基金项目:国家自然科学基金(91025016, 2008ZX07526-002-05) ; 中国科学院西部行动计划项目(KZCX2-XB2-04-03) ; 中国科学院 西部之
光 项目(200801244, [1**********]) 联合资助
, ,
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位观测试验和综合整治研究, 在实践上已形成大批
的小流域生态恢复的成功案例。中国退化生态系统恢复与重建研究侧重于退化生态系统形成原因、解决对策、恢复与重建技术方法、物种筛选以及恢复与重建过程中的生态效应等方面研究, 形成了以生态演替理论和生物多样性恢复为核心, 注重生态过程的恢复生态学研究特色[9]。中国科学院沙坡头沙漠试验研究站开创了降水小于200m m 地区雨养植被生态恢复的先河, 在干旱区退化生态系统恢复领域具有丰富的实践经验与数据积累[10]。不同景观带中的植被可以在多个层次上影响降雨、径流和蒸发, 进而对水资源进行重新分配, 并由此影响水文循环全过程, 不同景观带有不同的水文过程, 从水文过程可以分析出景观带的某些特征。水文过程控制了许多基本生态学格局和生态过程, 特别是控制了基本的植被分布格局, 是生态系统演替的主要驱动力之一, 利用调整水文过程的方法可以很好地控制植被动态与生态系统演替。对流域水文过程与生态系统的研究, 有利于解决生态水文恢复的机理, 如不同水分条件下的多样性变化、植被群落的生态演替与水文过程的关系问题。在小尺度上解决不同胁迫条件下的植物生理生态等生态学的热点问题。1. 2 生态水文过程模拟研究
生态水文过程模拟研究是生态水文过程研究的另一个重要方向。水文条件本身的复杂性以及影响水文行为的要素时空分布的不均匀性和变异性, 增加了研究的复杂性, 生态水文变化难于直接量化。
目前用于生态水文过程研究的模型主要有:用于模拟土壤-植被-大气间物质能量传输过程、植被的水文生态效应分析等方面的SPAC 模型、SV AT 模型、WAVES 模型、SWIM V 模型、PAT TERN 模型等[11-12]; 用于流域生态水文模拟, 但侧重水文过程模拟的RH ES 模型、XAJ 模型、T ANK 模型、SLT 等多个模型[13-14]; 用于森林水文生态过程、植物对水文影响过程等方面研究的RU TT ER 模型、MASSM AN 模型、PH ILIP 模型等; 模拟土地利用变化对水文过程影响的LU CID 模型等[15-17]。地理信息系统(GIS) 和遥感(RS) 的发展极大地推动了生态水文模型的发展。由于各类高精度生态环境空间数据的日益完善及高空间和时间分辨率遥感数据的普及, 基于GIS 及RS 的生态水文模型成为可能, 应用GIS 、RS 和数学模型耦合为量化生态水文变化提供了帮助。虽然近些年来生态水文模型发展较快, 能在某一尺度上使用, 而应用到其他尺度存在再参数化和精度问题。尽管已经有比较多的生态过程和水文过程模型, 但多数模型仍然将生态过程与水文过程分割开来, 不能称作严格意义上的生态水文过程模型。因此, 还需加强生态水文过程耦合模型的研究。传统的流域模型面临的最大问题是建模所需的信息缺乏, 所以只能停留在概念性模型的水平。必须使用水文示踪技术, 尤其是同位素示踪技术。可以为土壤水流规律研究、水文模型结构与参数识别提供更详细的信息, 是未来水文学发展的一个重要方向。1. 3 生态需水研究
生态需水研究是生态学和水文学、水资源学研究的热点领域, 是生态水文学中的一个重要的研究课题。生态需水是维持生态系统结构和谐、稳定, 生态功能稳定运行所必须消耗的水分, 是维护生态环境不再进一步恶化并逐渐改善所需要消耗的水分。生态需水分为两类, 即植被生态需水和环境生态需水[18]。目前生态需水的研究尚处于起步阶段, 国外对生态需水研究大多集中在建立生态水文模型和其参数估算等, 并初步建立了生态需水的计算方法体系, 而对于生态系统的时空变异性和尺度问题的研究进展缓慢, 对于水文、生态、气候之间的相关性还处于探索阶段。所以在以后的研究中, 需考虑生态系统的时空变异特性, 考虑植被的生长季节、生长特性以及各种自然地理条件, 只有这样才能客观真实地评价生态系统在特定时空条件下的需水要求。对生态需水的形成机理研究还较欠缺, 未能从生态水文学的机制上揭示生态需水的规律[19]。未来研究应从影响生态需水的内外因素出发, 对生态需水的理论体系进行综合分析, 针对不同类型的生态系统进行系统的实验研究, 以揭示生态需水规律。相对而言, 国内在生态需水研究方面起步较晚, 但研究进展较快, 近几年来关于生态需水的研究在概念内涵、理论机理、估算方法等方面都有了长足的发展。司
[18]
建华等通过荒漠河岸林土壤-植被-大气系统水热传输模型模拟研究、荒漠河岸林生态系统对水文过程的响应研究和基于生态水文过程的生态需水研究, 通过对叶片、单株、林分和区域4个尺度蒸散耗水特性研究, 对荒漠河岸林生态需水有了一些定量的认识, 明确了荒漠河岸林的需水量问题。冯起等基于生态水文过程的生态需水研究, 利用水量平衡法计算了黑河下游生态需水量。利用实测法计算了黑河下游植被生长期间的生理需水、棵间和斑[19]
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水蒸发量。在额济纳绿洲植被耗水和生态需水量在单株和群落水平上也取得了一定进展, 对整个绿洲尺度上的生态需水量进行了评估, 但还需在个体、群落、生态系统、绿洲景观尺度转换方法上取得突破[18-19]。这些研究成果为中国进行生态环境建设及可持续发展战略的实施提供了理论参考。中国近年来的生态需水研究更侧重陆地生态系统生态需水的研究, 且大多集中于水资源供需矛盾突出及生态环境相对脆弱的干旱、半干旱区。开展生态需水研究是非常必要和迫切的, 需要在今后的研究中将流域的生态过程与水文过程研究紧密结合, 应用新的理论和方法深入开展流域的生态需水研究。
综上所述, 目前国内外对生态系统中植物与水的关系问题、生态水文过程与生态水文格局进行了研究, 对流域内水文过程与生态系统景观格局的耦合关系研究较少, 系统的学科研究还比较薄弱。只有深入研究和认识生态水文学规律, 才能服务于生态环境建设。在生态水文学理论与方法指导下, 揭示生态格局和生态过程的水文学机制, 将会为管理水资源、指导生态环境建设提供科学依据。
[20]
得初步进展。已初步开展了流域尺度生态系统修复
技术、景观格局的变化的生态水文影响以及如何协调天然生态系统与人工生态系统用水关系等方面的研究。在植被和水文相互作用研究方面, 开展了对生态格局和生态过程的水文学机制、水文过程和生态过程的时空耦合研究问题, 即生态水文学的问题, 以及临界、最适合饱和生态需水量问题的研究[26]。目前对于生态水文功能的研究多集中于森林植被水文方面, 也取得了不少成果, 虽然对其中的一些结论还有争议[27], 但在森林生态系统的涵养水源、保持水土与抵御洪涝灾害等方面的作用已得到所有人的共识, 然而对其他植被生态系统的研究较少[28-29]。而且从景观生态学角度探讨源区生态水文功能的研究更是很少。不同的植被格局对流域的水文效应产生不同的影响和作用, 目前大多数研究主要集中在单一的景观格局对流域径流的影响[30], 这是不全面的, 应将源区内不同植被带组成及空间分布格局考虑在内, 进行全流域的系统研究。目前开展水文效应和生态水文功能研究出现的方法主要有植被NDVI 指数、3S 技术与生态水文模型等。程慧艳[32]、刘丽娟[33]、Wainwright [34]运用植被NDVI 指数和景观格局指标对黄河源区草甸草原进行生态功能研究。李崇巍等[35]基于 3S 技术和模型模拟的方法, 对岷江上游植被空间分布格局及其生态水文功
[36]
能进行空间分析研究。杨国靖等结合ArcGIS 和水文模型对大野口河流域和海潮坝河流域的森林景观格局与水文特征进行了比较分析。还有其他学者应用各种生态水文模型进行了相似的研究工作[38-41]。而对不同植被景观带的生态-水文功能研究还非常缺乏, 应用同位素技术, 水化学和景观格局分析法相结合研究流域不同植被带生态水文过程与生态-水文功能方面的研究更是未见报道。
[32][31]
[25]
2 生态水文功能研究
生态水文功能研究重点研究陆地表层生态系统
格局变化与水文过程变化的水文学机理, 揭示流域生态系统与水文过程的相互作用耦合关系, 以指导生态环境脆弱地区保护改善自然景观, 促进生态环境建设与水资源管理[21]。生态系统格局和生态过程的变化与水文过程相关联。水文过程-生态系统的稳定性、水文过程-生态系统协调机制之间的关系组成了基本的生态水文关系[22], 研究水文过程与生态系统过程的耦合机制与规律, 将水文学知识应用于生态建设和生态系统管理, 是流域科学研究的一个重点内容。流域生态水文学着重研究水文过程和生态系统过程之间的耦合关系, 强调尺度转换的机理和过程研究, 开展生态系统的稳定性与水环境的相互关系、流域尺度生态系统修复技术、流域尺度综合、景观格局的变化的生态水文影响以及如何协调天然生态系统与人工生态系统用水关系等方面的研究。从生态水文学的角度出发, 研究水文过程如何影响生态系统的分布、结构、功能和动态, 生物过程的反馈如何影响水文循环。提高对自然和人类活动影响下的环境变化的预测能力, 并揭示其对水资源、社会经济和生态系统的影响, 从生态水文学的角度来研究植被和水文过程的关系是一个重要的途径[24]。
[23]
3 同位素在生态水文研究中的应用
不同水体其同位素组成相对稳定, 可用于判别水的成因和不同水源划分。同位素在流域水文过程研究中的应用, 能有效的避免对自然状况模拟的失真问题, 获得水文基本现象的真实规律。稳定性同位素技术已经在水循环、降雨流量过程线分割、地下水的补给来源和更新周期、土壤水分的时空变化以及根系吸水等诸多方面的研究中得到了应用[42-43]。同位素技术在确定荒漠、森林、河岸及海岸等群落中植物水分来源和利用方面也得到了应用[44-45]。利用稳定同位素技术对不同区域的森林、草原、沙漠农
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因素及植物水分利用来源等生态水文学领域进行了
相关研究[46]。通过比较自然条件下植物、土壤、水源的氢氧同位素, 开展植被水分来源、土壤水分动态变化与植物根系吸水和释水、植物水分利用效率等相关研究工作, 也有较多的论述性报道。同位素技术已经在生态水文学研究领域, 包括各种植被类型的水分利用效率研究, 植物水分利用效率的时空变化, 不同生活型植物水分利用效率的差异, 不同环境梯度下植物水分利用效率的差异, 水分利用效率的影响因素, 植物水分利用源与水分利用效率关系等方面研究中展现其独特优势与其应用前景[49], 在今后生态水文的研究中必将发挥更大的潜力和应用。
[47-48]
过程中的作用以及在维护生态环境中的作用和意义, 促进对生态水文过程和生态水文功能的有效控制与调节, 为解决流域生态需水、植被恢复、生态环境建设、流域水资源评价管理和提高水效益等关键性科学问题提供科学依据与参考, 确保流域水资源的可持续利用。参考文献(Re ferences) :
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目前对水文过程与生态系统耦合关系的研究还
非常薄弱。流域冰川、积雪和冻土等如何影响出山径流以及影响的程度等仍十分模糊。对水文过程以及不同植被景观带的生态-水文功能研究还非常缺乏。至今应用同位素技术、水化学方法和景观格局分析法相结合研究流域不同景观带生态水文过程与生态-水文功能方面的研究更是未见报道。展望未来, 流域不同景观带生态-水文过程与功能的研究应基于野外台站和野外生态水文观测试验, 从生态水文学和景观生态学的角度出发, 结合同位素技术、水化学方法和景观格局分析方法, 以高寒区冰川、积雪、冻土、寒漠、沼泽、灌丛、森林、草甸和草原为研究对象, 在径流分割的基础上, 探讨流域不同景观带的水文过程与生态-水文功能。重点开展以下几方面研究:
1) 应用同位素技术与水化学方法, 分别在枯水期、冰雪融水洪峰期和降水洪峰径流期, 研究流域源区冰川融水、积雪融水、冻土、降水和地下水对出山径流贡献的时空变化规律。
2) 将同位素技术与生态水文模型等多种研究方法融合, 探讨流域不同景观带的产汇流机制与水文过程, 开展流域地下水-土壤-植被作用层水文过程研究, 综合研究不同景观带在水文循环中的作用以及在维持稳定和保护生态和环境中的作用和意义。
3) 观测研究冰雪带、高山寒漠带、沼泽草甸带、高山灌丛带、草甸草原带和山地森林带等典型景观带的水分来源、来水比例及其生态-水文功能。探讨流域水文过程和生态系统相互作用关系及生态系统水源涵养调蓄机制。研究流域水文过程和生态系统耦合关系, 水文过程如何影响生态系统的分布、结构、功能和动态, 同时生态过程的反馈如何影响水文过程。
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Research Ad vances in Ecohydrological Process an d Ecoh ydrological Fun ction
Y ANG Yong -gang 1, 2, XIAO H ong -lang 1, ZH AO Liang -ju 1, H OU Lan -go ng 1, YANG Q iu +1, ZOU Song -bing 1
(1.K ey L aboratory of E cohydrolog y and River Basin Science, Cold and Arid Reg ions Environme ntal and Engineering Research Institute , Chinese Academy of S ciences, L anzhou , Gansu 730000, China; 2. Institute of L oess Plateau , Shanxi Univ ersity , Shanx i Taiyuan 030006, China )
A bstract :Stud y on the co upling relationship between basin ecosystem and hydrological pro cess and its hydrology m echanism has become the internatio nal research frontier in hydrolo gy no wad ays . In this paper the authors sum ma -rize the res earch pro gres s o n eco hydrological pro cess and ecohydrolo gical function at ho me and ab road, and p resent co mbining is otopic technology with hydrochemical metho ds to study hydro lo gical pro cess andecohyd rological function in diff erent land scap e zones, to p rob e into the coupling relatio ns hip b etween ecosystem and eco hydro logical pro cess and its hyd rology mechanism . In the end , the authors look into the future res earch tend ency and key work aspects, and develo ping direction.
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(1. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所生态水文与流域科学重点实验室, 甘肃兰州730000; 2. 山西大学黄土高原研究所, 山西太原030006)
摘 要:探讨流域生态系统与水文过程耦合关系及水文机理是当今水科学的前沿问题。通过阐述流域生态水文过程与生态水文功能的国内外研究进展, 同位素技术在生态水文研究方面的应用进展。提出了应用同位素技术、水化学方法与景观格局分析法相结合来研究流域不同景观带水文过程及生态水文功能, 来探讨不同生态系统与水文过程的耦合关系及水文机理, 开展流域地下水-土壤-植被作用层水文过程研究。最后展望了今后的研究趋势和重点研究工作, 指出了未来的发展方向。
关键词:生态水文过程; 生态水文功能; 景观带; 同位素中图分类号:X143
文献标识码:A
生态水文学是一门20世纪80年代以后逐步发展起来的新兴交叉学科, 是研究植物如何影响水文过程及水文过程如何影响植物分布生长, 描述生态格局和生态过程水文学机制的一门交叉科学。生态水文学作为水文过程与生态过程耦合研究的一门学科, 已成为水文学科最为活跃的前沿领域。生态水文研究的目的是增加对生态过程与水文过程的理解, 为恢复和建立健康生态水文环境提供理论依据。生态系统格局和生态过程的变化都与水文过程有着密切关系。生态水文学以生态过程和生态格局的水文学机制为研究核心, 以植物与水分关系为基础理论, 将尺度问题贯穿于整个研究之中, 研究对象涉及旱地、湿地、森林、草地、山地、湖泊、河流等。
对水文过程的观测试验和研究一直是资源环境领域的研究重点。生态系统表现出植被和环境要素的关系, 而水文过程是生态系统演替的主要驱动力之一, 控制了植被结构、植被分布格局和生态过程。探讨冰雪-冻土-降水/地下水-生态环境之间的相互作用关系成为当前国际研究热点[4], 认识流域生态系统与水文过程之间的耦合关系, 集成生态恢复技术体系将是今后流域科学发展和实现流域管理的主要任务[5]。
[3][2]
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水文过程和生物动态之间的功能关系, 揭示生态格局和生态过程变化的水文机理。生态水文过程研究重视生态过程和水文过程关系, 重视不同植被与水文过程之间耦合关系的探讨, 以增加对生态水文过程和功能的充分理解并更好地评价和利用它们, 预测生态水文过程变化可能带来的后果, 为良性生态水文的维持和生态水文恢复提供理论依据。通过研究水文过程和生态系统的稳定性、水文过程和生态系统相互作用机制, 可以为生态水文布局及其动态平衡的维持提供理论依据, 为生态演替和水文循环变化及其相互关系提供科学解释和有效依据[7]。生态水文过程研究主要面临以下3个重要科学问题。1. 1 生态水文恢复研究
生态水文过程研究的一个重要科学问题就是生态水文恢复。研究流域水分行为对植被覆盖的敏感性, 水分行为的生态效应, 干旱胁迫条件下的植物生理生态过程及其表现等, 目的是为用植被进行生态水文恢复提供理论依据[8]。1980年Cairns 主编 受损生态系统的恢复过程 一书, 阐述了受损生态修复过程中主要理论和应用问题。1997年Science 连续刊载了7篇关于生态恢复的论文。近20a 来, 世界各国对生态水文环境修复技术进行了大量的研究和实践, 涉及草场恢复、矿山、水体和水土流失等环境恢复和治理工程、水体恢复等研究和示范。中国从20世纪50年代开始就进行退化生态系统的长期定
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1 生态水文过程研究
生态水文过程是指水文过程与生态过程之间的相互作用关系。生态水文过程研究是进行生态水文结构与生态水文功能的机理性探讨, 关键内容是研究
收稿日期:2010-10-04; 改回日期:2010-11-19
基金项目:国家自然科学基金(91025016, 2008ZX07526-002-05) ; 中国科学院西部行动计划项目(KZCX2-XB2-04-03) ; 中国科学院 西部之
光 项目(200801244, [1**********]) 联合资助
, ,
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位观测试验和综合整治研究, 在实践上已形成大批
的小流域生态恢复的成功案例。中国退化生态系统恢复与重建研究侧重于退化生态系统形成原因、解决对策、恢复与重建技术方法、物种筛选以及恢复与重建过程中的生态效应等方面研究, 形成了以生态演替理论和生物多样性恢复为核心, 注重生态过程的恢复生态学研究特色[9]。中国科学院沙坡头沙漠试验研究站开创了降水小于200m m 地区雨养植被生态恢复的先河, 在干旱区退化生态系统恢复领域具有丰富的实践经验与数据积累[10]。不同景观带中的植被可以在多个层次上影响降雨、径流和蒸发, 进而对水资源进行重新分配, 并由此影响水文循环全过程, 不同景观带有不同的水文过程, 从水文过程可以分析出景观带的某些特征。水文过程控制了许多基本生态学格局和生态过程, 特别是控制了基本的植被分布格局, 是生态系统演替的主要驱动力之一, 利用调整水文过程的方法可以很好地控制植被动态与生态系统演替。对流域水文过程与生态系统的研究, 有利于解决生态水文恢复的机理, 如不同水分条件下的多样性变化、植被群落的生态演替与水文过程的关系问题。在小尺度上解决不同胁迫条件下的植物生理生态等生态学的热点问题。1. 2 生态水文过程模拟研究
生态水文过程模拟研究是生态水文过程研究的另一个重要方向。水文条件本身的复杂性以及影响水文行为的要素时空分布的不均匀性和变异性, 增加了研究的复杂性, 生态水文变化难于直接量化。
目前用于生态水文过程研究的模型主要有:用于模拟土壤-植被-大气间物质能量传输过程、植被的水文生态效应分析等方面的SPAC 模型、SV AT 模型、WAVES 模型、SWIM V 模型、PAT TERN 模型等[11-12]; 用于流域生态水文模拟, 但侧重水文过程模拟的RH ES 模型、XAJ 模型、T ANK 模型、SLT 等多个模型[13-14]; 用于森林水文生态过程、植物对水文影响过程等方面研究的RU TT ER 模型、MASSM AN 模型、PH ILIP 模型等; 模拟土地利用变化对水文过程影响的LU CID 模型等[15-17]。地理信息系统(GIS) 和遥感(RS) 的发展极大地推动了生态水文模型的发展。由于各类高精度生态环境空间数据的日益完善及高空间和时间分辨率遥感数据的普及, 基于GIS 及RS 的生态水文模型成为可能, 应用GIS 、RS 和数学模型耦合为量化生态水文变化提供了帮助。虽然近些年来生态水文模型发展较快, 能在某一尺度上使用, 而应用到其他尺度存在再参数化和精度问题。尽管已经有比较多的生态过程和水文过程模型, 但多数模型仍然将生态过程与水文过程分割开来, 不能称作严格意义上的生态水文过程模型。因此, 还需加强生态水文过程耦合模型的研究。传统的流域模型面临的最大问题是建模所需的信息缺乏, 所以只能停留在概念性模型的水平。必须使用水文示踪技术, 尤其是同位素示踪技术。可以为土壤水流规律研究、水文模型结构与参数识别提供更详细的信息, 是未来水文学发展的一个重要方向。1. 3 生态需水研究
生态需水研究是生态学和水文学、水资源学研究的热点领域, 是生态水文学中的一个重要的研究课题。生态需水是维持生态系统结构和谐、稳定, 生态功能稳定运行所必须消耗的水分, 是维护生态环境不再进一步恶化并逐渐改善所需要消耗的水分。生态需水分为两类, 即植被生态需水和环境生态需水[18]。目前生态需水的研究尚处于起步阶段, 国外对生态需水研究大多集中在建立生态水文模型和其参数估算等, 并初步建立了生态需水的计算方法体系, 而对于生态系统的时空变异性和尺度问题的研究进展缓慢, 对于水文、生态、气候之间的相关性还处于探索阶段。所以在以后的研究中, 需考虑生态系统的时空变异特性, 考虑植被的生长季节、生长特性以及各种自然地理条件, 只有这样才能客观真实地评价生态系统在特定时空条件下的需水要求。对生态需水的形成机理研究还较欠缺, 未能从生态水文学的机制上揭示生态需水的规律[19]。未来研究应从影响生态需水的内外因素出发, 对生态需水的理论体系进行综合分析, 针对不同类型的生态系统进行系统的实验研究, 以揭示生态需水规律。相对而言, 国内在生态需水研究方面起步较晚, 但研究进展较快, 近几年来关于生态需水的研究在概念内涵、理论机理、估算方法等方面都有了长足的发展。司
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建华等通过荒漠河岸林土壤-植被-大气系统水热传输模型模拟研究、荒漠河岸林生态系统对水文过程的响应研究和基于生态水文过程的生态需水研究, 通过对叶片、单株、林分和区域4个尺度蒸散耗水特性研究, 对荒漠河岸林生态需水有了一些定量的认识, 明确了荒漠河岸林的需水量问题。冯起等基于生态水文过程的生态需水研究, 利用水量平衡法计算了黑河下游生态需水量。利用实测法计算了黑河下游植被生长期间的生理需水、棵间和斑[19]
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水蒸发量。在额济纳绿洲植被耗水和生态需水量在单株和群落水平上也取得了一定进展, 对整个绿洲尺度上的生态需水量进行了评估, 但还需在个体、群落、生态系统、绿洲景观尺度转换方法上取得突破[18-19]。这些研究成果为中国进行生态环境建设及可持续发展战略的实施提供了理论参考。中国近年来的生态需水研究更侧重陆地生态系统生态需水的研究, 且大多集中于水资源供需矛盾突出及生态环境相对脆弱的干旱、半干旱区。开展生态需水研究是非常必要和迫切的, 需要在今后的研究中将流域的生态过程与水文过程研究紧密结合, 应用新的理论和方法深入开展流域的生态需水研究。
综上所述, 目前国内外对生态系统中植物与水的关系问题、生态水文过程与生态水文格局进行了研究, 对流域内水文过程与生态系统景观格局的耦合关系研究较少, 系统的学科研究还比较薄弱。只有深入研究和认识生态水文学规律, 才能服务于生态环境建设。在生态水文学理论与方法指导下, 揭示生态格局和生态过程的水文学机制, 将会为管理水资源、指导生态环境建设提供科学依据。
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得初步进展。已初步开展了流域尺度生态系统修复
技术、景观格局的变化的生态水文影响以及如何协调天然生态系统与人工生态系统用水关系等方面的研究。在植被和水文相互作用研究方面, 开展了对生态格局和生态过程的水文学机制、水文过程和生态过程的时空耦合研究问题, 即生态水文学的问题, 以及临界、最适合饱和生态需水量问题的研究[26]。目前对于生态水文功能的研究多集中于森林植被水文方面, 也取得了不少成果, 虽然对其中的一些结论还有争议[27], 但在森林生态系统的涵养水源、保持水土与抵御洪涝灾害等方面的作用已得到所有人的共识, 然而对其他植被生态系统的研究较少[28-29]。而且从景观生态学角度探讨源区生态水文功能的研究更是很少。不同的植被格局对流域的水文效应产生不同的影响和作用, 目前大多数研究主要集中在单一的景观格局对流域径流的影响[30], 这是不全面的, 应将源区内不同植被带组成及空间分布格局考虑在内, 进行全流域的系统研究。目前开展水文效应和生态水文功能研究出现的方法主要有植被NDVI 指数、3S 技术与生态水文模型等。程慧艳[32]、刘丽娟[33]、Wainwright [34]运用植被NDVI 指数和景观格局指标对黄河源区草甸草原进行生态功能研究。李崇巍等[35]基于 3S 技术和模型模拟的方法, 对岷江上游植被空间分布格局及其生态水文功
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能进行空间分析研究。杨国靖等结合ArcGIS 和水文模型对大野口河流域和海潮坝河流域的森林景观格局与水文特征进行了比较分析。还有其他学者应用各种生态水文模型进行了相似的研究工作[38-41]。而对不同植被景观带的生态-水文功能研究还非常缺乏, 应用同位素技术, 水化学和景观格局分析法相结合研究流域不同植被带生态水文过程与生态-水文功能方面的研究更是未见报道。
[32][31]
[25]
2 生态水文功能研究
生态水文功能研究重点研究陆地表层生态系统
格局变化与水文过程变化的水文学机理, 揭示流域生态系统与水文过程的相互作用耦合关系, 以指导生态环境脆弱地区保护改善自然景观, 促进生态环境建设与水资源管理[21]。生态系统格局和生态过程的变化与水文过程相关联。水文过程-生态系统的稳定性、水文过程-生态系统协调机制之间的关系组成了基本的生态水文关系[22], 研究水文过程与生态系统过程的耦合机制与规律, 将水文学知识应用于生态建设和生态系统管理, 是流域科学研究的一个重点内容。流域生态水文学着重研究水文过程和生态系统过程之间的耦合关系, 强调尺度转换的机理和过程研究, 开展生态系统的稳定性与水环境的相互关系、流域尺度生态系统修复技术、流域尺度综合、景观格局的变化的生态水文影响以及如何协调天然生态系统与人工生态系统用水关系等方面的研究。从生态水文学的角度出发, 研究水文过程如何影响生态系统的分布、结构、功能和动态, 生物过程的反馈如何影响水文循环。提高对自然和人类活动影响下的环境变化的预测能力, 并揭示其对水资源、社会经济和生态系统的影响, 从生态水文学的角度来研究植被和水文过程的关系是一个重要的途径[24]。
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3 同位素在生态水文研究中的应用
不同水体其同位素组成相对稳定, 可用于判别水的成因和不同水源划分。同位素在流域水文过程研究中的应用, 能有效的避免对自然状况模拟的失真问题, 获得水文基本现象的真实规律。稳定性同位素技术已经在水循环、降雨流量过程线分割、地下水的补给来源和更新周期、土壤水分的时空变化以及根系吸水等诸多方面的研究中得到了应用[42-43]。同位素技术在确定荒漠、森林、河岸及海岸等群落中植物水分来源和利用方面也得到了应用[44-45]。利用稳定同位素技术对不同区域的森林、草原、沙漠农
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因素及植物水分利用来源等生态水文学领域进行了
相关研究[46]。通过比较自然条件下植物、土壤、水源的氢氧同位素, 开展植被水分来源、土壤水分动态变化与植物根系吸水和释水、植物水分利用效率等相关研究工作, 也有较多的论述性报道。同位素技术已经在生态水文学研究领域, 包括各种植被类型的水分利用效率研究, 植物水分利用效率的时空变化, 不同生活型植物水分利用效率的差异, 不同环境梯度下植物水分利用效率的差异, 水分利用效率的影响因素, 植物水分利用源与水分利用效率关系等方面研究中展现其独特优势与其应用前景[49], 在今后生态水文的研究中必将发挥更大的潜力和应用。
[47-48]
过程中的作用以及在维护生态环境中的作用和意义, 促进对生态水文过程和生态水文功能的有效控制与调节, 为解决流域生态需水、植被恢复、生态环境建设、流域水资源评价管理和提高水效益等关键性科学问题提供科学依据与参考, 确保流域水资源的可持续利用。参考文献(Re ferences) :
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目前对水文过程与生态系统耦合关系的研究还
非常薄弱。流域冰川、积雪和冻土等如何影响出山径流以及影响的程度等仍十分模糊。对水文过程以及不同植被景观带的生态-水文功能研究还非常缺乏。至今应用同位素技术、水化学方法和景观格局分析法相结合研究流域不同景观带生态水文过程与生态-水文功能方面的研究更是未见报道。展望未来, 流域不同景观带生态-水文过程与功能的研究应基于野外台站和野外生态水文观测试验, 从生态水文学和景观生态学的角度出发, 结合同位素技术、水化学方法和景观格局分析方法, 以高寒区冰川、积雪、冻土、寒漠、沼泽、灌丛、森林、草甸和草原为研究对象, 在径流分割的基础上, 探讨流域不同景观带的水文过程与生态-水文功能。重点开展以下几方面研究:
1) 应用同位素技术与水化学方法, 分别在枯水期、冰雪融水洪峰期和降水洪峰径流期, 研究流域源区冰川融水、积雪融水、冻土、降水和地下水对出山径流贡献的时空变化规律。
2) 将同位素技术与生态水文模型等多种研究方法融合, 探讨流域不同景观带的产汇流机制与水文过程, 开展流域地下水-土壤-植被作用层水文过程研究, 综合研究不同景观带在水文循环中的作用以及在维持稳定和保护生态和环境中的作用和意义。
3) 观测研究冰雪带、高山寒漠带、沼泽草甸带、高山灌丛带、草甸草原带和山地森林带等典型景观带的水分来源、来水比例及其生态-水文功能。探讨流域水文过程和生态系统相互作用关系及生态系统水源涵养调蓄机制。研究流域水文过程和生态系统耦合关系, 水文过程如何影响生态系统的分布、结构、功能和动态, 同时生态过程的反馈如何影响水文过程。
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Research Ad vances in Ecohydrological Process an d Ecoh ydrological Fun ction
Y ANG Yong -gang 1, 2, XIAO H ong -lang 1, ZH AO Liang -ju 1, H OU Lan -go ng 1, YANG Q iu +1, ZOU Song -bing 1
(1.K ey L aboratory of E cohydrolog y and River Basin Science, Cold and Arid Reg ions Environme ntal and Engineering Research Institute , Chinese Academy of S ciences, L anzhou , Gansu 730000, China; 2. Institute of L oess Plateau , Shanxi Univ ersity , Shanx i Taiyuan 030006, China )
A bstract :Stud y on the co upling relationship between basin ecosystem and hydrological pro cess and its hydrology m echanism has become the internatio nal research frontier in hydrolo gy no wad ays . In this paper the authors sum ma -rize the res earch pro gres s o n eco hydrological pro cess and ecohydrolo gical function at ho me and ab road, and p resent co mbining is otopic technology with hydrochemical metho ds to study hydro lo gical pro cess andecohyd rological function in diff erent land scap e zones, to p rob e into the coupling relatio ns hip b etween ecosystem and eco hydro logical pro cess and its hyd rology mechanism . In the end , the authors look into the future res earch tend ency and key work aspects, and develo ping direction.
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