淺談流域尺度生態(tài)水文學(xué)研究進(jìn)展
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河流生態(tài)系統(tǒng)指河流水體的生態(tài)系統(tǒng)，屬流水生態(tài)系統(tǒng)的一種，是陸地與海洋聯(lián)系的紐帶，在生物圈的物質(zhì)循環(huán)中起著主要作用，具有棲息地功能、過(guò)濾作用、屏蔽作用、通道作用以及源匯功能。河流生態(tài)水文學(xué)主要研究的是各種水生動(dòng)植物的生態(tài)學(xué)特征以及河流水文水質(zhì)變化與水生生物的關(guān)系。流域生態(tài)水文研究流域主要是指由分水線所包圍的河流集水區(qū)，如河流、湖泊等。其主要的研究?jī)?nèi)容包括流域生態(tài)水文過(guò)程與功能的研究以及生態(tài)水文模型的建立。水文過(guò)程與生物動(dòng)態(tài)之間的關(guān)系是流域生態(tài)水文過(guò)程與功能研究的核心內(nèi)容。研究水文機(jī)理以及流域生態(tài)系統(tǒng)與水文過(guò)程耦合關(guān)系已經(jīng)成為當(dāng)今水文科學(xué)的前沿問(wèn)題［1］。國(guó)際上流域生態(tài)水文學(xué)研究可歸納為3個(gè)主要方向:①流域或區(qū)域水文循環(huán)過(guò)程中生態(tài)與水文相互作用與影響問(wèn)題研究生態(tài)過(guò)程如何影響流域或區(qū)域的水文循環(huán)過(guò)程，包括河道內(nèi)水生生態(tài)系統(tǒng)對(duì)河流水文過(guò)程的作用;②流城水利工程措施如何作用和影響流域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)，也就是流域水文過(guò)程或水文情勢(shì)變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有何影響的問(wèn)題，包括河道內(nèi)和河道外相關(guān)區(qū)域;③生態(tài)水資源問(wèn)題，研究流域內(nèi)各種生態(tài)系統(tǒng)的水資源需求和水消耗規(guī)律，包括不同水供給情況下的生態(tài)水分脅迫的響應(yīng)機(jī)理，前兩個(gè)方面可以稱為生態(tài)水文學(xué)的水文過(guò)程領(lǐng)后者則是生態(tài)水文學(xué)的水資源問(wèn)題領(lǐng)域可以認(rèn)為生態(tài)水文學(xué)是基于水文學(xué)和生態(tài)學(xué)理論基礎(chǔ)的包含生態(tài)水文過(guò)程與生態(tài)水資源兩個(gè)理論與實(shí)踐相結(jié)合的學(xué)科體系。
1文獻(xiàn)來(lái)源及其分析
中文以SU=“流域生態(tài)水文”+“生態(tài)水文”+“生態(tài)水文學(xué)”+“水文過(guò)程”+“流域生態(tài)”+“流域尺度”+“流域科學(xué)”+“水循環(huán)”+“分布式水文模型”，以“主題目錄”功能進(jìn)行計(jì)量分析。其中，因?yàn)殛P(guān)中文檢索數(shù)據(jù)庫(kù)為中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)(CNKI)、萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)和維普中文期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)。文章以中文獻(xiàn)分析近年來(lái)國(guó)內(nèi)森林生態(tài)水文學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展及研究熱點(diǎn)。查閱文獻(xiàn)，鍵詞是對(duì)文獻(xiàn)的研究?jī)?nèi)容、方法、對(duì)象等的高度概括，所以從關(guān)鍵詞的分布可以看出相應(yīng)研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)、創(chuàng)新及發(fā)展趨勢(shì)。生態(tài)水文學(xué)研究熱點(diǎn)、創(chuàng)新及發(fā)展趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖1。
2流域植被與水文過(guò)程的相互作用
2.1流域植被與水文過(guò)程相互作用機(jī)制
植被覆蓋和氣候變化對(duì)徑流的影響可能具有尺度依賴性，而在生態(tài)環(huán)境脆弱和地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的西南喀斯特區(qū)開(kāi)展研究較少［2］。過(guò)去幾十年中，全球氣候變化促使水循環(huán)加快，改變了降水的時(shí)空變化，極端水文事件發(fā)生更加頻繁，導(dǎo)致中國(guó)南方地區(qū)的洪澇災(zāi)害在不斷增加，水生態(tài)環(huán)境在不斷惡化［3］。受到了氣候、植被、土壤、地形和人類活動(dòng)的共同影響，其中植被和氣候變化是引起徑流變化的重要因素。植被通過(guò)地上部分的林冠截留對(duì)降水進(jìn)行再分配，以及通過(guò)地表枯落物和地下根系增加土壤的入滲能力等改變徑流的產(chǎn)生機(jī)制［4］。氣候因素包括降水、潛在蒸散發(fā)以及氣溫等，降水是引起徑流變化最敏感的因子。氣候變化直接導(dǎo)致降水的空間分布、時(shí)間變異以及地表蒸發(fā)等的變化來(lái)影響流域的徑流量［5－6］。董喆等［7］利用小波分析方法研究了在不同周期下，降水與植被對(duì)徑流的調(diào)節(jié)作用。Mann－Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)是研究水文變化趨勢(shì)研究的良好方法［8－9］。生態(tài)水文學(xué)是研究生態(tài)格局和過(guò)程下的水文機(jī)制的科學(xué)，氣候－植被－土壤的相互作用是其控制性的因素，土壤濕度是其關(guān)鍵的研究因子。要揭示水文過(guò)程，包括類型、速率、時(shí)間以及不同時(shí)間的水文過(guò)程發(fā)生的空間特征如何影響生態(tài)過(guò)程。研究對(duì)于彌補(bǔ)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于水文過(guò)程響應(yīng)機(jī)制方面的多種不足是必要的，但人類社會(huì)面臨的客觀事實(shí)是:不僅僅是河流生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于人類社會(huì)的影響產(chǎn)生了巨大變化，地球上的整個(gè)陸地淡水生態(tài)系統(tǒng)都不同程度面臨著因人類社會(huì)對(duì)水資源的過(guò)度占用而造成的生存威脅。
2.2流域植被與水文過(guò)程相互作用的空間異質(zhì)性
地表生態(tài)水文過(guò)程(ecohydrologicalprocessinthesurficialenvironment)包括植被變化、土地利用和侵蝕過(guò)程、水庫(kù)和三角洲的沉積過(guò)程、河系、洪泛平原和濕地之間的關(guān)系及地表水過(guò)程，并認(rèn)為生態(tài)水文學(xué)的實(shí)用性含義(Workingdefinition)是研究在不同時(shí)空尺度上水文過(guò)程與生物動(dòng)力過(guò)程相綜合的科學(xué)。生態(tài)水文學(xué)研究是要獲得水資源持續(xù)管理的方案，有明確的學(xué)科研究目的，因而筆者認(rèn)為生態(tài)水文學(xué)是研究一定時(shí)空尺度上生態(tài)過(guò)程與水文過(guò)程的耦合演進(jìn)規(guī)律及成因，探求協(xié)調(diào)的生態(tài)水文模式，應(yīng)用于水資源持續(xù)管理實(shí)踐的科學(xué)。水文過(guò)程及其變化如何在不同時(shí)空尺度上影響生態(tài)過(guò)程，生態(tài)系統(tǒng)和陸地表面生態(tài)過(guò)程如何反作用于水文過(guò)程，如植被系統(tǒng)如何以媒介的方式參與水的輸入、儲(chǔ)存和消耗而作用于整個(gè)水文循環(huán)等，是生態(tài)水文學(xué)生態(tài)水文過(guò)程研究的兩大相互密切關(guān)聯(lián)的核心主體和主要內(nèi)涵。如果生態(tài)水文過(guò)程存在良性循環(huán)，水環(huán)境質(zhì)量也會(huì)愈加改善，不管是涵養(yǎng)水源還是調(diào)節(jié)徑流，都會(huì)起到保護(hù)水環(huán)境的作用［10］。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水環(huán)境與生態(tài)水文的研究主要體現(xiàn)在被動(dòng)治理的角度，面對(duì)環(huán)境日漸退化和自然資源不斷減少，人們不得不被動(dòng)地尋找治理水環(huán)境對(duì)策，希望通過(guò)有效治理恢復(fù)水系統(tǒng)。
3流域水利工程與生態(tài)系統(tǒng)
早期生態(tài)水文學(xué)的核心領(lǐng)域，以流域水利工程措施如何作用和影響流域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)為主要研究?jī)?nèi)容。長(zhǎng)期以來(lái)水利工程如大壩對(duì)流域生態(tài)系統(tǒng)的影響就一直是生態(tài)學(xué)家研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，提出了許多有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水利工程響應(yīng)的特征與機(jī)理方面的觀點(diǎn)，并逐漸成為決定工程建設(shè)規(guī)劃的重要科學(xué)依據(jù)，如中國(guó)三峽大壩建設(shè)規(guī)劃中對(duì)長(zhǎng)江流域水生生態(tài)系統(tǒng)影響的評(píng)估就考慮得非常周密。重點(diǎn)是大壩的生態(tài)效應(yīng)，為了滿足人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求而修建的水利工程，其主要功能包括蓄水發(fā)電、防洪排澇、拒咸蓄淡、灌溉供水、通航養(yǎng)殖等方面，其發(fā)揮作用的同時(shí)不可避免地對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了巨大影響。大壩對(duì)魚(yú)類最直觀的影響是阻斷了其自由遷移的通道。嚴(yán)重影響了魚(yú)類的生殖，尤其是對(duì)洄游性魚(yú)類。國(guó)外投入了大量的人力、物力進(jìn)行保護(hù)性研究，在重要的洄游通道上修建魚(yú)道，挽救那些受到威脅的物種。大鱗大麻哈魚(yú)作為哥倫比亞河流域重要的捕撈魚(yú)類，自該流域修建大壩后，其成魚(yú)和仔魚(yú)難以洄游，失去了45%的棲息地，種類和數(shù)量都不斷下降，成為該河流區(qū)域立法保護(hù)的瀕危魚(yú)類。由于大壩的干擾，河流水文情勢(shì)發(fā)生明顯均質(zhì)化現(xiàn)象，魚(yú)類生境顯示出強(qiáng)烈的同一化趨勢(shì)。河流水文情勢(shì)可變性的降低對(duì)魚(yú)類多樣性的影響很大，流量的變動(dòng)性降低導(dǎo)致河道復(fù)雜性下降，進(jìn)而降低生境多樣性。
4生態(tài)水資源問(wèn)題
經(jīng)過(guò)近10a的迅速發(fā)展，生態(tài)水文學(xué)的理論與方法在干旱區(qū)流域水資源和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題領(lǐng)域研究中已經(jīng)顯示出其廣闊的應(yīng)用前景，成為最具活力的干旱區(qū)水文學(xué)與生態(tài)學(xué)前沿領(lǐng)域，但是正如夏軍教授所指出的，生態(tài)水文學(xué)作為新生學(xué)科，其發(fā)展和應(yīng)用過(guò)程不可避免的存在許多問(wèn)題，這也是當(dāng)今干旱區(qū)水文與水資源學(xué)以及生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域所面臨的一系列重要的挑戰(zhàn)性任務(wù)與課題。隨降水、蒸散發(fā)和暴雨事件的增加，以及生物地球化學(xué)過(guò)程的顯著改變，陸地淡水生態(tài)系統(tǒng)將如何應(yīng)對(duì)這種劇烈的水文過(guò)程變化，是生態(tài)水文過(guò)程研究可能面臨的最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)和任務(wù)，也是全球變化研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。生態(tài)水文系統(tǒng)的相似性和差異性規(guī)律，理解人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)水文系統(tǒng)的干擾規(guī)律，為流域資源開(kāi)發(fā)、災(zāi)害預(yù)防和生態(tài)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)?？茖W(xué)管理水土界面的相互作用，使得淡水生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)化，就是現(xiàn)階段生態(tài)水文學(xué)中流域尺度上提出的新課題，其核心目標(biāo)就是要探求在全球變化和人口數(shù)量劇增的情況下，針對(duì)河流與洪泛平原生態(tài)系統(tǒng)、沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)等水土界面矛盾突出的陸地生態(tài)體系，如何保護(hù)淡水生態(tài)系統(tǒng)及其服務(wù)功能，如何有效地控制和減少由于水文情勢(shì)變化(包括水富營(yíng)養(yǎng)化和有機(jī)污染等)所導(dǎo)致的大范圍生態(tài)系統(tǒng)的退化。水土界面間物質(zhì)與能量傳輸與變化及其對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響研究，將深化水文生態(tài)學(xué)的內(nèi)涵。國(guó)內(nèi)外有關(guān)生態(tài)需水量的研究成果，可以分為河道內(nèi)生態(tài)需水量和河道外生態(tài)需水量?jī)纱篌w系。在河道需水的研究上，研究人員們主要是通過(guò)對(duì)河流學(xué)、水文學(xué)、生物學(xué)、環(huán)境學(xué)和生態(tài)水文學(xué)的角度進(jìn)行的測(cè)算。河道內(nèi)生態(tài)需水量國(guó)際上研究較早，其內(nèi)涵包括生態(tài)系統(tǒng)及其生境維持的非生命系統(tǒng)需水量在內(nèi)，基本上是河道環(huán)境保護(hù)的水量需求這樣一個(gè)范疇，早期國(guó)外有關(guān)生態(tài)需水的概念大都明確局限在維持天然河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的水量需求這樣的內(nèi)涵范疇，國(guó)內(nèi)由于存在緊迫的區(qū)域生態(tài)需水量評(píng)價(jià)社會(huì)需求，以西北干旱區(qū)生態(tài)需水量研究為重點(diǎn)，發(fā)展較快。如果要良好地解決水資源短缺問(wèn)題，相關(guān)工作人員應(yīng)該強(qiáng)化水資源評(píng)價(jià)工作的研究，并提高重視，對(duì)水資源的特點(diǎn)、分布進(jìn)行深入分析，科學(xué)合理運(yùn)用生態(tài)水文的理念，對(duì)水資源配置進(jìn)行優(yōu)化，從而在規(guī)劃流域水資源的過(guò)程中，可以提供準(zhǔn)確的依據(jù)作為參考。
5流域尺度生態(tài)水文學(xué)發(fā)展趨勢(shì)
在干旱內(nèi)陸流域，生態(tài)水文過(guò)程研究集中在3個(gè)方面:①在河源山區(qū)森林帶開(kāi)展的以森林水源涵養(yǎng)功能觀測(cè)研究為核心的森林生態(tài)水文過(guò)程研究，在黑河流域祁連山區(qū)這方面的研究已有近30a歷史，在國(guó)內(nèi)具有一定影響;②干旱區(qū)典型植物的水分利用機(jī)理和水分脅迫的響應(yīng)特征等方面相對(duì)微觀尺度的生態(tài)水文研究，包括干旱區(qū)土壤結(jié)皮的生態(tài)水文規(guī)律研究;③不同景觀帶植被生態(tài)系統(tǒng)的蒸散發(fā)及其年內(nèi)變化規(guī)律的研究。生態(tài)水文過(guò)程研究存在多方面的來(lái)自學(xué)科交叉與觀念上的和技術(shù)手段上的等諸多困難，面臨的最大挑戰(zhàn)就在于缺乏陸面生態(tài)過(guò)程要素中有關(guān)水文的一些關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)和信息積累，如植被結(jié)構(gòu)如何影響降雨和雪的截留作用、土壤水分的有效性和水氣壓差如何控制著植物功能性組分的蒸騰作用等，而且存在比水文過(guò)程更加復(fù)雜和困難的尺度問(wèn)題。有挑戰(zhàn)就有機(jī)遇，正是這些巨大挑戰(zhàn)吸引了越來(lái)越多的生態(tài)學(xué)、水文學(xué)和環(huán)境科學(xué)以及人文科學(xué)等諸多學(xué)科的科學(xué)家匯聚到生態(tài)水文科學(xué)這一新的交叉學(xué)科領(lǐng)域中來(lái)，在全球范圍內(nèi)業(yè)已形成了龐大的專門研究隊(duì)伍。中國(guó)在有些領(lǐng)域的研究獨(dú)具特色，如黃土高原以土壤侵蝕為核心的植被－土壤－大氣水分交換以及流域尺度的水沙效應(yīng)研究、干旱內(nèi)陸流域不同景觀帶的植被－土壤－大氣間水分傳輸規(guī)律研究和植被的水文響應(yīng)特征研究，以及青藏高原基于高寒生態(tài)系統(tǒng)的高原能水平衡實(shí)驗(yàn)研究等。干旱區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)的這種水分適應(yīng)性，使得對(duì)以植被生態(tài)為主要對(duì)象的生態(tài)需水量計(jì)算帶來(lái)了更大困難，尤其是干旱脅迫一年生植物、干旱脅迫雨季生植物的大量存在，使得生態(tài)需水量在需水的對(duì)象角度就存在很大的隨機(jī)性。干旱區(qū)植物的生態(tài)水分適應(yīng)機(jī)理，以植被生態(tài)體系為對(duì)象的生態(tài)需水量，就存在最小生態(tài)需水量、適宜生態(tài)需水量和最大生態(tài)需水量幾個(gè)類型。生態(tài)水文學(xué)的理論與方法對(duì)于流域的水文學(xué)與水資源、生態(tài)學(xué)以及可持續(xù)發(fā)展等學(xué)科領(lǐng)域的一系列科學(xué)問(wèn)題提供了最富有前景的研究途徑和思路，展望未來(lái)，針對(duì)全球流域尺度緊迫的水資源與環(huán)境問(wèn)題，流域生態(tài)水文學(xué)的發(fā)展將從生態(tài)水文過(guò)程和生態(tài)水資源相關(guān)的幾個(gè)領(lǐng)域取得突破和需要深入研究。
6結(jié)語(yǔ)
1)流域或區(qū)域水文循環(huán)過(guò)程中生態(tài)與水文相互作用與影響問(wèn)題研究生態(tài)過(guò)程影響流域或區(qū)域的水文循環(huán)過(guò)程，包括河道內(nèi)水生生態(tài)系統(tǒng)對(duì)河流水文過(guò)程的作用。2)流城水利工程措施作用和影響流域內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)，也就是流域水文過(guò)程或水文情勢(shì)變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有影響，包括河道內(nèi)和河道外相關(guān)區(qū)域。3)生態(tài)水資源問(wèn)題，研究流域內(nèi)各種生態(tài)系統(tǒng)的水資源需求和水消耗規(guī)律，包括不同水供給情況下的生態(tài)水分脅迫的響應(yīng)機(jī)理，前兩個(gè)方面可以稱為生態(tài)水文學(xué)的水文過(guò)程領(lǐng)后者則是生態(tài)水文學(xué)的水資源問(wèn)題領(lǐng)域可以認(rèn)為生態(tài)水文學(xué)是基于水文學(xué)和生態(tài)學(xué)理論基礎(chǔ)。
作者:馬玲 李潤(rùn)杰 郭凱先 單位:青海師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 青海省水利水電科學(xué)研究院有限公司 青海大學(xué)