流域生態(tài)水文過程與植被響應研究進展

張 寒，王 琳

（中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院/海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室，山東青島266100）

0 引言

生態(tài)水文學作為生態(tài)學和水文學間的交叉學科，注重強調(diào)生態(tài)與水文的關系，揭示了形成生態(tài)格局和生態(tài)過程的水文機制[1-2]。目前，生態(tài)和水文過程的研究方向包括承載力、水安全、水資源配置等，在流域范圍內(nèi)，生態(tài)水文的反饋與響應與流域的景觀變化和生物地球化學過程密切相關[3]。

植被作為生態(tài)水文學研究的核心內(nèi)容，與流域內(nèi)的生態(tài)過程和水文循環(huán)密不可分。一方面，流域的土地利用、氣候條件和水體污染直接影響植被的生長及分布；另一方面，流域降水、下滲、徑流通過植被的截留、吸收、蒸騰，對水文循環(huán)的過程產(chǎn)生重要影響[4-5]。因此，植被與流域生態(tài)水文過程的相互作用已成為領域研究的重點問題之一。由于土地利用方式的不合理，植被覆蓋率逐漸下降，流域的生態(tài)平衡與水文過程受到嚴峻挑戰(zhàn)。保障流域生態(tài)水文過程的正常運轉，使流域的生態(tài)韌性得以充分發(fā)揮，是當前需要解決的關鍵問題。

1 流域生態(tài)過程研究

流域生態(tài)系統(tǒng)是一個相對封閉、邊界清晰的整體，隨時與外界保持物質(zhì)、能量與信息交換[6]。流域生態(tài)系統(tǒng)包括陸生生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)。陸生生態(tài)系統(tǒng)在固碳釋氧、水質(zhì)凈化與水土保持等方面作用顯著；水生生態(tài)系統(tǒng)在淡水供給、污染降解與調(diào)蓄分洪等生態(tài)修復方面發(fā)揮積極效用，陸生與水生生態(tài)系統(tǒng)鑲嵌交錯使流域成為一個整體性強、空間異質(zhì)性高的生態(tài)單元[7-10]。目前，流域生態(tài)過程的研究主要集中在植被覆蓋[11]、水土流失與土壤侵蝕[12]、水體污染治理[13-14]以及流域生態(tài)系統(tǒng)評價[15-17]等方面。

1.1 植被對流域生態(tài)過程的響應

植被覆蓋變化與區(qū)域生態(tài)環(huán)境密切相關，是反映生態(tài)變化的重要指標。研究表明，植被群落的覆蓋度越高，植被生存狀況越好，流域的生態(tài)系統(tǒng)功能越穩(wěn)定[18]，植被覆蓋率的降低加劇了土地利用格局的破碎度，進而影響流域生態(tài)環(huán)境。河岸植被群落的栽植可使河岸穩(wěn)定性提高85%以上，群落根系可有助于穩(wěn)固岸坡，調(diào)洪蓄洪[19]。一定寬度的河岸植被可通過水文過程減弱地表徑流和水體的污染，如草本植物可改變地表粗糙程度，提升地表徑流的下滲能力等[20]。相反，流域生態(tài)環(huán)境狀況也會影響植被群落的生長偏好及分布[21]。水質(zhì)、水量與人類活動是流域植被群落變化的主導因素[22-23]。Isabelle等[24]通過研究河岸植物群落和水質(zhì)間的響應關系，建立了河岸生境恢復規(guī)劃系統(tǒng)，后期將多年的數(shù)據(jù)進行比對，探討生態(tài)修復對河岸生境和水質(zhì)的影響。AjazAhmed等[25]使用不同尺度的數(shù)據(jù)集和功能模型，運用地理加權回歸(GWR)來模擬流域尺度上的森林生態(tài)系統(tǒng)過程，并解釋了美國東南部生態(tài)驅(qū)動力的影響。Robert等[26]整合了帕圖森特河流域時間、空間等復雜性的尺度數(shù)據(jù)，開發(fā)了基于帕圖森特河流域的生態(tài)過程模型，研究了人類活動對流域植物生產(chǎn)力和植被景觀中養(yǎng)分循環(huán)的影響。Wang等[27]對植物—土壤復合系統(tǒng)的生態(tài)需水量進行了評價，分析了基于遙感和GIS技術的植物-土壤復合系統(tǒng)的時空分布特征，論證了林地蒸散發(fā)量與生態(tài)需水量均高于草地。Ren等[28]通過比較2個不同流域造林與自然植被狀況，揭示土壤水分的消耗變化，論證植被種植密度對水資源需求量的平衡。Gautam等[29]運用農(nóng)業(yè)政策環(huán)境擴展(APEX)模型，模擬北阿巴拉契亞試驗流域放牧場對流域地表徑流的影響，得出干草甸比放牧草甸具有更大的生態(tài)效益，并進一步預測了土壤性質(zhì)變化和緩沖帶對徑流的影響。

1.2 植被對流域生態(tài)修復的作用

流域植被的生態(tài)過程受人為因素的干擾最大，其次是氣候因素[30-32]，為控制流域內(nèi)人為和氣候因素造成的水土流失、水體污染等生態(tài)問題，需在充分考慮流域生態(tài)修復原則和植被規(guī)劃的基礎上，對流域制定合理的生態(tài)修復措施[33-34]。Walters[35]指出，在人口密集和高度退化的沿海流域種植喬木林，有助于流域生態(tài)環(huán)境的恢復。Fu等[36]通過監(jiān)測額濟納荒漠河流域不同植物群落的地下水深度、土壤水分、相對葉片含水量和水分利用效率等指標，分析土壤水分和植物生態(tài)對地下水深度和不同植物群落水分利用效率的響應，得出森林植物群落對高水分利用效率物種的生存有利。

2 流域水文過程研究

2.1 土地利用與覆被變化對流域水文過程的影響

土地利用變化所引起的生態(tài)水文響應是水文學研究的核心問題之一，對揭示水文循環(huán)與不同空間尺度生態(tài)系統(tǒng)的相互作用機理具有重要的意義，目前的主要研究方向為探討土地利用對流域地表徑流、泥沙、蒸散、水質(zhì)等方面的影響[37-40]。Vaibhav等[41]以土壤—植被—大氣轉換模式為基礎，探討彭納爾河流域入滲模式的變化對徑流潛力的影響，并指出人類對土地利用的規(guī)劃和管理將直接影響流域的生態(tài)水文過程。Gao等[42]應用CA-Markov模型預測了2028年秦淮河流域分布式土地利用情況，并利用HEC-HMS水文模型研究土地利用變化對流域水文響應的影響。Birhanu等[43]校準并優(yōu)化了概念性降雨-徑流模型(HBV)，評估古馬拉流域土地利用與覆被變化對水分平衡特征（蒸散發(fā)、土壤水分、地下水補給和徑流）的影響。Maryam等[44]將水文模型與土地利用現(xiàn)狀相結合，對加拉茲柴河流域進行研究，評價了協(xié)同管理框架下土地利用變化對水沙負荷的響應，論證了不同土地利用情景對徑流和泥沙的顯著影響。Yalew等[45]將SITE土地利用變化模型和SWIM水文模型相耦合，評估草地生態(tài)系統(tǒng)服務和流域水資源之間的相互作用。

近年來，SWAT水文模型在土地利用變化方面有較多研究成果，重點集中在土地利用變化對徑流量及產(chǎn)沙量等方面的影響[46]。Marian等[47]運用SWAT模型對Owabi流域30年的徑流量數(shù)據(jù)進行模擬，建立了未來水文預測模型。Nikita等[48]基于SUFI-2、GLUE、ParaSol等方法，針對Ganga流域建立了徑流量與土壤侵蝕的SWAT模型，檢驗河道徑流與產(chǎn)沙量方面的適用性。李朝月等[49]應用SWAT模型對壽昌江流域進行產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬，并進行景觀格局分析，得出景觀指數(shù)與產(chǎn)沙模數(shù)間的顯著相關性，建議改善流域土壤侵蝕應考慮流域景觀特征。

2.2 植被變化對徑流的影響

植被變化影響大氣降水的再分配和冠層的截留和蒸散發(fā)，不同植被類型對流域徑流量影響不同[50]。研究表明，闊葉林地對流域徑流量的調(diào)蓄最為明顯，當林地面積減少耕地面積增加時，徑流量隨之增加；反之，徑流量減少[51-53]。王友生[54]通過對2個流域植被變化和降水徑流變化趨勢分析，闡述了植被和降水變化對徑流過程的影響，論證了闊葉林對徑流調(diào)蓄能力最強，灌木林最弱。Rujner[55]利用MIKE SHE降雨模式中的徑流模擬板塊，結合12個灌水區(qū)的試驗數(shù)據(jù)，對草地灌水的水文響應進行模擬，論證草地覆蓋的水力傳導與土壤保持效益。Mirela-Alina等[56]運用MIKE SHE模型對阿格塞爾河流域土地利用管理決策與水文管理措施進行了評估，得出植被參數(shù)、根系深度和經(jīng)驗參數(shù)影響蒸散發(fā)和補給；在非飽和區(qū)，土壤類型對入滲、蒸散和補給功能顯著相關，在飽和區(qū)，基質(zhì)的水導率為主導參數(shù)。Spyridon等[57]通過MIKE SHE模型對斯珀奇奧斯河流域地表徑流滲透到飽和與非飽和帶的過程進行了模擬，后期結合了ArcGIS技術，通過流域植被和地質(zhì)資料對MIKE SHE模型的物理過程進行校準和驗證，并提出了模型的優(yōu)化措施。

2.3 植被變化對林冠截留和蒸散發(fā)的影響

林冠截留是植被生態(tài)功能的重要組成部分，目前的研究主要集中在降水對植被的冠層元素（樹枝、樹葉、樹皮等）之間的相互作用。而降水量和葉面積指數(shù)直接影響林冠層截留效率[58-61]。Gavazzi等[62]基于北卡羅萊納海岸平原十年的自然降水率與強度的變化，描述火炬松林的冠層截留情況，得出林冠截留的年際變異性高于短期的研究報道，區(qū)域水文模型必須考慮林冠截留的可變性因素。Fan等[63]用時間插值方法來模擬熱帶地區(qū)的對流型降水，最終與實際降水數(shù)據(jù)相結合，準確描述了不同植物的冠層蒸發(fā)和蒸騰。Guo等[64]對上海地區(qū)常用景觀樹種的葉面積指數(shù)和蓄水能力進行了測定，并采用截留公式計算了林冠降雨截留能力，模擬了景觀樹木潛在的冠層截留降雨能力及其對降雨分布的影響。Van等[65]比較兩種不同樹冠結構的園林綠化植物的截留損失，得出低枝傾角、薄冠層的樹種可增加降雨過程中的水分損失；越光滑的樹皮、越高的樹枝傾斜度和越深的冠層可減少水分的損失，使得更多的水分轉移到地表或地下。

蒸散發(fā)是流域水文循環(huán)的關鍵。植被的蒸散量與季節(jié)特征顯著相關，由于植被的葉冠、根系等指標不同，因此不同植被類型具有不同蒸發(fā)速率[66-67]。研究表明，流域蒸散量和徑流量與植被的生長季節(jié)、覆蓋程度、覆蓋種類密切相關[68-71]。徐飛等[72]利用WEP-L水文模型模擬清水河流域不同植被垂直帶土壤蓄水及蒸散發(fā)過程，得出林地蒸散顯著高于草地和耕地，徑流深則較小。

3 相關生態(tài)水文模型比較分析

近年來，生態(tài)水文模型法由于其物理機制明確、易操作而在生態(tài)水文學研究中被廣泛應用[73-75]。生態(tài)水文模型非常重視水文過程和生態(tài)系統(tǒng)的關系研究，水分與植被之間的循環(huán)過程是研究的關鍵點，因此生態(tài)水文模擬必須體現(xiàn)生態(tài)—水文間相互耦合的關系。目前，生態(tài)水文過程所具有代表性的分布式模型包含WETSPASS模型[76]、HELP模型、CREST-Snow水文模型[77]、TOPMODEL 模型[78]、TOPOG 模型[79]、SWAT 模型[80-81]、SWIM模型以及MIKE SHE[82]模型。其中SWAT模型與MIKE SHE模型屬于綜合性流域水文模型。TOPMODEL模型重點強調(diào)地貌，通過地貌揭示水文過程，該模型將流域的地形分為集總式單元進行模擬與運算，無法反映同一單元內(nèi)其他地理信息[83-84]。VIC模型可對陸地大氣之間的能量和水量平衡進行模擬，應用尺度較大，因此對短時間內(nèi)水量的模擬精度不夠[85]，另外，該模型適用于面積較大的流域，對于中小流域的水文模擬存在著一定不足。TOPOG模型兼顧植被的蒸騰、截留等水循環(huán)過程，可模擬植物生長以及對水量平衡的影響，尤其對蒸發(fā)散模擬較為詳細，該模型多用于小型流域（10 km2以下），對于較大流域的生態(tài)水文過程應用較少[86-88]。SWAT模型注重水質(zhì)和水量調(diào)控模擬，重點強調(diào)流域范圍內(nèi)土壤侵蝕、泥沙沖淤、產(chǎn)流產(chǎn)污過程的模擬，對植被的生態(tài)水文過程體現(xiàn)不強[89-90]。MIKE SHE模型詳細描述了流域主要水文循環(huán)，包括土地利用、林冠截留、坡面流、融雪、飽和帶和不飽和帶的水流運動及相互作用，能夠更好地表達自然的空間異質(zhì)性，能夠清晰地描述完整的地表—地下一體化水文過程[91]。MIKE SHE模型側重于土地利用變化和氣候變化下的水資源管理和水文預測[92]。在景觀變化方面，與以往的概念模型相比，MIKE SHE模型的參數(shù)細節(jié)表達更清晰，體現(xiàn)了不同水文過程的空間異質(zhì)性和時間連續(xù)性，使模擬的數(shù)據(jù)更加真實可靠[93-94]。

4 結論與展望

流域的綜合整治需各環(huán)節(jié)統(tǒng)籌協(xié)同，以達到最佳效果[95]。其中，生態(tài)水文過程是至關重要的一環(huán)，不同植被對流域內(nèi)的降水、蒸發(fā)、下滲、地表徑流等生態(tài)水文過程具有不同影響[96]。雖然目前對流域植被的生態(tài)過程及水文過程的研究有一定的進展，但仍存在如下問題：目前的研究大都側重單方面，即流域植被的生態(tài)過程或流域植被的水文過程，沒有綜合考慮流域生態(tài)過程與水文過程的失衡問題；應用的生態(tài)水文模型大都注重植被變化對生態(tài)過程或水文過程的單向作用，而對兩者之間的耦合反饋機制分析較少；缺乏強調(diào)植被作用的綜合生態(tài)水文模型。

基于國內(nèi)外植被對流域生態(tài)水文作用的研究總結，建議今后從以下方面對植被在流域生態(tài)水文過程的作用進行深入研究：

加強流域內(nèi)植被的規(guī)劃與種植，達到流域生態(tài)作用與景觀作用相融合，規(guī)劃應多選取適宜當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的鄉(xiāng)土樹種，才更有利于植被對流域生態(tài)水文作用的發(fā)揮；

在流域生態(tài)水文模型的構建中，應著重考慮植被對流域水文過程的作用，完善不同植被種類及生長階段對水文循環(huán)的影響，充分發(fā)揮植被因素對水文模型的彌補作用。

將地理信息技術與生態(tài)水文模型相耦合，并通過模型參數(shù)的優(yōu)化，解決流域生態(tài)過程與水文過程的失衡問題，實現(xiàn)流域的生態(tài)韌性，是今后生態(tài)水文學研究的重點。