流域尺度生態(tài)水文學研究進展及未來研究趨勢

馬 玲，李潤杰，3，郭凱先

(1.青海師范大學地理科學學院，西寧 810008；2.青海省水利水電科學研究院有限公司，西寧 810016；3.青海大學，西寧 810016)

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，在生物圈的物質循環(huán)中起著主要作用，具有棲息地功能、過濾作用、屏蔽作用、通道作用以及源匯功能。河流生態(tài)水文學主要研究的是各種水生動植物的生態(tài)學特征以及河流水文水質變化與水生生物的關系。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。其主要的研究內容包括流域生態(tài)水文過程與功能的研究以及生態(tài)水文模型的建立。水文過程與生物動態(tài)之間的關系是流域生態(tài)水文過程與功能研究的核心內容。研究水文機理以及流域生態(tài)系統(tǒng)與水文過程耦合關系已經(jīng)成為當今水文科學的前沿問題[1]。

國際上流域生態(tài)水文學研究可歸納為3個主要方向：①流域或區(qū)域水文循環(huán)過程中生態(tài)與水文相互作用與影響問題研究生態(tài)過程如何影響流域或區(qū)域的水文循環(huán)過程，包括河道內水生生態(tài)系統(tǒng)對河流水文過程的作用；②流城水利工程措施如何作用和影響流域內的生態(tài)系統(tǒng)，也就是流域水文過程或水文情勢變化對生態(tài)系統(tǒng)有何影響的問題，包括河道內和河道外相關區(qū)域；③生態(tài)水資源問題，研究流域內各種生態(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)水分脅迫的響應機理，前兩個方面可以稱為生態(tài)水文學的水文過程領后者則是生態(tài)水文學的水資源問題領域可以認為生態(tài)水文學是基于水文學和生態(tài)學理論基礎的包含生態(tài)水文過程與生態(tài)水資源兩個理論與實踐相結合的學科體系。

1 文獻來源及其分析

中文以SU=“流域生態(tài)水文”+“生態(tài)水文”+“生態(tài)水文學”+ “水文過程”+“流域生態(tài)”+“流域尺度”+“流域科學”+“水循環(huán)”+“分布式水文模型”，以“主題目錄”功能進行計量分析。其中，因為關中文檢索數(shù)據(jù)庫為中國期刊全文數(shù)據(jù)庫(CNKI)、萬方數(shù)據(jù)庫和維普中文期刊全文數(shù)據(jù)庫。文章以中文獻分析近年來國內森林生態(tài)水文學領域的研究進展及研究熱點。查閱文獻，鍵詞是對文獻的研究內容、方法、對象等的高度概括，所以從關鍵詞的分布可以看出相應研究領域的研究熱點、創(chuàng)新及發(fā)展趨勢。生態(tài)水文學研究熱點、創(chuàng)新及發(fā)展趨勢圖，見圖1。

圖1 生態(tài)水文學研究熱點、創(chuàng)新及發(fā)展趨勢圖

2 流域植被與水文過程的相互作用

2.1 流域植被與水文過程相互作用機制

植被覆蓋和氣候變化對徑流的影響可能具有尺度依賴性，而在生態(tài)環(huán)境脆弱和地質結構復雜的西南喀斯特區(qū)開展研究較少[2]。過去幾十年中，全球氣候變化促使水循環(huán)加快，改變了降水的時空變化，極端水文事件發(fā)生更加頻繁，導致中國南方地區(qū)的洪澇災害在不斷增加，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。植被通過地上部分的林冠截留對降水進行再分配，以及通過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。氣候變化直接導致降水的空間分布、時間變異以及地表蒸發(fā)等的變化來影響流域的徑流量[5-6]。董喆等[7]利用小波分析方法研究了在不同周期下，降水與植被對徑流的調節(jié)作用。Mann-Kendall 趨勢檢驗是研究水文變化趨勢研究的良好方法[8-9]。生態(tài)水文學是研究生態(tài)格局和過程下的水文機制的科學，氣候-植被-土壤的相互作用是其控制性的因素 ，土壤濕度是其關鍵的研究因子。要揭示水文過程 ，包括類型、速率、時間以及不同時間的水文過程發(fā)生的空間特征如何影響生態(tài)過程。研究對于彌補生態(tài)系統(tǒng)對于水文過程響應機制方面的多種不足是必要的 ，但人類社會面臨的客觀事實是：不僅僅是河流生態(tài)系統(tǒng)對于人類社會的影響產(chǎn)生了巨大變化，地球上的整個陸地淡水生態(tài)系統(tǒng)都不同程度面臨著因人類社會對水資源的過度占用而造成的生存威脅。

2.2 流域植被與水文過程相互作用的空間異質性

地表生態(tài)水文過程(eco hydrological process in thesurficial environment)包括植被變化 、土地利用和侵蝕過程、水庫和三角洲的沉積過程 、河系、洪泛平原和濕地之間的關系及地表水過程，并認為生態(tài)水文學的實用性含義(Working definition)是研究在不同時空尺度上水文過程與生物動力過程相綜合的科學。生態(tài)水文學研究是要獲得水資源持續(xù)管理的方案，有明確的學科研究目的，因而筆者認為生態(tài)水文學是研究一定時空尺度上生態(tài)過程與水文過程的耦合演進規(guī)律及成因，探求協(xié)調的生態(tài)水文模式，應用于水資源持續(xù)管理實踐的科學。

水文過程及其變化如何在不同時空尺度上影響生態(tài)過程，生態(tài)系統(tǒng)和陸地表面生態(tài)過程如何反作用于水文過程，如植被系統(tǒng)如何以媒介的方式參與水的輸入、儲存和消耗而作用于整個水文循環(huán)等，是生態(tài)水文學生態(tài)水文過程研究的兩大相互密切關聯(lián)的核心主體和主要內涵。

如果生態(tài)水文過程存在良性循環(huán)，水環(huán)境質量也會愈加改善，不管是涵養(yǎng)水源還是調節(jié)徑流，都會起到保護水環(huán)境的作用[10]。當前國內外學者對水環(huán)境與生態(tài)水文的研究主要體現(xiàn)在被動治理的角度，面對環(huán)境日漸退化和自然資源不斷減少，人們不得不被動地尋找治理水環(huán)境對策，希望通過有效治理恢復水系統(tǒng)。

3 流域水利工程與生態(tài)系統(tǒng)

早期生態(tài)水文學的核心領域，以流域水利工程措施如何作用和影響流域內的生態(tài)系統(tǒng)為主要研究內容。長期以來水利工程如大壩對流域生態(tài)系統(tǒng)的影響就一直是生態(tài)學家研究的熱點問題，提出了許多有關生態(tài)系統(tǒng)對水利工程響應的特征與機理方面的觀點，并逐漸成為決定工程建設規(guī)劃的重要科學依據(jù)，如中國三峽大壩建設規(guī)劃中對長江流域水生生態(tài)系統(tǒng)影響的評估就考慮得非常周密。

重點是大壩的生態(tài)效應，為了滿足人類社會經(jīng)濟發(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)揮作用的同時不可避免地對生態(tài)環(huán)境造成了巨大影響。大壩對魚類最直觀的影響是阻斷了其自由遷移的通道。嚴重影響了魚類的生殖，尤其是對洄游性魚類。國外投入了大量的人力、物力進行保護性研究，在重要的洄游通道上修建魚道，挽救那些受到威脅的物種。大鱗大麻哈魚作為哥倫比亞河流域重要的捕撈魚類，自該流域修建大壩后，其成魚和仔魚難以洄游，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)域立法保護的瀕危魚類。由于大壩的干擾，河流水文情勢發(fā)生明顯均質化現(xiàn)象，魚類生境顯示出強烈的同一化趨勢。河流水文情勢可變性的降低對魚類多樣性的影響很大，流量的變動性降低導致河道復雜性下降，進而降低生境多樣性。

4 生態(tài)水資源問題

經(jīng)過近10a的迅速發(fā)展，生態(tài)水文學的理論與方法在干旱區(qū)流域水資源和生態(tài)環(huán)境問題領域研究中已經(jīng)顯示出其廣闊的應用前景，成為最具活力的干旱區(qū)水文學與生態(tài)學前沿領域，但是正如夏軍教授所指出的，生態(tài)水文學作為新生學科，其發(fā)展和應用過程不可避免的存在許多問題，這也是當今干旱區(qū)水文與水資源學以及生態(tài)環(huán)境領域所面臨的一系列重要的挑戰(zhàn)性任務與課題。隨降水、蒸散發(fā)和暴雨事件的增加，以及生物地球化學過程的顯著改變，陸地淡水生態(tài)系統(tǒng)將如何應對這種劇烈的水文過程變化，是生態(tài)水文過程研究可能面臨的最嚴峻的挑戰(zhàn)和任務，也是全球變化研究的關鍵科學問題之一。

生態(tài)水文系統(tǒng)的相似性和差異性規(guī)律，理解人類活動對生態(tài)水文系統(tǒng)的干擾規(guī)律，為流域資源開發(fā)、災害預防和生態(tài)調控提供科學依據(jù)?？茖W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)水文學中流域尺度上提出的新課題，其核心目標就是要探求在全球變化和人口數(shù)量劇增的情況下，針對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，如何保護淡水生態(tài)系統(tǒng)及其服務功能，如何有效地控制和減少由于水文情勢變化(包括水富營養(yǎng)化和有機污染等)所導致的大范圍生態(tài)系統(tǒng)的退化。水土界面間物質與能量傳輸與變化及其對陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響研究 ，將深化水文生態(tài)學的內涵。

國內外有關生態(tài)需水量的研究成果，可以分為河道內生態(tài)需水量和河道外生態(tài)需水量兩大體系。在河道需水的研究上，研究人員們主要是通過對河流學、水文學、生物學、環(huán)境學和生態(tài)水文學的角度進行的測算。河道內生態(tài)需水量國際上研究較早，其內涵包括生態(tài)系統(tǒng)及其生境維持的非生命系統(tǒng)需水量在內，基本上是河道環(huán)境保護的水量需求這樣一個范疇，早期國外有關生態(tài)需水的概念大都明確局限在維持天然河道內生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的水量需求這樣的內涵范疇，國內由于存在緊迫的區(qū)域生態(tài)需水量評價社會需求，以西北干旱區(qū)生態(tài)需水量研究為重點，發(fā)展較快。

如果要良好地解決水資源短缺問題，相關工作人員應該強化水資源評價工作的研究，并提高重視，對水資源的特點、分布進行深入分析，科學合理運用生態(tài)水文的理念，對水資源配置進行優(yōu)化，從而在規(guī)劃流域水資源的過程中，可以提供準確的依據(jù)作為參考。

5 流域尺度生態(tài)水文學發(fā)展趨勢

在干旱內陸流域，生態(tài)水文過程研究集中在3個方面：①在河源山區(qū)森林帶開展的以森林水源涵養(yǎng)功能觀測研究為核心的森林生態(tài)水文過程研究，在黑河流域祁連山區(qū)這方面的研究已有近30a歷史，在國內具有一定影響；②干旱區(qū)典型植物的水分利用機理和水分脅迫的響應特征等方面相對微觀尺度的生態(tài)水文研究，包括干旱區(qū)土壤結皮的生態(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)及其年內變化規(guī)律的研究。

生態(tài)水文過程研究存在多方面的來自學科交叉與觀念上的和技術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)過程要素中有關水文的一些關鍵性的數(shù)據(jù)和信息積累，如植被結構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，而且存在比水文過程更加復雜和困難的尺度問題。有挑戰(zhàn)就有機遇，正是這些巨大挑戰(zhàn)吸引了越來越多的生態(tài)學、水文學和環(huán)境科學以及人文科學等諸多學科的科學家匯聚到生態(tài)水文科學這一新的交叉學科領域中來，在全球范圍內業(yè)已形成了龐大的專門研究隊伍。中國在有些領域的研究獨具特色，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研究、干旱內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)的高原能水平衡實驗研究等。

干旱區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)的這種水分適應性，使得對以植被生態(tài)為主要對象的生態(tài)需水量計算帶來了更大困難，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)需水量在需水的對象角度就存在很大的隨機性。干旱區(qū)植物的生態(tài)水分適應機理，以植被生態(tài)體系為對象的生態(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)需水量幾個類型。

生態(tài)水文學的理論與方法對于流域的水文學與水資源、生態(tài)學以及可持續(xù)發(fā)展等學科領域的一系列科學問題提供了最富有前景的研究途徑和思路，展望未來，針對全球流域尺度緊迫的水資源與環(huán)境問題，流域生態(tài)水文學的發(fā)展將從生態(tài)水文過程和生態(tài)水資源相關的幾個領域取得突破和需要深入研究。

6 結 語

1)流域或區(qū)域水文循環(huán)過程中生態(tài)與水文相互作用與影響問題研究生態(tài)過程影響流域或區(qū)域的水文循環(huán)過程，包括河道內水生生態(tài)系統(tǒng)對河流水文過程的作用。

2)流城水利工程措施作用和影響流域內的生態(tài)系統(tǒng)，也就是流域水文過程或水文情勢變化對生態(tài)系統(tǒng)有影響，包括河道內和河道外相關區(qū)域。

3)生態(tài)水資源問題，研究流域內各種生態(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)水分脅迫的響應機理，前兩個方面可以稱為生態(tài)水文學的水文過程領后者則是生態(tài)水文學的水資源問題領域可以認為生態(tài)水文學是基于水文學和生態(tài)學理論基礎。