生态水文学概念_框架和体系

'灌溉排水学报2003年2月第22卷第1期JournalofIrrigationandDrainage文章编号:1000646X(2003)01000407X生态水文学概念、框架和体系1,21111夏军,丰华丽,谈戈,王纲胜,朱永华(1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101;2.武汉大学水利水电学院,湖北武汉430072)摘要:生态水文学是水文学和生态学交叉领域的内容,它的出现是为了寻求对环境有利、经济可行和社会可接受的新的、多维的和有效的管理方式。由于生态问题的日益加剧,生态水文学的研究已成为国内外研究的热点问题之一。从生态水文学的发展背景入手,阐述了不同学者对生态水文学概念的理解,初步提出了生态水文学研究的框架和体系。今后,生态水文学机理、尺度转化及不同界面的耦合研究将是生态水文学研究的重点问题。关键词:生态水文学;尺度;框架中图分类号:P33文献标识码:A1生态水文学的发展背景1.1生态水文学的雏形早在联合国教科文组织国际水文计划10年(IHD)(1965～1974年)的末期,过去单纯水文物理学过程的研究逐渐有了环境和生态方面内容,尤其来自其他学科知识的溶入和交叉,如自然地理学、生态学、水文地质学、河流地貌学、土壤物理学等,他们对水文学自身的发展起到了重要推动作用。作者把这些都归结为环境水文学的范畴。因为在这些分支学科中都对水分平衡、营养物质和沉积物质量平衡的物[1]理过程感兴趣,研究的热点是从Kirkby(1978)编著的山坡水文学开始。20世纪70年代,Hynes试图[2]结合生态过程和水文过程。但在过去10～20年间,绝大多数的研究都集中在特定方面,例如无脊椎动物生态和生物监测、鱼类科学,沉积物等方面。20世纪70年代和80年代,发展起来的径流过程数字地形模型提供了土地利用变化对径流、侵蚀、沉积以及水质等影响的空间观点。同时,80年代对酸雨问题的研究激发了相关工作的进展,如在北美和欧洲对水文学和化学之间关系的研究,进一步促进了环境水文学的发展,即使在南半球,水文学团体也在向这一领域接近。1.2生态水文学的提出生态水文学的提出最早是从水陆缓冲带开始的。在世界的许多地区,淡水资源正在成为生态系统和经济发展的限制性因素。但同时对淡水生态系统的各种负面影响仍在不断扩大。根据Popper(1980)对[3]未来的预测,现有的方法已不能解决环境问题。在1992年于都柏林召开的水和环境国际会议上,提出了寻求新的方式解决环境问题,这就是生态学和水文学结合的原因。那么,为什么生态学和水文学的结合能够建立一种新的模式呢?流域的可持续发展不是一种自发的X收稿日期:20030218基金项目:中国科学院知识创新工程项目(KZCX2SW317öCX10GE0108)作者简介:夏军(1954),男,研究员,博士生导师,国家有突出贡献的中青年专家,国际水文科协(IAHS)水资源系统委员会副主席,国际水资源协会(IWRA)常务理事,2000年入选中国科学院“百人计划”.4 过程,而是基于深刻理解水文学、生物机制和流域经济关系基础上的一种策略。在世界的绝大部分地区,这一策略谈论的很多,但具体落实存在许多问题与困难。生态水文学能够满足决策论成功策略行为的二个基本条件:排除威胁和扩大机会。作为提高淡水资源质量的工具,生态水文过程应用的目标之一是减少费用、增加保护和恢复的有效方式,进一步提高系统的可持续性。另一目标就是建立科学家、政策制定者和决策者之间新的关系。因此,在未来应该设立一个项目生态水文学(EH),用以综合大尺度、长[4][4]时间水文过程和生态过程的研究。图1表明了生态水文学在可持续管理中的重要性。图1生态水文学是促进描述性生态学、水生系统的限制性保护和过量的工程上的管理向分析ö功能生态学转变的要素,是对淡水系统创造性的管理和保护(Zalewski,1996)水资源短缺、水质恶化和生物多样性锐减等环境问题的出现,使得生态水文学的研究成为热点问题。早期的生态水文学概念只用于湿地、沼泽、水陆过渡带等水生生态系统。大约从20世纪80年代初期以来,水文学家开始关注其他景观中水与生态过程的相互关系,研究范围不再局限于水生生态系统。国际知名的英国水文研究所在80年代末开始了生态水文学方面的科学研究。90年代末,英国水文研究所正式改名为“生态水文学研究中心”。目前,在生态水文学或水文生态学的研究领域,活跃着一大批科学团体,使得这一领域的研究有了很大的进展。由MaciejZalewski提出的联合国教科文组织国际水文计划(UNESCOIHP)-V(2.3ö2.4)的实施,是生态水文学出版物发行的一个里程碑。当时的主要出版物有Zalewski等人发表的“生态水文学水生资源可持续利用的一个新范例”;发表在“生态工程杂志”中的生态水文学专刊;以Zalews2ki为特约主编致力于生态水文学研究的新期刊等。另外,其他相互独立的专家组也在生态水文学的研究领域中做出了重要贡献,其中包括由Baird&Wilby以生态水文学和Acreman以水文生态学为书名编[5～6]著的2本书。国外对生态水文学的研究成果较多,在我国,生态水文学的研究才刚刚起步。2生态水文学概念尽管出现了大量涉及生态水文学方面的文章,但至今生态水文学或水文生态学还没有一个统一的概念。迄今为止,生态水文学和水文生态学的定义都涉及到生态学和水文学2个学科,一种理解是2个学科的交叉,而另一种理解则认为是一个学科对另一个学科的影响(水文系统对生态系统的影响,反之[7]亦然)。在Eco2hydrology一词中,生态一词是用于修饰Hydrology的,概念更多地强调水文学而不是生态学;而在Hydro2ecology一词中,Hydro2是ecology的修饰语,关注的生态学问题多于水文学问题,主要描述的是水文对生态的影响。目前,生态水文学的定义还处于十分混乱的状态,不仅对生态水文学这一术语有不同的解释,而且对生态水文学和水文生态学的认识也令人迷惑。生态水文学的概念首先由Zalewski等人提出,是指对地表环境中水文学和生态学相互关系的研究。在他后来的文章中认为生态水文学是在流域的尺度上,研究水文和生物相互功能关系的科学,是实5 [8]现水资源可持续管理的一种新方法。同时指出气候、地形、植物群落和动态、人类活动的影响这4个因素决定了环境中水的动态变化,表明在不同的环境中生态过程和水文过程之间的相互关系各不相同。[9]Rodriguez认为生态水文学作为一门学科,是指在生态模式和生态过程的基础上,寻求水文机制的一门科学。在这些过程中,土壤水是时空尺度内连接气候变化和植被动态的关键因子。在他后来的研究中认为植物是生态水文学的核心内容。[10]Nuttle认为生态水文学是生态学和水文学的亚学科,它所关心的是水文过程对生态系统配置、结构和动态的影响,以及生物过程对水循环要素的影响。这一定义聚焦于水文过程在生态系统中所起的作用上,这与Rodriguez所提到的在生态模式和生态过程上研究水文机制的概念相一致。[11]Hatton认为生态水文学需要在质量守恒和能量守恒定律的基础上,在周围环境不同的情况下,[6]研究环境过程的机制。Acreman关于应用水文生态学的定义:是指运用水文学,水力学、地形学和生物学(生态学)的综合知识,来预测不同时空尺度范围内,淡水生物和生态系统对非生物环境变化的响应。另外,水文生态学侧重研究河流及洪泛平原区的水文与生态过程以及建立模拟这二个过程相互作用的模型。在国内,武强等认为生态水文学是一个集地表水文学、地下水文学、植物生理学、生态学、土壤学、气[12]象学和自然地理学等于一体、彼此间相互影响渗透而形成的一门新型边缘交叉学科。王根绪等认为生态水文学是研究水文学和生态学二方面都涉及的科学。有关生态圈与水文圈之间的相互关系以及由[13]此产生的相关问题,就是生态水文学的内涵。在概念上不必区分生态水文学或水文生态学侧重于哪一个学科,二者应理解为生态学和水文学交叉领域的内容,即水文过程对生态系统结构、分布、格局、生长状况的影响,同时研究生态系统(生态系统中植被类型、格局、配置等)变化对水文循环的影响,是一个相互影响的过程。在实际研究中,可根据问题的需要,来决定生态水文学研究的侧重点。如果侧重点在水文学方面:1)主要指在生态系统中的植被类型、格局、配置等发生变化,非生命物质相对稳定的情况下,水文循环变化规律的研究。其中,植被变化起主导作用,一般是在同一气候、坡度、土壤类型等物理因素相同的情况下,研究不同植被类型、格局、配置的产汇流机制。2)或者是在植被类型、格局和配置等不变,而非生命物质(降雨、气温、风速,土壤)变化的情况下,水文循环方面的响应机制研究,这主要是在不同气候带,同一植被类型下的水循环机制研究。3)或生命物质和非生命物质同时发生变化时,水文循环的变化规律等。如果侧重点在生态学方面,则主要研究不同的水文循环形式,如降水,径流等对生态系统结构和功能的影响。即植被类型、格局、生长状况和物质循环、能量流动等对水分循环响应机制方面的研究。据此,可根据当地的水资源量来决定生态建设的规模。3生态水文学研究的尺度和体系3.1生态水文学研究的尺度景观生态学、水文学、气象学及其他相关的地球学科的研究表明,在不同的时间和空间尺度上占主导地位的格局和过程是不同的。因此,在单一尺度上的观测结果只能反映该观测尺度上的格局和过程。[14]由于在不同尺度上结构和功能的异质性或非线性,使得尺度转换变得十分复杂和困难。大自然在不同尺度上受到不同物理定律或至少同一物理定律的不同形式的影响。目前,尺度问题已成为环境科学研[15]究的焦点,也被大多数水文学家确定为首要研究的问题。3.1.1时间尺度Amilcare把时间尺度划分为日尺度、季节尺度和年份尺度。在日的尺度上,研究土壤水分波动对植物的胁迫作用情况;在季节尺度,研究降水和生长季节是否在同一时期及其植被类型、格局的变化等;在[16][17]年份尺度,分析年份间降水波动对生态系统结构和功能的影响。Robert等分析指出在不同的时间尺度上,径流受不同因素的影响。比如在事件尺度上(数小时或数日)洪水水文过程线的形状取决于降水事件和接受雨水流域的特征;在季节尺度上,径流状况主要受物理气候对降水量、融雪和蒸发量的制约所影响;在长时间尺度上(在数十年至数百年)径流受土地利用、气候和人为变化的影响。从上面的分析6 来看,时间尺度的设定与研究者的目标相关,但在现实情况下,不同时间尺度上的主导因素是确定的。3.1.2空间尺度空间尺度一般包括局部尺度、流域尺度和大陆尺度。在局部尺度上,土壤的有效深度不同,对降雨将产生不同的响应,进一步的对植物产生水分胁迫的程度不同。地形对于土壤水的空间分布可能是很重要的。另外坡度和地貌也控制着当地的净辐射输入,因此也影响土壤水的变化。在流域尺度上,侧重于降雨、土壤水、流域几何学特征和植被之间的相互关系研究;在大陆尺度上,则应包括对气候土壤植被整[16]个系统的研究。尺度不同,生态水文学系统呈现出的复杂程度不同。影响水文过程的因素很多,这些因素在不同的时间尺度(短期、中期和长期)和空间尺度(小尺度、中尺度和大尺度)上的重要性不同。因此,在保留主导因素的基础上,需要对研究尺度上的信息进行适当的简化。[16]根据不同的时空耦合层次,Amilcare对气候土壤植被研究系统进行了划分:第一个层次,也是最基本的水平。是指空间尺度在几米的范围内,时间尺度一般指生长季节。在这个尺度上,土壤水动态直接影响植被受水分胁迫的程度,土壤水分是内在因素,是这个层次的主导因素,而降雨的输入和土壤特征可能是外部因素;第二层次则比较复杂。在这一水平上,包括对土壤水分、土壤养分循环和与土壤性能相关的之间的分析,这些因子都关系到植被的动态变化。最后一个层次是最复杂的,它要求在更大的空间尺度上(陆地尺度)对系统进行分析。大尺度的植被格局形成了相应的反射率和蒸发特征,这些特征强烈地影响着大气边界层的动态和对流雨的形成。气候受土壤植物系统反馈的影响,因此气候因子不再是外在的影响因素,而变成了内在的影响因素。这一层次的问题涉及到生态学、水文气象学和水文学体系中其他的新学科知识。3.2研究框架及主要研究内容[18]武强等认为生态水文学的研究包括以下二方面内容:首先是研究水文条件的背景状况和演变历史及其恶化程度;第二就是要研究与水资源开发利用相关联的生态系统的演变历史,其中包括对地表水系(S)、地下水含水层(G)、土壤(S)、植物(P)、大气(A)五者构成的复杂系统的研究。本文认为,按不同的因素划分,生态水文学研究可分为以下几个层面:[18～21]从影响生态水文的主导因素来划分,可分为自然影响和人类活动影响二大因素。人类活动影响引起的水文循环变化重点是土地利用变化对水文循环的影响。在我国,由于农业发展的用水占到总水资源的70%以上,所以灌溉排水对生态水文循环至关重要。需要特别指出:农田灌溉系统是人工生态系统的重要组成部分,灌溉排水是人工侧支水循环的一个重要组成部分。进入21世纪,变化环境下生态水文将面临来自人工侧支水循环影响研究新的挑战问题。关键问题有:开展农田耗水过程的机理研究,即农田水热CO2的传输、作物生长、产量形成过程,并进行定量描述;探讨农田生态系统“土壤根系”界面、“土壤大气”界面、“作物冠层大气”界面的蒸散调控新的技术。在此基础上,提出农业节水模式,即在保证产量的前提下,进行节水技术配套组装,通过降低农田耗水或提高作物产量,大幅度提高作物水分利用效率,形成技术上可靠使用上可行的适合旱作农田、井灌农田、渠井灌农田的节水模式。最后,进行不同作物农田节水潜力的估算与分析。因此,主要研究内容如下。3.2.1农田生态系统耗水过程与机理1)农田生态系统水热传输与作物生长过程的实验研究:他们包括以农业生态系统实验站为基本站点,研究主要农作物在生长过程中,SPAC系统中的水热传输过程,作物的光合作用过程;作物生长与环境因子的关系,特别是与水分的关系。利用实验的方法,探作物生长过程中干物质积累和水分的耗散机制,为农业节水技术的开发应用提供依据。2)农田生态系统水、热传输与作物生长过程的模型研究:在广泛的实验研究的基础上,建立包括土壤水热运移、作物根系吸水、作物蒸腾、土壤蒸发、作物生长诸过程在内的,定量描述作物生长与环境因子关系,能反映节水措施对作物生长和水分耗散过程影响的综合性模型,为综合分析环境因素、节水管理措施的效果和农田灌水管理决策提供工具。7 3.2.2农田水分调控与节水技术1)“土壤根系”、“土壤大气”和“作物冠层大气”界面的水分通量调控技术:在农田SPAC节水机理研究的基础上,系统研究“土壤根系”界面、“土壤大气”界面、“作物冠层大气”界面上有效调控作物生长过程中水分耗散的方法与技术,通过降低地面与作物的水分蒸散,达到节水高效的目的。2)作物生长、产量积累、水分利用与土壤水分的关系及优化用水技术:研究作物的不同生长阶段对土壤水分的反应,土壤水分对作物产量形成、水分利用的影响,确定有限灌溉条件下的供水时间、供水量,建立农田节水优化用水制度及技术。3)水肥时空耦合技术:通常土壤养分主要集中在耕层,作物的根系随生长在土壤中的分布发生变化,在作物地上营养生长结束时,小麦65%左右的根分布在耕层,而土壤水分随土层深度而增加,出现水、肥、根在土壤中的空间分异。通过灌水方式、供肥措施、调控根系等实现土壤水分、养分、根系在空间上的耦合,提高水分利用效率。4)农田节水技术配套集成与节水模式:在保证目前作物产量的前提下,进行节水技术的配套集成,建立旱作、井灌、井渠灌区农田节水模式,降低作物耗水量、减少地下水开采,缓解地下水下降趋势,合理利用降水、地下水、及客水资源。3.2.3区域农田节水潜力1)农田节水尺度转换及区域农田生态系统耗水量评价理论与方法研究:针对常规的农田生态系统耗水量评价方法的缺陷,选取华北平原的典型区域,研究利用遥感信息、地理信息系统、作物模型相结合的农田生态系统的耗水量评价方法,分析不同农业节水措施、气候条件、作物种植情况等变化条件下的农田生态系统耗水量。2)主要农田生态系统节水潜力分析与估算:在节水机理、技术与模式研究的基础上,分析估算华北主要农田节水潜力。3)区域节水效果监测:通过不同点的农田灌水及地下水位变化监测,在区域层面反映节水技术与模式的节水效果,同时也可部分验证节水潜力的估算。[21]由自然因素引起的水文循环变化,重点考虑气候变化对水文循环的影响。系统耦合是水文循环综合集成研究所必需的,而界面过程是系统耦合的基础,只有弄清了各子系统、界面之间的相互作用机理,才能把水循环过程连接和耦合起来,其中生态水文学研究的界面过程包括以下几个部分:1)地表大气界面过程:主要研究地表蒸发受气候条件变化影响的问题;2)植被大气界面过程:主要研究植被蒸腾与大气条件的关系,当前研究的重点主要集中在植物蒸腾气孔传导度光合作用耦合机制研究;气孔冠层阻力的尺度转换等问题;3)土壤水地下水界面过程:主要研究土壤水的有效性及地下水的补给,浅层地下水和土壤水的交换过程与机制;4)植被土壤水界面过程:根系土壤界面的水分传输的研究;植被蒸腾速率、土壤含水量、根系密度分布之间的关系研究;植物受土壤水分胁迫的机制等;5)土壤植被大气界面过程:研究各界面的耦合机制,不同尺度上的信息转换等。从研究尺度来划分:研究尺度包括时间尺度和空间尺度,可分为小尺度、中尺度和大尺度。一般情况下,短时间尺度与较小的空间尺度相对应,长时间尺度与较大的空间尺度相对应。小尺度一般是指在短时间、点或面的尺度上研究生态水文过程,侧重于土壤水分动态、植被对水分胁迫相应机制方面的研究;中尺度一般是指在季节、流域的水平上进行生态水文学研究,侧重于植被类型、植被盖度、植被格局和气候变化对产汇流的影响;大尺度一般指在年份间、整个陆面的层次上进行研究,通过对古气候系列的统计,分析植被的演替规律与气候和水文过程间的关系。当然,也可根据所研究的过程、现象特征或研究本身的需要来定义尺度。从研究的手段上来划分:1)集水区试验研究:通过在典型流域建立的野外试验区和定位台站,利用同位素水文学测定分析的途径,定量分析水生态之间相互作用的关系。研究在不同植被类型、不同盖度、不同格局下的“大气降水8 地表水土壤水地下水”之间的转化循环关系;识别在不同尺度下,流域水循环过程的主导因素,定量在不同界面之间水量的转化关系。从根本上认识大气降水与径流形成的原理,流域水循环的不同补给来源与水流的成因。另外,通过野外试验,研究不同的水文过程对植被生长、分布、格局和配置的影响等。在野外试验的基础上,建立机理模型,寻求最佳的土地利用方式和最合理的生态环境建设规模,为生态恢复提供理论依据。2)数学模拟研究:利用野外试验数据、3S技术,在充分考虑下垫面空间分布不均匀对水文循环影响的前提下,依据不同尺度下流域产汇流的特性,建立新的界面转化关系数学模型。生态水文学研究是确定生态需水规律、生态环境建设规模、水资源合理配置、水土保持措施的重要理论基础,对水资源可持续利用、生态环境保护具有重要意义。4结论生态学和水文学的交叉研究,是实现生态系统可持续利用的一种新的范例,它提出了生态系统管理的多维的和整体性的思路,以寻求对环境有利、经济可行和社会可接受的有效方式。由于生态退化等问题的加剧,生态水文学已成为国际研究的热点问题之一,在国内,研究则刚刚起步。本文从生态水文学的发展历程入手,在总结分析不同学者对生态水文学概念理解的基础上,提出了生态水文研究的框架和体系。今后应加强以下几个方面的研究:1)加强多学科综合研究:在生态学中如何应用水文学、土壤学和大气学数据,在水文学中如何应用生态学、大气学、土壤学等指标,对我们了解生态水文过程非常重要。以前,生态学家、水文学家、土壤学家等一般都独立地工作,进行各自的数据积累和整理,缺乏各种数据的融合研究。今后,在整理、统计和分析原有水文资料及其相对应(同一时空尺度上)的生态、气象和土壤资料的基础上,加强多学科的综合研究,使野外观测的信息能满足生态水文学的需求。2)加强生态水文学机理研究:野外试验研究,不仅要考虑生态类型、植被盖度对水文过程的影响,同时还应考虑生态格局变化下水文过程的相应机制;另外,要加强水文事件及其过程对生态格局、植被类型等的影响研究,寻求不同时空尺度上影响生态水文过程的主导因素,以便建立更符合实际的生态水文机理模型。3)加强不同时空尺度信息的转化研究:尺度转换,特别是尺度放大问题是水文学和生态学研究的热点问题之一,也是难点问题之一。由于下垫面因素、水文参数等空间的变异性,不同尺度的生态水文规律存在差异,而且这种规律不是简单的线性外延或叠加,如何把小尺度的研究成果应用到大尺度上,理论依据是什么?另外,不同界面间的耦合研究也将是工作的重点。4)农田灌溉系统是人工生态系统的重要组成部分,灌溉排水是人工侧支水循环的一个重要组成部分:研究的问题有农田生态系统耗水过程与机理,农田水分调控与节水技术,区域农田节水潜力。参考文献:[1]MikeBonell.Eco2hydrology—acompletelynewidea?[J].HydrologicalSciences2Journal2desSciencesHydrologiques,2002,47(5):809810.[2]HynesHBN.TheEcologyofRunningWater[M].Canada:UnivTorontoOntario,1970.[3]PooerKR.TheOpenSocietyanditsEnemies[M].London:RoutledgeandKeganPaul,1980.[4]ZalewskiM,etal.Ecohydrology2Anewparadigmforthesustainableuseofaquaticresources[M].InternationalHydrologicalPro2grammeIHP2V,1997.[5]BairdAJ,WilbyRL,eds.Eco2hydrology.PlantsandWaterinTerrestrialandAquaticEnvironments[M].London:RoutledgeUK,1999.[6]Acremanmc.Hydro2ecology:LinkingHydrologyandAquaticEcology[M].IAHSPubl,2001.[7]ZbigniewWK.ecohydrology2seekingconsensusoninterpretationofthenotion[J].hydrolSciJ,2002,47(5):799804.[8]ZalewskiM.Ecohydrology.Thescientificbackgroundtouseecosystempropertiesasmanagementtoolstowardsustainabilityofwaterresources[J].EcoEngng,2000,16:18.[9]RodriguezI.Ecohydrology:ahydrologicalperspectiveofclimate2soil2vegetationdynamics[J].WatResourRes,2000,36:39.[10]NuttleWK.Eco2hydrology"spastandfutureinfocus[J].Ecos,2002,83:205.9 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