試述生態水文學的研究進展及發展趨勢

沈志強，盧 杰，華 敏，方江平

(1.西藏大學農牧學院，西藏 林芝 860000；2. 武漢大學資源與環境科學學院，武漢 430079)

水資源問題是21世紀人類面臨的重要資源問題之一。隨著現代科技的進步，人類社會的生存面臨著淡水資源短缺、水質惡化和全球變暖等一系列全球性環境危機的威脅[1]。為了應對當前人類社會出現的環境危機，人們結合其他相關學科，把生態學和水文學的基礎理論和研究方法進行融合，提出了生態水文的概念，以期減輕全球性的環境危機對人類社會的威脅。Ingram在1987年首次提出生態水文學的概念，1992年在都柏林國際水與環境大會上正式提出了生態水文學(eco-hydrology)概念，此后各國的學者開始重視對生態水文學的研究，使得生態水文學得到快速的發展并且成為當前研究的熱點[2,3]。

生態水文學是生態學與水文學的交叉學科，但目前尚未形成統一完整的定義。其研究的核心問題是生態過程與水循環過程之間相互作用機理，研究的理論基礎主要是研究植物和水分之間的關系，研究對象包括旱地、濕地、河流、湖泊和森林等生態系統。它的提出不僅能夠實現人們對水資源的可持續利用，并且對于人類社會生態環境的恢復與發展起到促進作用[4,5]。

1 生態水文學的學科發展歷程

1.1 生態水文學的萌芽孕育階段

這一時期主要是20世紀50年代到80年代。其主要的特點是生態學、水文學相互獨立平衡的發展，并且各學科發展已經成熟，具有可靠的理論基礎和相對完善的研究方法體系。并且在此期間，已經開始提出融合生態學和水文學兩個學科的概念，并得到初步發展，這一時期的發展為生態水文學的出現提供了理論依據。其中，對一些基本科學問題的研究為生態水文學的發展提供了基礎。如Odum在20世紀50年代發表了對河源能量預算基本問題的研究，對以后河流生態系統的模擬研究奠定了理論基礎；而到了20世紀70-80年代，明確提出了河流生態學的概念并且進行了關鍵性理論研究，為生態水文學的出現奠定了扎實的基礎。緊接著出現的河流連續體概念、序列不連續體概念、洪水脈動概念和河流生產力模型則進一步為生態水文學的產生創造了基礎條件。

本階段的研究特點是以河源能量平衡計算基本理論為依據，研究天然河流系統中的淡水資源以及生物資源的時空分布格局和內在聯系，并且提出了一系列新的概念，為實現區域淡水資源和生物資源的可持續利用奠定了理論基礎。

1.2 生態水文學概念的提出和學科初期的研究探索階段

這一階段主要是20世紀90年代，前期一系列新概念的提出為生態水文學的產生和發展奠定了堅實的基礎，1992年在都柏林國際水與環境大會上正式提出了生態水文學的概念。在生態水文學學科的發展初期，濕地生態系統的水文和生態過程成為各國學者的研究熱點。如在Ingram[7]對蘇格蘭泥炭地的生態水文過程進行研究之后，Bragg利用模擬的方法對蘇格蘭一個上升濕地抽取泥炭的生態水文過程進行了模擬；Jansen和Hensel等分別對平坦濕地和天然濕地中的生態水文過程進行了研究，并且開始嘗試利用新的模型方法對濕地生態系統中的生態和水文過程進行模擬。

在本階段的研究特點是：一方面，各國的研究者們開始對生態水文學的研究框架和關鍵參數進行了實質性的探討和計算，并且取得了很大的進展。另一方面，開始考慮采用建立模型的方法對生態水文學的生態和水文過程進行模擬。這一階段生態水文學研究最大的進展就是更加重視生態水文學研究過程中的難點與尺度問題，并且開始考慮其他因素所帶來的影響，如氣候的變化。

1.3 以實踐為基礎的生態水文學的研究發展階段

這一階段主要是指20世紀90年代中期及以后，本階段生態水文學研究面臨的最大問題就是如何平衡生態學和水文學在水資源問題研究中過程中存在的分歧，以及如何實現生態學和水文學兩個學科在時空尺度上的匹配并且實現“無縫整合”。本階段最具代表性的生態水文學的研究進展是UNESCO/IHP-V2.3、2.4(1995-2001)執行的生態水文過程專項研究。該專項研究對生態水文學的發展起到了極大的促進作用。

本階段各國學者開始分別對森林、草地、濕地、河流等生態系統類型進行了專門的研究。一方面，開始對水文過程中水文格局變化所帶來的生態效應以及尺度效應進行研究；另一方面，對與生態水文學相關的模型和制圖也進行了探索。這一階段生態水文學研究的重點是對水文過程中水文格局變化所產生的生態效應方面[8,9]。

2 生態水文學的研究內容

2.1 森林生態水文過程

1948年，Kittredge首次提出了森林水文學的概念，他把森林對水影響的重要方面(包括河流、降水、洪水和土壤水)單獨地稱為森林水文學，他的提出受到了各國學者的重視并且進行了更深入的探討，促進了森林水文學的發展。

經典森林水文學的研究內容包括森林水分循環的整個過程[6]，即對森林水分的各項水文氣象要素進行測定，并且對于降水在森林中的再分配以及森林的水文效應進行重點研究。其具體的研究內容包括大氣降水(降雪、降雨等)、森林截留、下滲與滲透、蒸發散、土壤水分、森林流域徑流、流域水文模型的模擬、水質測定等，由于森林水文學的研究涉及多個不同的學科，因此，對森林水文學的研究要采用小流域綜合試驗與水量平衡研究相結合的研究方法。

2.2 濕地生態水文研究

20世紀90年代Wassen等學者認為生態水文學是一門能夠更好地理解濕地生態系統自然發育以及幫助評價濕地生態系統價值、保護和恢復濕地生態系統的應用學科。

濕地生態水文研究的主要內容包括對濕地水文循環過程研究、濕地水文情勢研究以及濕地水量平衡研究。其中濕地的生態過程、濕地的水過程以及水系統等方面已經成為國內外學者研究的熱點。

2.3 旱地生態水文研究

John Wain-wright、Mark Mulligan和John Thornes論述了旱地的生態水文過程。他們研究了旱地植物如何應對比較少而且又無規律的降水量以及植物對旱地徑流的影響。空間上，對旱地大尺度條件下大氣傳輸(SVAT)-植被-土壤與旱地小尺度過程的相互之間的影響進行了討論。時間上，從氣候變化的角度出發，對地中海地區植被演化的問題進行了討論。

目前旱地生態水文學的研究主要集中在：小尺度上不同時間植被對氣候變化的影響；不同區域尺度上的植被對干旱區徑流和侵蝕的影響；大尺度上大氣水汽傳輸-土壤-植被與小尺度的生態水文過程之間的相互影響；對土地退化和荒漠化的水文學機制進行描述以及建立全球變化的反饋機制模型；對地中海植被隨氣候變化的演化過程進行研究。

2.4 流域生態水文研究

流域主要是指由分水線所包圍的河流集水區，如河流、湖泊等。其主要的研究內容包括：流域生態水文過程與功能的研究以及生態水文模型的建立。

水文過程與生物動態之間的關系是流域生態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系統與水文過程耦合關系已經成為當今水文科學的前沿問題。

2.5 城市生態水文研究

城市水文研究開始于20世紀60年代的歐美等國，屬于一個比較年輕的學科，在其發展過程中，許多學者對其進行過相關研究與探索，美國德呂爾列出了城市水文研究在1850-1981年間研究工作的大事件表。麥克菲森進一步把其劃分為三個階段：孕育階段(1850-1966年)，對城市某一地區進行研究，部分解決城市水文問題；研究階段(1967-1974年)，研究并提出綜合性模擬模型，如SWMM、STORM等，這一時期是城市水文學研究發展最快的時期；推廣應用階段(1975年以后)，城市水文研究已經成熟，能夠驗證并修訂模型，使其更加貼近客觀實際，提高了模型的精度與應用。

目前城市生態水文的研究主要集中在：城市化對水循環過程影響，包括對降水、蒸發等方面的影響；對洪澇災害的影響，城市不透水面積擴大，洪水徑流量增大，易增大洪災的風險；城市化對水生態系統的影響，包括對河流生態、河網水系及水土流失的影響，隨著城市的發展，容易改變水環境；城市化對水資源的影響，包括對水量、水質等方面的影響。

3 生態水文模型

水文模型是研究水文規律，對水文過程進行概化描述，從而對水資源的合理配置提供科學方法。對水文模型的研究已經成為當今的一些研究熱點，其在水資源的合理開發利用等方面發揮著巨大的作用。生態水文模型通過生態水文模擬，可以定性分析生態水文響應的變化并進行定量研究，是揭示生態水文過程的模型。目前常用的生態水文模型見表1。其中，SHE模型適用于流域尺度，而TOPOG適用于小流域尺度；SWIM適用于中尺度；SWAT適用于大尺度；SVAT適用于各尺度；而DEMNAT-2則適用于全國與區域尺度。對集總式水文模型與分布式水文模型的研究較多。

表1 生態水文模型及其應用Table 1 Select eco-hydrological models and their application field

(1)集總式水文模型。集總式水文模型在模型的輸入和輸出之間加入了流域內的水文過程對流域水文的影響，對系統中植被截留、土壤入滲、土壤及地表徑流以及坡面匯流的過程進行精確計算，能夠對流域的徑流過程進行模擬。但是其無法體現流域的空間異質性，對流域內局部地區人為因素的干擾也無法進行模擬和預測，也不能很好的體現水文過程。

(2)分布式水文模型。分布式水文模型考慮了植被、土壤、地貌等自然要素對流域水文過程的綜合影響，把流域分成一系列的子單元，認為每個單元內部的自然要素是相對一致的，并且詳細考慮了各個單元之間的水分流動和交換過程。分布式水文模型能夠對生態過程與水文過程耦合，能夠更加微觀對水分循環過程進行研究，但是比集總式模型需要更多的數據輸入，很難進行校正與推理。有研究認為把水文機理模型和地理信息系統相結合后建立的分布式水文模型將是21世紀生態水文學的研究重點和熱點。

4 生態水文學在中國的發展狀況

我國對于生態水文學的研究起步比較晚，最早是在21世紀之后才開始的，其中王根緒等(王根緒等，《生態水文科學研究的現狀與展望》)最先開始進行生態水文學的相關研究工作。目前，國外已經對生態水文學及地表生態水文格局進行了廣泛與深入研究，但是我國對生態水文學的研究主要集中在在森林，干旱/半干旱地區以及濕地等區域，研究的區域有限，局部領域研究較多。并且學科的基礎研究還比較薄弱，其理論框架和方法體系尚未完全建立，因此，我國應該加強對生態水文學的研究，以期為我國人類社會的可持續發展提供理論基礎與技術支撐。

5 生態水文學的發展趨勢

(1)生態水文學機理研究。生態水文學是生態學和水文學的交叉學科，生態水文學研究最大的問題就是如何實現生態學和水文學兩個學科的“無縫整合”以及如何平衡好生態學和水文學在水資源研究中的分歧，為將來統一生態水文學的概念奠定理論基礎。要對生態水文學的機理進行深入的研究，首先要對學科研究的術語進行嚴格的定義。其次，不同尺度條件下的研究內容要有不同的研究目的。解決多尺度生態水文過程中尺度轉換將會是未來生態水文學研究過程中的重點和難點[10-12]。

(2)尺度問題。尺度問題不僅是生態學和水文研究過程中最大的障礙，同時也是生態學和水文學耦合研究過程中最大的障礙。尺度轉換，特別是尺度放大問題是水文學和生態學研究的熱點問題。如何把小尺度的研究成果應用到大尺度上以及不同界面間的耦合研究將會是各國學者研究的重點和難點。

(3)模型的建立。實現生態水文學長遠發展的關鍵是要建立生態水文模型。當前被廣泛認可的有代表性的生態水文模型系統主要有SWAT模型、MIKESHE模型、SPLASH模型、DELFT模型等[6]。如何將水文學模型和生態學模型進行一體式緊密耦合以及能夠進行高精度的模擬和預測，是當前生態水文學研究熱點。

(4)生態水文修復。為了應對日趨惡化的自然環境問題，生態水文修復已經成為當前眾多學者研究的熱點之一。由于目前生態修復的評價指標并沒有統一的衡量標準，因此需要建立一個合理評價指標體系。楊國憲利用遙感技術和地理信息系統技術對生態系統的影響因子進行空間時空疊加分析[13]，提出了具有可操作性的生態修復技術。

(5)注重長期定位研究。對生態水文學短期的研究并不能解決學科發展過程中存在的問題，只有開展長期的定位研究才能發現生態水文學規律，才能促進生態水文學長遠的發展。目前長期定位研究的發展趨勢是長期定位網絡化。要把先進的自動化技術和計算機技術結合起來，對實地測得的數據利用網絡信息建立數據庫，采用生態梯度的耦合方法，以全面綜合的分析在更大空間尺度上各類型生態系統的現狀以及其發展的趨勢和規律，為生態環境的恢復和改善提供科學依據和技術支持。

(6)更加注重城市生態水文研究。城市作為人類生活的主要場所與聚集地，要更加注重對城市生態水文的研究，以造福人類社會。在今后的研究中，要結合相關學科，充分利用現代技術手段(RS、GRS)與模型技術進行有效結合，加強對城市水循環過程與水生態響應機理的研究，以提高人類對水資源的可持續利用，建設生態城市，提高人們的生活健康水平。

6 結 語

生態水文學是在全球日益惡化的生態環境背景下產生的，作為一門年輕的學科，雖然目前尚未形成完整統一的理論框架和方法體系，但是它的出現具有很大的現實意義。其以生態水文過程為基礎，對水環境系統的演化和演變進行研究，以期能夠解決水環境存在的問題并且實現人類社會對水資源的可持續利用[4]。

就我國而言，生態水文恢復研究將會成為我國未來研究的重點。由于我國地域面積廣大，地貌類型復雜多樣，生態環境脆弱，并且水環境問題十分嚴峻。因此我國必須要加強對生態水文學的研究，同時要加強區際和國際間的合作與交流，為我國實現人與自然的和諧相處提供理論和技術支持。

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