水文模型在生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)評估中的應(yīng)用綜述

摘要：闡述了生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)的內(nèi)涵和表征要求，并通過分析水文模型的輸出指標(biāo)，梳理其與生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)之間的映射關(guān)系，明確水文模型可以支撐的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型；系統(tǒng)總結(jié)多種水文模型在評估生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)（供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)和支持服務(wù)）中的應(yīng)用進(jìn)展，指出不同水文模型在原理、輸出指標(biāo)、時空尺度及可評估的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型上的差異；強調(diào)了水文模型在預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)變化、探究服務(wù)形成機理及流域管理服務(wù)等方面的應(yīng)用；最后從變革模型的計算模式、變革參數(shù)率定模式、整合受益者模塊以及加強模型間耦合4個角度指出了從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)視角促進(jìn)水文模型深入應(yīng)用的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：水文模型；水文服務(wù)；生態(tài)系統(tǒng)；評估指標(biāo)

中圖分類號：X171.1" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " 文章編號：1674-3075（2025）01-0166-11

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（即人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的惠益），包括供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)，是連接社會與自然生態(tài)系統(tǒng)的重要切入點，已逐漸成為環(huán)境管理與政策制定可量化目標(biāo)（Doris et al，2005）。在聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估（the millennium ecosystem assessment，MA）列出的24項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中，與水有關(guān)的有10項，因此，生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要組成部分。隨著氣候變化以及人類干預(yù)的影響，全球水文循環(huán)變化強烈，水資源短缺、旱澇災(zāi)害、水質(zhì)污染等問題日益嚴(yán)峻，人類對于生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)的需求日益增加（Piao et al，2007；De Wit amp; Stankiewicz，2006；Oki amp; Kanae，2006）。研究生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)的內(nèi)涵與形成機理、評估生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)與功能對提升人類福祉、生態(tài)保護、社會的可持續(xù)發(fā)展等具有重要意義。

模型是模擬和預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要工具，能夠揭示生態(tài)過程的內(nèi)在機理，闡明服務(wù)的動態(tài)變化及其關(guān)鍵驅(qū)動因素，為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的定量評估和科學(xué)決策提供強有力的支撐。模型可分為兩大類：一類是生態(tài)模型，以InVEST（integrated valuation of ecosystem services and trade-offs）模型為代表，通過簡化水文過程，以定量化和可視化的方式評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，其優(yōu)勢在于操作簡便、適用性強，但對水文動態(tài)過程的描述較為有限另一類是水文模型，以SWAT（soil and water assessment tool）模型為代表，通過模擬自然界的水文過程，綜合考慮植被、土壤、水、氣候以及管理等因素，是量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要工具（Goldenberg et al，2017）。水文模型的特點在于首先考慮了產(chǎn)匯流中各個子過程，可以揭示流域中水量、水質(zhì)的時空動態(tài)變化；其次可以確定水文的流向、流動軌跡以及范圍（Clark et al，2016；Kirchner，2006；McMillan，2021）。這些特點有助于識別服務(wù)產(chǎn)生的時間、地點、數(shù)量、流向以及受益者，從生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程與功能了解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的機理，以及實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的動態(tài)化、精準(zhǔn)化和定量化（Goldenberg et al，2017）。

近年來，國內(nèi)外涌現(xiàn)了諸如SWAT、HSPF（hydrological simulation program fortran）、VIC（variable infiltration capacity）、GWLF（generalized watershed loading function）、AGNPS（agricultural non-point source）、WASP（water quality analysis simulation program）等一系列水文模型，為了解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的機理及量化水源供給、水質(zhì)凈化、洪水調(diào)蓄等生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)提供了關(guān)鍵的技術(shù)手段（Angela et al，2015；Baker et al，2015；Yuan et al，2011；Norton et al，2012；Vigersto amp; Aukema，2011；Zhang et al，2021）。一些研究采用不同的水文模型評估了生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)（Yuan et al，2011；Aly et al，2022；Barbedo et al，2014；Castelli et al，2017；Immerzeel et al，2008），但是尚沒有從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的視角闡釋水文模型與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)系、應(yīng)用過程的進(jìn)展以及未來發(fā)展的方向。此外，不同水文模型間的原理、輸出指標(biāo)與模擬模塊互不相同，對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)的表征不統(tǒng)一，應(yīng)用的時間、空間尺度不一致，對管理需求的支撐作用不同。目前，生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)、量化方面，尚缺乏綜合且系統(tǒng)的分析，難以合適模型對的選擇提供有效的幫助與指導(dǎo)。

本文通過闡述生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)的內(nèi)涵，梳理生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)過程中對水文模型的需求，以及水文模型在評估過程中可以提供的功能及優(yōu)勢，揭示水文模型對生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)評估的支撐方式。對比和分析目前使用廣泛的水文模型，并結(jié)合已有的文獻(xiàn)，總結(jié)目前水文模型在表征生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)中的應(yīng)用情況，最后提出展望。通過對不同水文模型評估生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)現(xiàn)狀的總結(jié)與對比，加深對利用水文模型量化生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)的系統(tǒng)認(rèn)識。

1" "水文服務(wù)內(nèi)涵與表征需求

1.1" "生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)內(nèi)涵

水在空間上流動，控制著生態(tài)系統(tǒng)中不同尺度的生物物理過程，可以將景觀中供應(yīng)過剩的服務(wù)通過水流傳遞到下游需求不被滿足的地區(qū)，從水源供給到洪水調(diào)蓄，人們依靠生態(tài)系統(tǒng)獲得了許多與水相關(guān)的服務(wù)。Daily（1997）提出了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，列出了生命支持系統(tǒng)的13項服務(wù)，其中包含水質(zhì)凈化和洪澇干旱緩解功能，通過物種的破壞和損失來指代生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)（比如森林砍伐揭示了森林在水文調(diào)節(jié)尤其是緩解洪水及干旱中的作用）；Costanza等（1997）將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為17類，將與水有關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為水供給（通過流域、水庫和含水層供水）及水調(diào)節(jié)（為農(nóng)業(yè)、工業(yè)的過程或運輸供水），通過對自然資本服務(wù)估值來反映服務(wù)的價值。

Wilson和Carpenter（1999）系統(tǒng)回顧了1971—1997年美國淡水生態(tài)系統(tǒng)提供的生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)，將水文服務(wù)分為直接市場商品或服務(wù)（如飲用水、發(fā)電、交通）與非市場商品或服務(wù)（生物多樣性、動植物棲息地）。Brauman等（2007）圍繞水文服務(wù)進(jìn)行概述，提出生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)（hydrologic ecosystem services）這一概念，其內(nèi)涵為陸地生態(tài)系統(tǒng)淡水為人類提供的惠益，具體指陸地生態(tài)系統(tǒng)通過截流、滲透等生態(tài)水文過程，使水在時間、空間、數(shù)量等方面發(fā)生變化，在這個過程中人類獲得的惠益（呂一河等，2015）。同時將水文服務(wù)分成了5類：原位水供給、異地水供給、減輕水災(zāi)、提供與水有關(guān)的文化服務(wù)以及維護提供服務(wù)的水生棲息地等，并指出將傳統(tǒng)的水文科學(xué)轉(zhuǎn)換為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時，水量、水質(zhì)、水的位置及流量的時間序列4個關(guān)鍵屬性的指標(biāo)至關(guān)重要。鑒于水文服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)與水文過程綜合作用的結(jié)果，其涉及的服務(wù)類型、水文過程以及時空尺度呈現(xiàn)出多樣化特征，與陸地淡水生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)見表1。

1.2" "水文服務(wù)表征對水文模型的需求

（1）表征生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)需要水文模型關(guān)聯(lián)生態(tài)系統(tǒng)的基本特征。生態(tài)系統(tǒng)是生物與環(huán)境之間復(fù)雜交互作用的動態(tài)整體，其結(jié)構(gòu)、功能及過程的變化直接決定了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的類型和水平。水文模型應(yīng)能夠捕捉生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的關(guān)鍵驅(qū)動機制，體現(xiàn)其整體性、穩(wěn)定性及對外界擾動的敏感性，從而為生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)的定量化評估提供科學(xué)支撐。

（2）水文模型需滿足表征生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)的不同時空尺度特征。生態(tài)系統(tǒng)與尺度間的關(guān)系密切，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)不同時空尺度下產(chǎn)生的原理與作用效果有顯著的差異。例如在空間尺度上，洪水調(diào)蓄服務(wù)在流域尺度上一般與流域的地形、坡度、土地利用類型等因素有關(guān)，通過截留、下滲作用減少洪峰流量及降低洪水流速，洪水淹沒范圍一般在流域的中下游平原（Vari et al，2022）；在城市中則主要與城市的下墊面、管網(wǎng)的排水能力相關(guān)，洪水淹沒范圍位于城市下墊面低的區(qū)域，呈點狀分布（Fletcher et al，2013）。在時間尺度上，一方面，水文模型需滿足評價中不同時間間隔的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估，如洪水調(diào)蓄的服務(wù)可以是單次暴雨事件，也可以是季節(jié)或年際尺度；水源涵養(yǎng)服務(wù)則一般在季節(jié)或年際尺度進(jìn)行評估（王曉學(xué)等，2013）。另一方面，如何反映并預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的過去、現(xiàn)在與將來對于了解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的時空變化特征及制定調(diào)控措施具有重要意義。

（3）明確的表征指標(biāo)是反映復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)過程，揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)潛力的有效途徑（Hattam et al，2015）。水源供給服務(wù)一般采用河流、水庫、湖泊的水量為指標(biāo)；水源涵養(yǎng)服務(wù)可以采用降水量與蒸散發(fā)的差值進(jìn)行計算；大氣調(diào)節(jié)可以采用大氣蒸散發(fā)、土壤蒸散發(fā)的量來反映生態(tài)系統(tǒng)對濕度的調(diào)節(jié)作用；水質(zhì)凈化服務(wù)則涉及多種指標(biāo)，可利用多種污染物濃度反映水質(zhì)凈化的過程；洪水調(diào)蓄服務(wù)可利用洪峰的減少量、暴雨時降水與蒸散發(fā)的差值或構(gòu)建能力指數(shù)表征；土壤保持服務(wù)一般以水中泥沙量表征。

此外，明確生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給者與受益者也至關(guān)重要。在宏觀尺度上，生態(tài)系統(tǒng)提供動態(tài)的服務(wù)，其中一些服務(wù)會在多尺度間（如局地-區(qū)域-流域-全球尺度）傳遞（Ricketts et al，2004），水流是多項涉水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動的主要載體。明確生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給與受益者，有助于量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的傳遞機制、空間作用范圍、時間滯后效應(yīng)以及權(quán)衡協(xié)同關(guān)系。

2" "基于水文模型的生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)評估

許多研究人員利用多種模型對生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)進(jìn)行評估，如Natural Capital Project開發(fā)的“生態(tài)系統(tǒng)綜合服務(wù)功能估價與權(quán)衡”的 InVEST模型、分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需關(guān)系的ARIES（artificial intelligence for ecosystem services）模型以及SWAT、HSPF、VIC等多種水文模型。Vigerstol等（2011）對比分析了傳統(tǒng)水文工具（SWAT和VIC）與生態(tài)模型（InVEST和ARIES）在生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)中的應(yīng)用，提出生態(tài)模型相對簡單，通過簡化水文關(guān)系可以快速評估生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)，水文模型基于更復(fù)雜的水文機理，可以通過模擬水循環(huán)中不同子過程的輸出結(jié)果更加精細(xì)、準(zhǔn)確地反映不同的生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)類型。

國內(nèi)外開發(fā)的水文模型眾多，不同水文模型的原理、輸出指標(biāo)、時空尺度差異以及可以評估的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型都不同，如何選擇合適的水文模型評估生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)成為一個難點。例如水質(zhì)凈化服務(wù)一般以季節(jié)或年為時間尺度，GWLF模型由于考慮了不同土地利用類型產(chǎn)生的N、P養(yǎng)分以及它們的來源與產(chǎn)生的負(fù)荷量，且易于學(xué)習(xí)，因此有較好表現(xiàn)；此外如SWAT、HSPF等可以模擬點源與非點源演進(jìn)過程的水文模型也有較好的應(yīng)用。而洪水調(diào)蓄服務(wù)中，對于洪水的模擬時間一般精確到秒或小時，則需要運用時間尺度更為精確的HSPF模型或HEC-HMS。在空間尺度上，對于大尺度區(qū)域，通常采用如 VIC 和 SWIM（soil and water integrated model）等大、中尺度分布式水文模型，以捕捉宏觀水文過程的時空動態(tài)特征；在流域尺度，需要重點識別各子流域的排放特性，例如產(chǎn)水量較高或污染物濃度較大的子流域，此時可選擇 SWAT、HSPF 等能夠模擬流域水文與水質(zhì)過程的分布式或半分布式模型；對于城市尺度，需特別關(guān)注城市管網(wǎng)對水平衡的影響，此類研究中，SWMM（storm water management model）等模擬城市水文過程的模型展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用潛力（表2）。此外，機器學(xué)習(xí)模型如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（artificial neural network，ANN）、長短時間記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（long short-term memory，LSTM）、支持向量回歸機（support vector regression，SVR）等，忽略了復(fù)雜的下墊面因素及水文過程，通過探索觀測數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系，預(yù)測水量、水質(zhì)、土壤蓄水量的變化，在生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)的預(yù)測中應(yīng)用廣泛。表2總結(jié)了目前國內(nèi)外使用較為廣泛的水文模型以及水文模型對應(yīng)輸出指標(biāo)可以表征的生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)。文化服務(wù)與支持服務(wù)有別于供給服務(wù)與調(diào)節(jié)服務(wù)，因其無法通過直接利用水文輸出指標(biāo)來評估，而只能通過指標(biāo)間接計算，因此表2未予涉及。

水文模型用以評估生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)的優(yōu)點在于：

（1）綜合考慮了包括氣象、土壤、水、管理等要素。可以在不同時空尺度下對自然界的各個水文循環(huán)過程進(jìn)行模擬，不僅有助于精準(zhǔn)量化與水有關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，還有利于探究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的形成機制，明確服務(wù)的來源以及服務(wù)受益者的范圍，進(jìn)而有針對性地采取調(diào)控措施。

（2）可以表征生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)的基本特征。功能強大的水文模型可以為全面量化、評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供有效幫助。1966年Crawford和Linsley（1966）提出第一代流域水文模型——斯坦福模型（stanford watershed model IV），經(jīng)過快速的發(fā)展，目前國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)了數(shù)十種具有不同功能及特點的水文模型。這些水文模型可以幫助模擬多時空尺度下（如單次降雨時間或以年為單位等不同時間長度以及農(nóng)田、流域、城市、景觀或全球等不同空間尺度）的水文過程、多種污染物（如氮、磷、農(nóng)藥、病原體、沉積物等）的遷移轉(zhuǎn)化及濃度、污染物對水生生態(tài)系統(tǒng)的影響（如AQUATOX模型可以模擬多種環(huán)境因子及其對藻類、植物、無脊椎動物和魚類的影響）以及浮游藻類的數(shù)量（可通過HSPF、WASP、MIKE11等多種模型模擬）等多種指標(biāo)，這些模型的功能可以契合評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中的各項需求。

（3）預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)服務(wù)的變化。通常情況下，水文及水質(zhì)相較于抽象的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)如文化服務(wù)更容易建模與測量，可以通過驗證模型模擬的精度，減少在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價過程中由主觀性帶來的影響。尤其是機器學(xué)習(xí)模型，因其結(jié)構(gòu)靈活，可以添加任何觀測因子在不同的空間尺度進(jìn)行模擬，有很強的水文預(yù)報能力，可以支撐預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)，研判未來不同時空尺度、不同土地利用或氣候變化下的變化并進(jìn)行調(diào)控，這對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理具有重要意義。

3" "水文模型表征生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的應(yīng)用

在研究內(nèi)容方面，水文模型在表征生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)的應(yīng)用中，多數(shù)研究集中于支持流域管理，其次部分研究關(guān)注服務(wù)形成的機理。在服務(wù)類型上，供應(yīng)服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)是最常研究的類別，大量研究聚焦于流域水源供給及多種類型的調(diào)節(jié)作用；相比之下，文化服務(wù)和支持服務(wù)因主觀性較強，與水文模型的結(jié)合較少。在模型選擇方面，由于 SWAT 模型具有廣泛的應(yīng)用范圍和較為全面的功能，大部分研究采用 SWAT 模型模擬生態(tài)系統(tǒng)水文變化，少部分研究根據(jù)自身特點選擇其他水文模型進(jìn)行模擬。

在表征指標(biāo)方面，常用徑流量表征水源供給服務(wù)；洪峰流量、洪峰時間、水位和淹沒時間用于表征洪水調(diào)蓄服務(wù)；蒸散發(fā)、基流量等指標(biāo)用于表征大氣調(diào)節(jié)和水源涵養(yǎng)服務(wù)；泥沙量或沉積物產(chǎn)量常用于表征土壤保持服務(wù)；針對水質(zhì)凈化服務(wù)，則通常采用總氮、總磷等指標(biāo)進(jìn)行表征，但其他污染物的研究相對較少。盡管針對不同服務(wù)的表征指標(biāo)具有一定共性，但仍存在顯著差異。目前，基于水文模型評估生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)的研究尚未形成統(tǒng)一的評價體系（表3）。

3.1" "供給服務(wù)

供給服務(wù)是水文模型中最常見的輸出指標(biāo)，水源供給服務(wù)一般通過模型中的產(chǎn)水量進(jìn)行分析。大部分水文模型都可以量化水源供給服務(wù)，但有個別模型不太適合，如空間尺度主要在城市范圍的模型SWMM、時間尺度主要為單次事件洪水模擬的模型HEC-HMS等。此外，供給服務(wù)量化的主要問題在于模型模擬水量的精度以及模型難度。精度方面，分布式、半分布式模型如HSPF、SWAT等有著更為復(fù)雜的原理，應(yīng)用效果更佳；而GWLF與SCS等由于數(shù)據(jù)資料較少，沒有考慮部分水文過程，精度稍低但模型易于學(xué)習(xí)和使用。Cong等（2020）通過對比SWAT與InVEST模型在流域生態(tài)系統(tǒng)中供給服務(wù)的空間差異，發(fā)現(xiàn)SWAT模型基于更詳細(xì)的水文過程，且考慮了不同土地利用模式和潛在的地形條件，結(jié)果更加精準(zhǔn)。因此水文模型的結(jié)果更接近觀測數(shù)據(jù)，但專業(yè)性要求更高。Lin等（2021）采用HSPF模型，結(jié)合社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)量化了鰲江流域淡水生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流，評估了土地利用對淡水服務(wù)流的影響，結(jié)果證明，水文模型在水源供給服務(wù)中模擬效果良好。Bucak等（2016）通過耦合SWAT模型與支持向量回歸模型（epsilon-SVR）預(yù)測地中海盆地最大淡水湖未來的水源供給服務(wù)，闡明了氣候變化、土地利用以及人類取水對未來水供應(yīng)及地中海水位的影響。

此外，水文模型還可以與其他供應(yīng)變量如糧食生產(chǎn)、水庫水壩發(fā)電等結(jié)合。Li（2022a）等通過系統(tǒng)動力學(xué)模型將SWAT模型與糧食生產(chǎn)模型耦合起來，以定量評估水、食物生產(chǎn)的供給服務(wù)，并通過設(shè)置不同未來發(fā)展情境，探究水-糧食的最優(yōu)關(guān)系。Fan和Shibata（2014）應(yīng)用SWAT對日本北部流域的水源供給服務(wù)時空變化進(jìn)行分析，并利用模型中的產(chǎn)水量對水力發(fā)電站、家庭用水以及作物的生產(chǎn)灌溉進(jìn)行了成本評估。韓世亮和陳泰霖（2022）采用HBV水文模型，分析了氣候變化影響下黃河上游大型水庫入庫來水過程中發(fā)電量的變化，這些結(jié)合都為生態(tài)系統(tǒng)保護與管理提供依據(jù)。

3.2" "調(diào)節(jié)服務(wù)

水文模型在調(diào)節(jié)服務(wù)中的應(yīng)用非常廣泛，不同水文模型的輸出結(jié)果都可以反映出生態(tài)系統(tǒng)中的各種調(diào)節(jié)服務(wù)。如Luo和Zhang（2022）采用SWAT模型探究了中國近40年間城市洪水調(diào)蓄服務(wù)的變化情況，探究了土地利用對洪水調(diào)蓄服務(wù)的影響并提出緩解城市洪積洪水風(fēng)險的策略。Mosbahi等（2020）利用SWAT模型對突尼斯半干旱流域的土壤侵蝕進(jìn)行土地管理實踐評估，結(jié)果表明，SWAT在模擬水文及泥沙方面準(zhǔn)確性很高，利用水文模型可以評估土地管理措施對徑流動態(tài)及土壤侵蝕的影響，并探究不同土地利用方式下最佳的保護措施。此外，水文模型在水源涵養(yǎng)服務(wù)中應(yīng)用也非常廣泛。如張海博（2012）利用SCS模型結(jié)合地形地貌來計算地表徑流，量化北京北部水源涵養(yǎng)服務(wù)；Wigmosta等（1994）提出了Terrain Lab模型，以模擬流域內(nèi)蒸發(fā)、蒸騰、積雪積累與融化以及徑流等過程。蒸散發(fā)是水文循環(huán)中重要的環(huán)節(jié)，采用水文模型量化蒸散發(fā)，可以調(diào)節(jié)大氣，調(diào)節(jié)土壤中水分狀況，因此也是調(diào)解服務(wù)的重要組成部分。

除了常見的水源涵養(yǎng)、洪水調(diào)蓄、土壤保持服務(wù)等，水文模型在調(diào)節(jié)服務(wù)中還有更多的應(yīng)用。Norton等（2012）通過將農(nóng)場營養(yǎng)預(yù)算模型（planning land applications of nutrients for efficiency and the environment，PLANET）、GWLF模型以及PROTECH （phytoplankton responses to environmental change）模型耦合，探究氣象、水文、營養(yǎng)負(fù)荷及水中藻類之間復(fù)雜的相互作用的關(guān)系，探討如何應(yīng)用建模在流域內(nèi)更好地調(diào)節(jié)供需。對比之下，HSPF模型中的藻類模塊可以通過浮游植物的生長溫度公式直接模擬水中藻類的生物量，Lee等（2020）采用HSPF模型，對流域內(nèi)葉綠素進(jìn)行模擬與改進(jìn)，達(dá)到了良好的模擬效果。眾所周知，河流中的藻類可以通過光合作用固碳釋氧，利用水文模型模擬的河流中藻類濃度可以量化河流中固碳釋氧服務(wù)的能力。 此外，隨著水文模型功能越來越強大，輸出結(jié)果中沉積物、養(yǎng)分、農(nóng)藥產(chǎn)量等都可以應(yīng)用在調(diào)節(jié)服務(wù)中，以便于更好地支持政策的實施。

3.3" "文化服務(wù)

文化服務(wù)主要指人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的非物質(zhì)收益，如旅游、美學(xué)價值、教育等（戴培超等，2019）。由于文化服務(wù)的重要特征即無形性，導(dǎo)致文化服務(wù)很難被直接量化；此外，不同的個體對于自然的感受、宗教信仰、自身經(jīng)歷等不同的因素也都會對服務(wù)的結(jié)果產(chǎn)生影響（董連耕等，2014）。水文模型可以通過量化一個地區(qū)物理、化學(xué)、生物等不同方面的指標(biāo)來間接反映文化服務(wù)的變化情況。如Baker等（2015）通過發(fā)放調(diào)查問卷，根據(jù)不同組別人員（男、女研究人員）的感受分別使用計算機繪制3組對應(yīng)的地圖，并輸入SWAT模型，比較人類感知的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。結(jié)果表明：水文模型可作為將人類維度納入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分析工具的替代方法；但水文模型仍需新的指標(biāo)，以代表人類感知和對產(chǎn)品與服務(wù)的需求指標(biāo)以評估文化服務(wù)（Plieninger et al，2013）。

3.4" "支持服務(wù)

支持服務(wù)由于一般不直接為人類使用而且需要間接量化，可能導(dǎo)致在量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時重復(fù)計算，因此對于支持服務(wù)的量化一般較少（Hein et al，2006）。一些研究通過生物多樣性來間接反映生境的變化情況及生境的支持服務(wù)（Qiao et al，2015）。Lehmann等（2019）采用SWAT模型探究在未來不同氣候與土地利用變化下水環(huán)境的變化，進(jìn)而探究對河流物種多樣性的影響。楊澤凡（2015）以物理棲息地模型（physical habitat simulation system，PHABSIM）為基礎(chǔ)，構(gòu)建生態(tài)水文模型，提出了魚類產(chǎn)卵期重點河段的生態(tài)需水要求，為生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)性管理提供支撐。Qiao等（2015）利用SWAT模型探究引進(jìn)東部紅豆杉對草地流域水文循環(huán)的影響，使用了與供應(yīng)或調(diào)節(jié)服務(wù)相關(guān)的輸出變量（如水量、沉積量等）來量化支持服務(wù)。由于支持服務(wù)的性質(zhì)，其自身變化將直接影響生境的變化進(jìn)而改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及生物多樣性，因此可通過后續(xù)的指標(biāo)對支持服務(wù)進(jìn)行預(yù)測，但要注意避免重復(fù)計算的問題。

4" "展望

水文模型考慮了復(fù)雜的環(huán)境因素及水文循環(huán)的過程，可以通過模擬流域中的水文情況，如水量、水質(zhì)、蒸散發(fā)量等，支撐與水相關(guān)的供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)以及支持服務(wù)的評估，為生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)的評估提供精細(xì)化的支持技術(shù)。在水文模型的選擇上，應(yīng)首先確定模擬目標(biāo)，再根據(jù)目標(biāo)服務(wù)的時空尺度、精度要求以及模型的難易程度選擇。

面對土地覆蓋、氣候、環(huán)境的迅速變化，以及人類對科學(xué)健全的政策制定的需求日益增加，利用水文模型評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可以幫助決策者更好地管理并提供有益政策。目前，水文模型在生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)評估中已有大量的應(yīng)用，但現(xiàn)有模型仍有一些重要的問題需要解決。在未來，還需要從變革模型計算模式、變革模型的參數(shù)率定模式、納入受益者模塊以及模型耦合4方面進(jìn)一步探究。

（1）水文模型屬于機理模型，考慮了復(fù)雜的生物物理過程，參數(shù)眾多，導(dǎo)致計算緩慢，無法滿足快速評估的要求。此外，模型中部分?jǐn)?shù)據(jù)難以獲取，增加了采用水文模型量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的難度。因此需要從計算模式上進(jìn)行變革，提高服務(wù)模型的計算效率，進(jìn)而支撐參數(shù)敏感性分析和自動率定等應(yīng)用。

（2）水文模型過度的參數(shù)化容易導(dǎo)致模擬結(jié)果不可靠。此外，模型的參數(shù)維度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于觀測數(shù)據(jù)的維度，容易造成“異參同效”問題，即不同的參數(shù)集會產(chǎn)生類似的模擬結(jié)果。因此模型必須對參數(shù)進(jìn)行率定和驗證，以確保服務(wù)量化的可靠性。

（3）早期的研究主要集中在使用水文模型表征供給者，未直接涉及服務(wù)受益者所受影響。然而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的定義為生態(tài)系統(tǒng)為人類提供的惠益，基于水文模型模擬結(jié)果轉(zhuǎn)化為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)并不完全等于人類受到的惠益。將人類的需求納入模型，實現(xiàn)服務(wù)的供給者和受益者直接關(guān)聯(lián)，有望進(jìn)一步提高服務(wù)量化的準(zhǔn)確性。

（4）將水文模型與其他模型耦合，可以更真實地模擬水文循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)各個過程的相互作用，擴大水文模型在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估中的應(yīng)用范圍，構(gòu)建完善的基于水文模型表征生態(tài)系統(tǒng)水文服務(wù)的評估體系。例如將水文模型與水動力模型耦合可以模擬二維、三維尺度的水文情況，有助于評估淹沒范圍、流速等，從而可以為量化洪水調(diào)蓄服務(wù)提供支持。此外，將水文模型與土地利用變化、氣象變化模型耦合可以探討在未來不同土地利用和氣候條件下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化，并為管理決策提供建議。另外，將水文與其他生態(tài)系統(tǒng)模型耦合，比如作物模型、生物地球化學(xué)模型等，有助于更好地研究陸地生態(tài)系統(tǒng)與水文循環(huán)之間的相互作用，可以量化作物供給服務(wù)等，為未來制定管理政策提供依據(jù)。

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Review of Hydrological Models Used to Assess Ecosystem Services

Abstract：Assessment of ecosystem services is among the current research hotspots in ecology and ecological economics， and quantifying the value of ecosystem services is crucial for assessment. Models are an important tool for simulating and predicting ecosystem services and in this study， we reviewed the application of hydrological models for assessing ecosystem service. Firstly， we elaborated the connotation and characterization requirements of ecosystem hydrological services， sorted out the relationship between the output indicators of hydrological models and the water-related ecosystem， and clarified the types of ecosystem services that can be supported by hydrological models. Secondly， we systematically summarized the progress in the application of various hydrological models in evaluating ecosystem hydrological services， including provisioning services， regulating services， cultural services and supporting services， and explored the differences among different hydrological models in terms of their principles， output indicators， temporal and spatial scales， and the types of ecosystem services they can assess. In particular， we highlighted the application of hydrological models for predicting changes in ecosystem hydrological services， exploring the mechanisms underlying these services， and the management of watershed services. Finally， development directions for promoting the application of hydrological models were put forward from the perspective of ecosystem services， including changing the calculation mode of models， revolutionizing the parameter rating approach， integrating beneficiary modules， and strengthening the coupling between models.

Key words：hydrological model; hydrological services; ecosystem; evaluation indicator