“生态水文学”实验实践课程建设规划与思考

补建伟 刘梦 孙自永 胡顺 胡雅璐

[摘 要] 目前，大多数高校的“生态水文学”课程以室内课堂教学和理论讲授为主，缺少与教学内容相匹配的室内实验课和野外实践课教学。通过探讨“生态水文学”实验实践课程的建设规划，最终形成“1+2+3+N”教学改革模式，并打造“课堂—实验室—监测站—野外—课堂”的闭环教学体系，使理论与实践结合、动脑与动手结合、室内与室外结合、实验室与野外场地结合，从而极大地提高了教学质量，最大限度地发挥了课程的应用价值，有效助益了其精品和一流课程的打造。

[关键词] 生态水文学;实践课程;教学改革

[基金项目] 2020年度中国地质大学（武汉）本科一般教学研究改革项目“‘生态水文学’实验实践课程建设与规划”（2020A10）; 2019年度国家自然科学基金青年科学基金“内陆干旱区非生长季生态输水有效性的同位素示踪研究”（41907177）; 2018年度中央高校基本科研业务费专项“石羊河流域典型沼泽湿地动态监测及生态水文过程研究”（CUGL180817）

[作者简介] 补建伟（1986—），男，四川遂宁人，博士，中国地质大学（武汉）环境学院实验教学中心副教授，主要从事生态水文和矿山环境相关研究;刘 梦（1988—），女，湖北武汉人，硕士，中国地质大学（武汉）机械与电子信息学院教学秘书，主要从事学生教学管理与生态水文研究;孙自永（1978—），男，山东菏泽人，博士，中国地质大学（武汉）环境学院副院长，教授，博士生导师（通信作者），主要从事寒区与旱区生态水文相关研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A   [文章编号] 1674-9324（2021）50-0149-04    [收稿日期] 2021-07-30

工业革命以来，人类活动和气候变化对生态系统造成了巨大的影响和破坏，冰川消融、植被退化、土地沙化、环境污染、水资源短缺等生态环境问题频发，使得运用常规、单一的学科知识来解决这些问题显得捉襟见肘。1992年，在都柏林国际水与环境大会上，生态水文学作为一门独立的学科被提出，为解决这些问题提供了新途径[1]。作为一门年轻、新兴且发展迅速的学科，生态水文学以植物与水分的关系为理论基础，是研究植物如何影响水文过程及水文过程如何影响植被分布和生长的交叉学科[2-4]。

目前，我国地学、林业、农业和一些综合类高校普遍开设了这门课程，但大都以课堂教学和理论讲授为主，缺乏与教学内容相契合衔接的实验课程，理论联系实际的野外实践课程更是鲜有涉及。作为一门描述生态格局和生态水文学机制的科学，生态水文学的研究对象涉及旱地、湿地、森林、草地、山地、湖泊和河流等[5]，实践性很强，如果学生不亲自动手参与实验或在野外体验观测，教学效果将大打折扣。因此，在当下建设世界一流学科和国家一流本科课程的背景下，有必要探索建设“生态水文学”室内实验课程和野外实践课程的思路。本文可为类似实践性较高或学科交叉较深入的课程提供教学改革的参考和借鉴，具有一定的示范和推广作用。

一、学科发展的背景

（一）注重流域和系统思维的生态水文学

水具有生态服务和社会服务两种重要功能，水资源正面临着人类活动影响和气候变化加剧等诸多方面的威胁，所支撑的自然生态系统也正以前所未有的速度退化。由于水资源短缺、水环境污染而造成的生态环境日益恶化，阻碍了社会经济的可持续发展。在通常情况下，一个流域的水资源主要来自降水，流域的水循环决定了流域水资源的状况，也决定了其陆生和水生生态系统的结构和功能[6]。

在流域生态系统中，水是重要的驱动力与制约因素;在流域水文系统中，生态不仅是重要的边界条件，植物蒸腾更是水循环的关键环节[6]。由于生态系统对水文系统的复杂作用，流域生态系统的退化改变了流域水循环，从而进一步加剧了水资源危机。要解决水资源危机，必须借助生态学的研究发展现代水文学，因此，水文学与生态学的交叉融合也就成了必然趋势，生态水文学应运而生，其研究的核心问题是水循环过程与生态过程的相互作用机制[7]。

（二）注重水文过程和生态过程的生态水文学

任何一个学科建设和发展的初衷都是探索未知世界、寻求科学真理，最终造福人类社会。生态水文学在服务生态环境、保护实践、生态文明建设中作用巨大，特别是在地质环境敏感和脆弱区，如在我国青藏高原高寒地区和西北干旱半干旱区作用更加凸显。

青藏高原被誉为“亚洲水塔”和“世界第三极”，不仅是我国许多大江大河的发源地，还分布有大量的湿地和湖泊。全球气候变化引起了冰川消融、雪线上升和冻土退化等一系列生态环境问题，强烈影響着青藏高原生态系统的格局和过程，与其关联的水文过程改变巨大。特别是发源于青藏高原的内陆河，流域内降雨稀少、蒸发量大、气候干旱，水文过程控制着土地荒漠化的主要调控者——植被的生长发育，所以水文过程的改变直接导致生态过程变化，进而驱动着干旱半干旱区生态环境的转变。因此，对水文过程和生态过程的机理研究不仅可为良好的天然生态系统的维持和保护提供理论支撑，也可为退化的生态系统恢复重建提供科学依据。

二、课程建设的需求分析

中国地质大学（武汉）在2011年修订水文学科的培养计划，将生态水文学列为主要培养方向之一，明确要求将“生态水文学”列为专业的核心课程。生态水文学发展至今，已不再是早期简单的水文学科与生态学科的交叉，还涉及诸如地质学和物候学等多学科的融通[8]，实践性不言而喻，在实践应用中，对解决水资源安全、维护生物多样性和生态文明等国家战略目标具有重要的支撑作用。当前，行业内各科研机构和生产单位也逐步由传统的“水文地质”向新时代的“生态地质”转型，以服务社会发展和国家目标。

承担本课程教学任务的环境学院，前身是1952年北京地质学院建校时成立的水文地质教研室，目前学院的水文地质学（0709Z4）是国家级重点学科，其一级学科地质学（0709）是国家双一流建设学科，且在全国第四轮学科评估中被评为A+;本科专业水文与水资源工程、地下水科学与工程分别于2019年和2020年入选国家级一流本科专业建设点。环境学院于2019年由南望山老校区搬迁至未来城新校区，公共实验室物理空间大为增加，科研用地得到保障，实验实践综合条件得到改善，目前有基础、有条件开设本课程的实验和实践课程。

本课程是“学科前沿、社会关注、就业需要、内需增长”，但受南望山老校区场地、人员和经费所限，该课程始终未开设实验和实践课程，现急需借搬迁新校区之际，在未来城校区建设该课程的室内实验和野外实践课，以适应当前学科的发展和社会的需要。

三、课程建设的主要内容

为使学生更好地理解水文学、水文地质学和生态学等相关概念和理论，在个体、种群、群落、景观和流域等不同尺度上，识别影响水文过程的各种生态要素[9]，充分认识生态过程与水文过程的相互作用和关系[ 10 ]，以及更好地掌握室内测试方法和野外监测手段，进而培养学生分析与解决生态水文学实际问题的能力，本实验和实践课程的主要建设包括以下内容。

（一）优化教案并提出课程建设计划

对现有课堂教学的知识点和内容进行梳理分析、整理总结，对最新的文献资料和教材进行消化理解，补充、完善和更新国内外最新鲜的教学案例和研究成果，增强课程的前沿性、新颖性、趣味性和实用性。对国内典型和最近建成的生态水文野外试验场和实践教学路线进行调研，汇总在室内实验室和野外操作性较强的教学内容，筛选最适合野外实践路线的教学内容，整合形成含若干条野外实践备选路线的教学方案。在此基础上，提出适合我校“生态水文学”室内实验和野外实践教学课程的建设计划，包括研究现状、建设目标、内容对象、措施手段、实施方案、运行机制和政策保障等内容。

（二）室内实验室建设及实验内容规划

分析学院科研用房状况，提出仪器设备购置和经费筹措计划，并分别向学院和学校递交建设“生态水文学”课程本科教学实验室的建设方案。内容包括：实验室物理空间的申请、设计和布局;按近期、中期和远期规划实验内容，近期筛选操作性强、周期短的实验项目开展室内实验教学，主要涉及样品采集和预处理、手动测试与上机分析、数据处理和实验报告等内容;实验所需仪器设备、耗材的购置计划，资金筹措方案;实验课程的讲义撰写与开课申请;实验教师的落实和培训准备等。方案获批后立即开展深化设计、室内装修与改造、设备采购与经费执行，初步建成并试运行半年后进行验收。

（三）校内监测站点建设方案与规划

调查未来城新校区的基础地质环境要素和场地条件，选址建设两个生态水文综合试验监测站点（A/B站）。内容包括：建设方案论证、用地/基建申请和施工方案制定。根据教学需要分步实施，首先制定监测站点（A站）的建设方案，确定监测对象、监测指标、教学内容和教学手段。再根据政策支持和经费落实情况，规划第二个监测站点（B站）的建设。制定监测仪器设备的购置计划和经费预算，提出监测数据的获取与分析、监测内容衔接和科学研究规划等。建成后安排专职人员对监测站点进行运行和维护，监测站点对全校师生开放，监测数据实行有条件共享，将监测站点的观测和数据分析纳入实践教学的方案中。

（四）校外实践路线建设与规划

在未来城校区校外周边开展实地调研，在校区东南隅的岱家山选取多个与教学内容匹配度高的野外实践教學点位，收集岱家山周边的地下水、地质、土壤和植被相关资料。选取一条贯穿草本、灌木、乔木的最典型实践路线（线路Ⅰ），开展土壤结构、包气带岩性、地下水动态和植物群落等内容的调查，准备野外教学内容和讲义，组织试讲和开展本路线的野外教学。规划中期第二条（路线Ⅱ）和远期第三条（路线Ⅲ）实践路线的建设。提炼适合新校区校内监测站点和岱家山野外实践教学衔接互补的教学内容，撰写实践教学教案和落实安全保障措施，设计实践教学的知识点，拓展课程的授课形式和范围。

四、课程建设的目标和意义

生态系统是一个复杂、不断进化的组织，其特征与属性取决于气候、土壤和植被之间的内在联系。这些联系的动态变化与所研究现象的尺度紧密相关，也与植被的生理特征、土壤质地，以及气候类型有关。生态系统的演变主要取决于植物对光和水分的需求，作为外部输入驱动植物的生产机理，这些输入在时间和空间上变化很大，其同化取决于植物特性及生态系统的结构。

植被在土壤水分的时空动态变化中扮演着重要的角色，它既是土壤水动态变化的原因，也受土壤水动态变化影响。类似的，植物结构及冠层的三维特征既决定于辐射能量的利用和受辐射能量的影响，也是辐射能量利用和影响的控制因素。光和水分是叶片气孔机能的关键控制因子，日照和降水在季节间、一天中都有所变化，从而控制着植物对二氧化碳的吸收和同化。通过上述室内实验操作和室外实践课程，使学生充分掌握这些要素和原理。

实验和实践课程的建设过程慢、周期长，需要不断积累和完善，结合本单位已有的教学基础，计划在3年内陆续建成1个“生态水文学”课程本科教学实验室，2个校内综合试验监测站点（A/B站），3条校外岱家山野外实践教学路线（路线Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ），并提出1套适应我校“生态水文学”室内实验和野外实践的教学改革方案。

本课程建设主要面向水文与水资源工程和地下水科学与工程专业本科生，辐射水文地质学、环境科学与工程和全校其他专业选修学生。课程建成后，环境学院所有专业和年级，以及全校学生均可参与室内实验和野外实践。通过教学，学生不仅可以巩固强化生态水文学基本的理论知识，而且能掌握实地调查、采样记录、仪器架设、野外观测、室内测试、数据获取、现象分析和假想提出等技能。

总体来说，本课程的建设对促进教学工作、提高教学质量的作用和意义体现在：（1）增加本课程室内实验和野外实践教学内容，丰富教学内容和手段，有助于形成和完善课程的知识结构和理论体系;（2）在实验室和野外实践中探寻真知，增强师生互动，培养学生学习的兴趣和热情，锻炼动手能力，提升整体教学效果和质量;（3）本课程涉及多门学科，实验室和实践教学有助于理论联系实际，巩固和发散课堂学习内容，拓宽学生视野，提高毕业生培养质量和竞争力，适应社会需求;（4）本课程极具特色，建设好本课程，努力打造精品课程和业内品牌，可支撑教学和专业评估，促进学科发展;（5）本课程与多学科交叉融合，处于科学研究前沿，做好教学和研究工作，容易产出原创成果，对提高学校相关科研能力和国际声誉意义重大。

五、结语

我国当前面临着比较严峻的水资源问题，今后很长一段时间内，生态环境保护研究将迎来持续关注和长足发展。而“生态水文学”这门以生态过程与生态格局的水文学机制为关注焦点，以植物与水分关系为基础理论，将尺度、系统问题贯穿于整个讲授之中的课程，将是契合我国生态文明建设的重要课程。加强本课程的室内实验和室外实践教学，对课程内容进行扩充和改革刻不容缓。

参考文献

[1]孙自永，左麦枝，甘义群，等.“以学生为中心”的生态水文学教学策略探讨[J].教育教学论坛，2014（53）：181-183.

[2]赵文智，程国栋.干旱区生态水文过程研究若干问题评述[J].科学通报，2001（22）：1851-1857.

[3]夏军，丰华丽，谈戈，等.生态水文学概念、框架和体系[J].灌溉排水学报，2003（1）：4-10.

[4]黄奕龙，傅伯杰，陈利顶.生态水文过程研究进展[J].生态学报，2003（3）：580-587.

[5]Baird A J， Wilby R L.生态水文学——陆生环境和水生环境植物与水分关系[M].赵文智，王根绪，译.北京：海洋出版社，2002.

[6]伊格尔森.生态水文学[M].杨大文，丛振涛，译.北京：中国水利水电出版社，2007.

[7]王根绪，钱鞠，程国栋.生态水文科学研究的现状与展望[J].地球科学进展，2001（3）：314-323.

[8]夏军，张永勇，穆兴民，等.中国生态水文学发展趋势与重点方向[J].地理学报，2020，75（3）：445-457.

[9]吕宪国.湿地生态系统观测方法[M].北京：中国环境科学出版社，2004.

[10]冯蕾.基于生态水文学原理的衡水湖湿地研究方法概述[J].现代农村科技，2021（5）：101+16.