流域尺度生态水文学研究进展及未来研究趋势

马 玲，李润杰，3，郭凯先

(1.青海师范大学地理科学学院，西宁 810008；2.青海省水利水电科学研究院有限公司，西宁 810016；3.青海大学，西宁 810016)

河流生态系统指河流水体的生态系统，属流水生态系统的一种，是陆地与海洋联系的纽带，在生物圈的物质循环中起着主要作用，具有栖息地功能、过滤作用、屏蔽作用、通道作用以及源汇功能。河流生态水文学主要研究的是各种水生动植物的生态学特征以及河流水文水质变化与水生生物的关系。流域生态水文研究流域主要是指由分水线所包围的河流集水区，如河流、湖泊等。其主要的研究内容包括流域生态水文过程与功能的研究以及生态水文模型的建立。水文过程与生物动态之间的关系是流域生态水文过程与功能研究的核心内容。研究水文机理以及流域生态系统与水文过程耦合关系已经成为当今水文科学的前沿问题[1]。

国际上流域生态水文学研究可归纳为3个主要方向：①流域或区域水文循环过程中生态与水文相互作用与影响问题研究生态过程如何影响流域或区域的水文循环过程，包括河道内水生生态系统对河流水文过程的作用；②流城水利工程措施如何作用和影响流域内的生态系统，也就是流域水文过程或水文情势变化对生态系统有何影响的问题，包括河道内和河道外相关区域；③生态水资源问题，研究流域内各种生态系统的水资源需求和水消耗规律，包括不同水供给情况下的生态水分胁迫的响应机理，前两个方面可以称为生态水文学的水文过程领后者则是生态水文学的水资源问题领域可以认为生态水文学是基于水文学和生态学理论基础的包含生态水文过程与生态水资源两个理论与实践相结合的学科体系。

1 文献来源及其分析

中文以SU=“流域生态水文”+“生态水文”+“生态水文学”+ “水文过程”+“流域生态”+“流域尺度”+“流域科学”+“水循环”+“分布式水文模型”，以“主题目录”功能进行计量分析。其中，因为关中文检索数据库为中国期刊全文数据库(CNKI)、万方数据库和维普中文期刊全文数据库。文章以中文献分析近年来国内森林生态水文学领域的研究进展及研究热点。查阅文献，键词是对文献的研究内容、方法、对象等的高度概括，所以从关键词的分布可以看出相应研究领域的研究热点、创新及发展趋势。生态水文学研究热点、创新及发展趋势图，见图1。

图1 生态水文学研究热点、创新及发展趋势图

2 流域植被与水文过程的相互作用

2.1 流域植被与水文过程相互作用机制

植被覆盖和气候变化对径流的影响可能具有尺度依赖性，而在生态环境脆弱和地质结构复杂的西南喀斯特区开展研究较少[2]。过去几十年中，全球气候变化促使水循环加快，改变了降水的时空变化，极端水文事件发生更加频繁，导致中国南方地区的洪涝灾害在不断增加，水生态环境在不断恶化[3]。受到了气候、植被、土壤、地形和人类活动的共同影响，其中植被和气候变化是引起径流变化的重要因素。植被通过地上部分的林冠截留对降水进行再分配，以及通过地表枯落物和地下根系增加土壤的入渗能力等改变径流的产生机制[4]。气候因素包括降水、潜在蒸散发以及气温等，降水是引起径流变化最敏感的因子。气候变化直接导致降水的空间分布、时间变异以及地表蒸发等的变化来影响流域的径流量[5-6]。董喆等[7]利用小波分析方法研究了在不同周期下，降水与植被对径流的调节作用。Mann-Kendall 趋势检验是研究水文变化趋势研究的良好方法[8-9]。生态水文学是研究生态格局和过程下的水文机制的科学，气候-植被-土壤的相互作用是其控制性的因素 ，土壤湿度是其关键的研究因子。要揭示水文过程 ，包括类型、速率、时间以及不同时间的水文过程发生的空间特征如何影响生态过程。研究对于弥补生态系统对于水文过程响应机制方面的多种不足是必要的 ，但人类社会面临的客观事实是：不仅仅是河流生态系统对于人类社会的影响产生了巨大变化，地球上的整个陆地淡水生态系统都不同程度面临着因人类社会对水资源的过度占用而造成的生存威胁。

2.2 流域植被与水文过程相互作用的空间异质性

地表生态水文过程(eco hydrological process in thesurficial environment)包括植被变化 、土地利用和侵蚀过程、水库和三角洲的沉积过程 、河系、洪泛平原和湿地之间的关系及地表水过程，并认为生态水文学的实用性含义(Working definition)是研究在不同时空尺度上水文过程与生物动力过程相综合的科学。生态水文学研究是要获得水资源持续管理的方案，有明确的学科研究目的，因而笔者认为生态水文学是研究一定时空尺度上生态过程与水文过程的耦合演进规律及成因，探求协调的生态水文模式，应用于水资源持续管理实践的科学。

水文过程及其变化如何在不同时空尺度上影响生态过程，生态系统和陆地表面生态过程如何反作用于水文过程，如植被系统如何以媒介的方式参与水的输入、储存和消耗而作用于整个水文循环等，是生态水文学生态水文过程研究的两大相互密切关联的核心主体和主要内涵。

如果生态水文过程存在良性循环，水环境质量也会愈加改善，不管是涵养水源还是调节径流，都会起到保护水环境的作用[10]。当前国内外学者对水环境与生态水文的研究主要体现在被动治理的角度，面对环境日渐退化和自然资源不断减少，人们不得不被动地寻找治理水环境对策，希望通过有效治理恢复水系统。

3 流域水利工程与生态系统

早期生态水文学的核心领域，以流域水利工程措施如何作用和影响流域内的生态系统为主要研究内容。长期以来水利工程如大坝对流域生态系统的影响就一直是生态学家研究的热点问题，提出了许多有关生态系统对水利工程响应的特征与机理方面的观点，并逐渐成为决定工程建设规划的重要科学依据，如中国三峡大坝建设规划中对长江流域水生生态系统影响的评估就考虑得非常周密。

重点是大坝的生态效应，为了满足人类社会经济发展要求而修建的水利工程，其主要功能包括蓄水发电、防洪排涝、拒咸蓄淡、灌溉供水、通航养殖等方面，其发挥作用的同时不可避免地对生态环境造成了巨大影响。大坝对鱼类最直观的影响是阻断了其自由迁移的通道。严重影响了鱼类的生殖，尤其是对洄游性鱼类。国外投入了大量的人力、物力进行保护性研究，在重要的洄游通道上修建鱼道，挽救那些受到威胁的物种。大鳞大麻哈鱼作为哥伦比亚河流域重要的捕捞鱼类，自该流域修建大坝后，其成鱼和仔鱼难以洄游，失去了45%的栖息地，种类和数量都不断下降，成为该河流区域立法保护的濒危鱼类。由于大坝的干扰，河流水文情势发生明显均质化现象，鱼类生境显示出强烈的同一化趋势。河流水文情势可变性的降低对鱼类多样性的影响很大，流量的变动性降低导致河道复杂性下降，进而降低生境多样性。

4 生态水资源问题

经过近10a的迅速发展，生态水文学的理论与方法在干旱区流域水资源和生态环境问题领域研究中已经显示出其广阔的应用前景，成为最具活力的干旱区水文学与生态学前沿领域，但是正如夏军教授所指出的，生态水文学作为新生学科，其发展和应用过程不可避免的存在许多问题，这也是当今干旱区水文与水资源学以及生态环境领域所面临的一系列重要的挑战性任务与课题。随降水、蒸散发和暴雨事件的增加，以及生物地球化学过程的显著改变，陆地淡水生态系统将如何应对这种剧烈的水文过程变化，是生态水文过程研究可能面临的最严峻的挑战和任务，也是全球变化研究的关键科学问题之一。

生态水文系统的相似性和差异性规律，理解人类活动对生态水文系统的干扰规律，为流域资源开发、灾害预防和生态调控提供科学依据。科学管理水土界面的相互作用，使得淡水生态系统可持续化，就是现阶段生态水文学中流域尺度上提出的新课题，其核心目标就是要探求在全球变化和人口数量剧增的情况下，针对河流与洪泛平原生态系统、沼泽湿地生态系统等水土界面矛盾突出的陆地生态体系，如何保护淡水生态系统及其服务功能，如何有效地控制和减少由于水文情势变化(包括水富营养化和有机污染等)所导致的大范围生态系统的退化。水土界面间物质与能量传输与变化及其对陆地生态系统的影响研究 ，将深化水文生态学的内涵。

国内外有关生态需水量的研究成果，可以分为河道内生态需水量和河道外生态需水量两大体系。在河道需水的研究上，研究人员们主要是通过对河流学、水文学、生物学、环境学和生态水文学的角度进行的测算。河道内生态需水量国际上研究较早，其内涵包括生态系统及其生境维持的非生命系统需水量在内，基本上是河道环境保护的水量需求这样一个范畴，早期国外有关生态需水的概念大都明确局限在维持天然河道内生态系统稳定的水量需求这样的内涵范畴，国内由于存在紧迫的区域生态需水量评价社会需求，以西北干旱区生态需水量研究为重点，发展较快。

如果要良好地解决水资源短缺问题，相关工作人员应该强化水资源评价工作的研究，并提高重视，对水资源的特点、分布进行深入分析，科学合理运用生态水文的理念，对水资源配置进行优化，从而在规划流域水资源的过程中，可以提供准确的依据作为参考。

5 流域尺度生态水文学发展趋势

在干旱内陆流域，生态水文过程研究集中在3个方面：①在河源山区森林带开展的以森林水源涵养功能观测研究为核心的森林生态水文过程研究，在黑河流域祁连山区这方面的研究已有近30a历史，在国内具有一定影响；②干旱区典型植物的水分利用机理和水分胁迫的响应特征等方面相对微观尺度的生态水文研究，包括干旱区土壤结皮的生态水文规律研究；③不同景观带植被生态系统的蒸散发及其年内变化规律的研究。

生态水文过程研究存在多方面的来自学科交叉与观念上的和技术手段上的等诸多困难，面临的最大挑战就在于缺乏陆面生态过程要素中有关水文的一些关键性的数据和信息积累，如植被结构如何影响降雨和雪的截留作用、土壤水分的有效性和水气压差如何控制着植物功能性组分的蒸腾作用等，而且存在比水文过程更加复杂和困难的尺度问题。有挑战就有机遇，正是这些巨大挑战吸引了越来越多的生态学、水文学和环境科学以及人文科学等诸多学科的科学家汇聚到生态水文科学这一新的交叉学科领域中来，在全球范围内业已形成了庞大的专门研究队伍。中国在有些领域的研究独具特色，如黄土高原以土壤侵蚀为核心的植被-土壤-大气水分交换以及流域尺度的水沙效应研究、干旱内陆流域不同景观带的植被-土壤-大气间水分传输规律研究和植被的水文响应特征研究，以及青藏高原基于高寒生态系统的高原能水平衡实验研究等。

干旱区植被生态系统的这种水分适应性，使得对以植被生态为主要对象的生态需水量计算带来了更大困难，尤其是干旱胁迫一年生植物、干旱胁迫雨季生植物的大量存在，使得生态需水量在需水的对象角度就存在很大的随机性。干旱区植物的生态水分适应机理，以植被生态体系为对象的生态需水量，就存在最小生态需水量、适宜生态需水量和最大生态需水量几个类型。

生态水文学的理论与方法对于流域的水文学与水资源、生态学以及可持续发展等学科领域的一系列科学问题提供了最富有前景的研究途径和思路，展望未来，针对全球流域尺度紧迫的水资源与环境问题，流域生态水文学的发展将从生态水文过程和生态水资源相关的几个领域取得突破和需要深入研究。

6 结 语

1)流域或区域水文循环过程中生态与水文相互作用与影响问题研究生态过程影响流域或区域的水文循环过程，包括河道内水生生态系统对河流水文过程的作用。

2)流城水利工程措施作用和影响流域内的生态系统，也就是流域水文过程或水文情势变化对生态系统有影响，包括河道内和河道外相关区域。

3)生态水资源问题，研究流域内各种生态系统的水资源需求和水消耗规律，包括不同水供给情况下的生态水分胁迫的响应机理，前两个方面可以称为生态水文学的水文过程领后者则是生态水文学的水资源问题领域可以认为生态水文学是基于水文学和生态学理论基础。