生态水文学

宁夏大学硕士生考试考查卷面纸2014～2015学年度第二学期姓名马继梅学号12014130644学院土木与水利工程年级2014级专业水利水电工程研究方向节水灌溉课程生态水文学考试方式主考教师评语成绩主考教师签名：年月日生态水文学发展进程摘要：生态水文学是生态学与水文学的交叉学科,它研究不同时空尺度上水文过程与生物动力过程的耦合机制与规律,以期实现水资源的持续管理。它是在水资源问题日益严峻的形势下,于1992年在Dublin国际水与环境大会上正式提出的。生态水文学作为解决现代水问题的新方式，源于解决环境问题的新思考方式生态工程，以‘生态水文’为主题的论文，专著，会议成蓬勃发展之势，多种生态水文模型与遥感技术相结合模拟生态水文过程虽然生态水文学的产生经历了很长一段时期的孕育,有较为可靠的理论研究背景,但尚未形成完整的理论框架和方法体系,目前的研究仍然是处于基础理论的探求阶段,并且这个阶段还将持续一段时间。当基础理论完善以后,生态水文学可望得到较快的发展。关键词:生态水文学;研究背景;研究现状;发展趋势1引言水资源问题是21世纪人类面临的重要资源问题之一[1],水业将是21世纪最大的产业。从水资源问题产生的背景来看,主要是人类活动破坏了水资源的生态空间[2]。为维护社会的稳定、经济的健康发展,人类必须谋求水资源的持续利用。1992年在Dublin国际水与环境大会上正式提出了生态水文学(ecohydrology)概念。生态水文学一经提出,就广受人们的青睐,有的学者认为生态水文学是实现淡水资源持续利用的重要理论和有效工具,通过生态水文学的研究,人类有望走出水资源问题的困境[3];有的学者认为生态水文学将是今后几年内水资源可持续开发利用研究中最有意义的前沿学科[4,5]。联合国教科文组织主持的国际水文计划第V阶段研究(UNESCOIHP-V)中也把生态水文学作为其重要的研究领域之一,并在26个国家和地区开展了39个项目的研究[6]。生态水文学是一门以生态过程和生态格局的水文机制为核心，以植物与水分关系为理论基础，研究对象涉及旱地、湿地、森林、草地、山地、湖泊、河流等生态系统的新学科，它提出在保持生物多样性，保证水资源的数量和质量的前提下，寻求对环境有利、经济可行和社会可接受的水资源持续管理的有效方式，为水资源可持续利用提供理论基础，对生态水文学的深入研究，可以使退化的生态系统得到恢复，甚至更新，实现水资源的可持续利用。2生态水文学的研究概况生态水文学的孕育阶段(20世纪中叶至90年代初期)为修复遭到破坏的生态过程、水文过程以及协调两者的相互制约机制,自20世纪中叶以来,人们就进行了不断的探索。1957年Odum研究了河源系统的能量预算问题[7],促进淡水河道生态系统模拟研究的发展。同时期,Margalef提出了生物演替(BiologicalSucces-sion)概念[8],部分学者还参照河流水系的分布类型,提出了基于鱼类种群分布的生物发生带(Biozoone-noticZone)概念[9,10]。1975年,Hawkes对河道及其分类进行了研究[11]。在热带雨林和珊瑚礁的研究中发现:在许多自然系统中高级系统的稳定性往往建立在低级系统的不稳定之上[12],这对于微生境的许多概念来说是非常重要的,表明了高级系统的整体性与低级系统的高度分化特征。3生态水文学研究的生态类型生态水文学以陆地和水生生态系统中植物与水的关系研究为基础,探讨一系列环境条件下的生态水文过程。根据陆地主要环境或生态系统类型分为干旱地区，湿地，森林，河流和湖泊等5种类型。3.1湿地生态水文学生态水文学源于湿地生态系统管理和恢复研究,已被湿地生态学家应用了20多年。1996年Wassen等学者专门撰文将生态水文学定义为:旨在帮助更好地理解湿地生态系统自然发育以及帮助评价湿地生态系统价值,保护和恢复湿地生态系统的一门应用学科。由此可见，早期的生态水文学研究对象仅限于湿地生态系统，湿地以其水陆交替的地貌特征，具有特殊的生态水文特征，最丰富的生物多样性和较高的生物生产力，而且因其对气候变化与人类活动影响的异常敏感性，成为地球上生态系统演变最为剧烈的场所之一。国内外从湿地的生态过程水系统与水过程等方面对湿地生态水文过程开展了大量研究。现阶段对于湿地景观格局的研究是生态学家关注的焦点领域。严登华[13]（2004）对东辽河流域各年的景观格局进行动态分析和预测，分析得出近年内某类景观占据主导的趋势在增加，必须对东辽河流域景观所受到的扰动进行合理的调控。潘响亮[14]（2003）等通过研究东北地区湿地的水文景观分类及其对气候变化的脆弱性，得出根据湿地发育的水文景观的特点及其对气候变化的脆弱程度。李颖[15]（2002）等研究得出，三江平原沼泽退化的主要驱动力是人为对沼泽的开垦，引起了土地退化、生物多样性受损及湿地功能下降等效应。现阶段我国湿地的生态水文学研究已经由最初的生态结构与种类变化发展到生物多样性、生态功能以及包含生物地球化学和水分在内的多种物质与能量传输变化。傅国斌[16]（2001）研究指出全球气候变化对湿地生态系统的面积、分布、结构、功能等造成影响；何池全[17]（2000）对湿地生态过程的三个方面即有机物的生产过程、营养物质循环和能量流动及其水文过程进行述评和剖析，指出能量流动与物质循环是生产力研究中不可分割的一部分。湿地作为一个生态系统，具有多种功能和价值，是人类最重要的环境资本之一，被称为“自然之肾”。而地球变暖、人类活动的影响、水土流失、土地荒漠化等正威胁着湿地生态系统的健康，因此，景观格局或湿地斑块在营养物的运移、输送过程中起的作用；流域内湿地生态系统健康的恢复研究与综合评价指标体系的建立在湿地生态水文研究中还存在不足。3.2干旱区生态水文学由于干旱区水文过程控制植被的生长发育，天然植被和人工植被又是水土流失和土地荒漠化的主要调控者，所以水文循环过程的改变往往是干旱区所有生态环境问题如水土流失和土地荒漠化的直接驱动力。因此，生态水文过程的机理是干旱区生态环境保护和恢复重建中必须面对的基础科学问题，对其深入研究不仅可以为天然生态系统的可持续维持，而且可以为退化生态系统的恢复重建提供科学依据，从而为我国广大干旱区经济，社会和生态环境协调可持续发展提供重要的生态水文学依据。因此，在我国深入开展干旱区生态水文过程若干基础理论问题研究具有重要的理论和现实意义。总体上来看，我国主要开展了以黑河、塔里木河等内陆河流域为典型区域的生态环境的特点和变化的研究以及流域内森林植被生态水文过程的研究来揭示干旱地区的生态水文特征，并以干旱、半干旱地区的生态环境的特点为基础，研究导致此类地区土壤荒漠化、盐渍化等问题的影响因素及解决方法。内陆河流域的生态过程与水文过程之间的响应是干旱、半干旱地区的生态水文学问题的重要组成部分。金博文[18]（2003）、宋克超[19]（2003）、张济世[20]（2004）等在黑河流域建立了陆面过程观测的环境观测系统（ENVIS），研究了黑河流域山区水源涵养林在水文过程中的作用以及不同景观带内各有特色的土壤-植物-大气体系（SAVT）内的水分、热量、光合作用过程及其时空分布规律，确定了流域水资源安全临界线和警戒线。李香云[21]（2001）等认为近50年来塔里木河上中游的水土开发活动，使下游来水量锐减，从而引发下游绿色走廊的逐步衰败，土地荒漠化加剧等生态环境恶化问题。干旱区面临的问题是土地的荒漠化和盐渍化，而其实质是土地减弱或丧失了生长绿色植物的能力。我国干旱半干旱地区的生态水文已进行了较多的研究，但是因为其所处地理位置的特殊性，淡水资源的贫乏短缺与可持续发展的生态观之间的矛盾是其生态环境问题的主要矛盾，所以在生态需水的量化与合理的土地利用和土地管理，寻求在合理的土地利用、管理制度的基础上，界定最适生态需水量的研究上还存在不足。3.3森林生态水文过程近年来许多国家开始关注森林对暴雨径流过程和土壤侵蚀的影响%有力地促进了森林生态水文学的发展，由于水循环是森林生态系统物质传输的主要过程，因此水文学的应用在一个生态系统中至关重要。生态学家普遍重视生态系统中水的储存与运移过程，从微观的个体植物生理水分与生长的关系研究，乃至区域水文循环过程对植被群落演替与生态过程的关系研究，森林与水的关系不仅受森林生态系统本身的影响，而且还受地形、地质、土壤类型、植被等的空间变异性以及气象通量如降雨，入渗和蒸发等时空变化性的影响。因此增加了定量描述森林流域径流形成机制和水文响应模式的难度。植被是各生态系统对水分传输有着重要作用的第一层，是调节降水分配和水分输入的重要过程，使降雨量!降雨强度!降雨分布等发生显著变化，直接影响水分在生态系统中的整个循环过程［22-23］.以森林为例，降雨下落到植被层表面产生了第一次分配，分配为林内降雨量，树干流量和林冠截留量三个分量.国外研究表明林冠截留率在10%-30%之间，有的地方甚至达到50%.我国各主要森林生态系统类型林冠截留率平均值变动于11.40%-34.34%，变动系数为6.68%-55.05%，各种森林生态系统的林冠截留功能波动性大，稳定性小，其中亚热带西部高山常绿针叶林最大，亚热带山地常绿落叶阔叶混交林最小［24］.树干流量一般只占降雨总量的0.3%-3.8%，在森林生态系统水分平衡的各个分量中只是一个非常微小的部分，在定量研究中常常被忽视，但其有着重要的生态学意义.树干流主要在树木根部下渗分布，其中的水分和淋洗树冠得到的养分易于被树根吸收［25-26］，因而对树木生长起着相当重要的作用，特别在干旱!半干旱条件下，树干流对造林树种的成活至关重要［27］，树干流甚至成为了某些树种适应干旱瘠薄立地条件的重要决定因素之一.3.4河流，湖泊生态水文学近年来将理论生态学应用于河流管理，以保护沿河生物群栖息场所的研究，营养物在河道，洪泛平原和河岸区内迁移规律研究，河流廊道对区域生物种群结构和空间生态结构的影响研究等都是十分重要的河流生态水文课题。干旱区内陆河流的开发利用引起的生态环境效应始终是人们关注的焦点。在这方面的研究中已将河流水文过程，区域生态与环境过程和流域社会与经济发展过程紧密相联，从流域系统角度建立目标决策模型，使生态，水文和经济相互耦合为统一的整体行为。在干旱内陆河流域，植被，土壤等的生态特征以及自然水环境随流域水分分布呈现显著的空间三向分异规律。这种规律可能对流域生态与环境的保护起着重要作用，植物对湖泊水位的控制作用。流域生态水文学是以流域为研究单元，应用生态水文学的理论思维和系统科学的方法，在时空尺度上研究生态过程与水文过程相互影响!相互作用!共同耦合演进的过程。机理和机制，探求流域水资源持续利用与水环境安全管理的一门新型学科，最终目标是为流域社会经济与生态环境协调!稳定!健康发展提供科学依据和决策指导。目前流域生态水文过程的研究主要有3个方向:一是气候变化及土地利用与覆被变化下的流域水文响应;二是流域生态水文化学研究，主要是湖泊的富营养化问题;三是流域生态水文的生态效应研究。(1)气候变化及土地利用与覆被变化下的流域水文响应.气候变化对流域水文的影响主要体现在对水资源量和水质的影响上，它将影响水文循环，改变河川径流，影响水在水库中的滞留时间以及水体中的水位，由此引起洪水和干旱峰值和强度的变化，并最终引起整个流域的变化;土地利用与覆被变化能从多个层次上影响降雨!径流和蒸发，对水资源进行再分配从而影响水文循环全过程。植被除了能影响水资源分配外，在沉积物的滞留方面也起到重要作用，通过拦截径流，植被能有效地保持水土，防止土壤的流失，而植被对土壤的控制效果主要取决于植被体系和性能特点。土地利用的另一个重要的生态水文影响体现在土壤流失问题上，土壤流失往往导致土地的退化和荒漠化。(2)流域水文化学过程研究.流域尺度上生态水文化学过程研究主要是研究流域水文过程,生态格局变化对水质的影响，即水质性研究，包括营养物质的迁移和转化规律研究,景观格局变化产生的水质污染和水生生态系统对水质污染的响应研究等。目前国内外研究大致集中在湖泊的富营