生态水文学导论(1)

生态水文学导论——生态系统中的水文循环参考书籍•李振基、陈小麟等《生态学》•刘云国、李小明主编《环境生态学导论》•金岚主编《环境生态学》•AndrewJ.Baird,RobertL.Wilby著，赵文智，王根绪译，生态水文学——陆生环境和水生环境植物与水分关系，北京：海洋出版社，2002年•刘昌明.土壤—植物—大气界面水分过程与节水调控.北京：科学出版社，1999．•夏军．生态水文学的发展与西部生态需水问题研究面临的挑战．北京：中国水利水电出版社，2003．第一章引言•1.1生态水文学的研究起源及进展•水资源可持续性的要求•1.1.1生态水文学的孕育阶段(20世纪中叶至90年代初期)•1957年Odum研究了河源系统的能量预算问题，Margalef提出了生物演替(BiologicalSuccession)概念。生物发生带(BiozoonenoticZone)概念•20世纪80年代，开展了河流生态学研究中非常关键的理论探索，Vannote等提出了“河流连续体概念”RCC。“序列不连续体概念”SDC、洪水脉动概念FPL、流生产力模型RPM•1.1.2生态水文学的产生及初期研究(产生至20世纪90年代的中期)•IngramH.A.P.在1987年提出生态水文学这一概念，以湿地为研究对象•BraggO.M.等模拟了从苏格兰的一个上升湿地里抽取泥炭的生态水文过程；•Hense1BruceR.等研究了天然湿地的生态水文过程•JansenAndreJ.M.等研究了平坦湿地的生态水文过程，试图采用模型的方法来研究•这一时段的研究以1996年9月24-26日在法国的斯特拉斯堡召开了“欧洲实验与代表性盆地网络”(EuropeanNetworkofExperimentalandRepresentativeBasins，简称ERB)第6次会议而告一段落。出版了《EcohydrologicalProcessesinSmallBasins》•1.1.3理论探寻阶段(20世纪90年中期以后)•以UNESCO/IHP-V2.3、2.4(1995～2001年)对生态水文过程的专项研究最具代表性。成果：•①对研究尺度的进一步探索。KempJ.L.等对生境尺度的河流生态水力学进行了研究。•②水文过程的生态环境效应。DakovaSnY.等的研究中发现低水位是河流生态系统的限制性因子。•③水文格局的生态效应；•④模型与制图研究。DawesWartickR.等评价了在一个实行轮作的小流域分布参数的生态水文模型。•1998年9月22-24日，在捷克的LIBLICE召开了ERB的第7次会议，会议的主题是“变化环境中流域的水文和生物地球化学过程”,2000年在比利时的GENT召开了ERB第8次研究会议。直至20世纪90年代中后期，我国都尚未将生态水文学作为一专门学科加以研究，只是在相关研究中有所涉及，包括土地利用方式的改变对河流径流量的影响，森林破坏和草地退化对径流量变化的影响以及近年来开展的生态需水研究等等。20世纪末，严登华开始在东辽河流域开展生态水文学研究，以GIS为工具，探讨流域生态水文格局的演化，并构建理想的生态水文格局，进而探讨其在区域水环境安全调控中的应用。1.2生态水文学的研究内容•生态水文学是生态学与水文学的交叉学科。I.Rodriguez-Iturbe认为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。•生态水文学研究在生态学、水文学及环境学的相关研究中有所涉及。生态水文学研究的设想包括：•①采用生态水文学方法提高河道的抗干扰和缓冲能力，实现水资源持续利用；•②河流、水库和河口的脆弱性决定于水文和生物过程的时间演化，这些演化会在人类的干预下发生变化；•③营养物质进入到水体环境的方式和强度决定于人为因素对流域内的水文和生态特征的干扰；•④洪水的强度及持续时间受到河道系统生物过程的改变，即水文变化受到生态格局的影响；•⑤河流中营养物质富集状况受到地表水和河道生物结构的影响；•⑥污染物的转移和变化受到水力-水文格局和河流廊道生态特征的影响；•⑦基于GIS的生态水文学方法应用于由交错带和基本斑块组成的流域，获得在微观尺度上的水文和生态信息，在高一级尺度上汇合，这种对水文信息的增加将会对流域水文格局做出更深刻的解释；•⑧对生态水文过程的的深刻理解和预测能力的提高是实现水资源和景观高效管理的基础；•⑨交错带如河岸缓冲区、湿地和洪泛平原结构的理想化是降低污染物从流域进入河流和下游水体的一个主要工具。•1.2.1生态系统中植物与水的关系研究•植被是水循环中最活跃的调节者，它通过根系吸收水分，叶蒸腾水分而参与水循环。植物的蒸腾和吸水既受本身的生物学特性控制，又受其所处的环境条件的影响。水分在植物体内的运动是纯粹的被动过程，大多数植物体内的水分运动是受水势差驱动的。根据液流上升的表面张力和内聚力理论，水流是叶蒸发面表面张力作用的结果，表面张力降低蒸发面的水势，从而引起植物根系中水分的流动。•植物通过气孔生理特性来控制水分运动，气孔通过增加和减少叶的水蒸气传导性来对光、温度、CO2和叶水势的变化做出响应。影响植物蒸腾的最主要的环境因子就是植物吸收的净辐射。•水分在植物体内运输及其调控机理都属植物水分关系的范畴，因此植物水分关系是生态水文学的基础。•根据陆地主要生态系统类型有：•A.干旱区的生态水文过程•研究区域植被群落演替过程与气候以及其他环境变化的关系是生态水文学关注的焦点问题之一•干旱区降水贫乏，干旱区植物具有适应这种环境与水分的特殊生态功能与生理机制。Evenari把植物划分为“变水”植物和“恒水”植物两类。•分析干旱植物在水分胁迫下的群落组成结构、分布格局与演变过程，始终是干旱区生态水文科学研究的重点领域。•关于干旱区植物分布如何影响径流和水分分布，以及如何调节干旱区侵蚀等问题的研究受到广泛重视。•大尺度土壤-植被-大气传输(SVAT)相互作用以及干旱区植被随气候变化的演化是前生态学家与水文学家共同感兴趣的问题。•B.湿地植物与水的关系•水生生态学以湿地水文与生态过程以及二者之间相互关系的模拟为其主要研究内容•湿地水位如何影响植物的生长和生存、湿地水文运动过程对植被群落结构与空间格局的影响是湿地生态水文学主要的研究领域•研究湿地生态系统排放温室气体的规律及其影响因素，分析这种规律对区域或全球气候变化的影响，成为湿地生态领域日渐活跃的学科领域。•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•C.森林水文生态作用及其环境效应问题•森林水文生态作用研究强调了树木如何影响地表水运输以及如何通过蒸散作用影响土壤水分状况。•①集水区森林水文生态作用研究。从森林覆盖对河川流量的影响研究，发展到森林生态系统与水文过程的相互作用机理及其对大尺度干扰的响应过程，包括植被生态演化、土壤、河流化学与生物地球化学过程研究。•②水土保持森林水文生态作用研究。从林冠截留、林地枯落物吸持水、林地土壤水分入渗与贮水以及林地蒸散发等水文平衡要素出发，系统研究森林水文生态作用过程。•③森林水文生态效益研究。包括水源涵养效益、防洪效益、防止土壤侵蚀与减沙效益等•D.河流、湖泊系统植物与水的关系问题•生态水文过程长期以来都是河流管理与区域生态与环境保护的核心问题•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•干旱区将河流水文过程、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，建立目标决策模型，使生态、水文和经济相互耦合。•湖泊水文状况(水位、水温、含盐量等)控制着湖岸植被类型、群落结构、空间分布以及演化过程，对沿湖分布的动物种群类型及其生活习性也起着决定性作用•1.2.2土壤水分及植被的蒸散发研究•不同植被的蒸散量随土壤湿度而变化，在土壤-植被-大气体系中土壤凋萎湿度依赖于植被和土壤特性。即使在相同的气候条件和相同的土壤环境下，木本植物和草本植物的蒸散量相差很大。•不同地区的不同植被类型土壤水分平衡基本方程I(s,t)、E(s,t)、L(s,t)的确定，是生态水文学的主要研究内容之一•植被的蒸散是土壤水分平衡方程中的主要组成部分，对不同地区不同类型植被的蒸散及其调控机理的研究，也是生态水文学的主要内容。•1.2.3山地垂直梯度及其相关的流域源区的特殊水文与生态过程研究•山地生态水文过程的特征：•①具丰富多样的环境梯度特征•②相对丰富的降水形成较大的地表径流•③在山体上部一般具有冰川分布和永久性积雪覆盖•山区生物多样性沿高程梯度的自然变化直接引起生态和水文过程的空间分异•BAHC和GCTE于1996年开始着手山区生态系统的梯度分异及其相关的流域水文研究，其目的在于明确认识全球变化对区域生态和水文过程的影响。•1.2.4尺度问题研究•生态水文学所揭示的生态格局和过程的水文学机制也都与尺度密切相关，在某一尺度上重要的水文学机制，在另一个尺度上可能并不重要或失去作用。•生态水文学研究中必须要解决水文尺度和生态尺度在空间域上的对应问题。•例如，生态学中的基本尺度生境或群落之间的过渡带往往比水文学的点尺度(point-scale)在空间上要小得多，生态学的中尺度往往指的是一个冲洪积走廊或者复合生态系统中镶嵌的生态系统斑块间的过渡带(或者种群和群落)，大尺度往往指的是土地利用类型(景观类型)或生态系统，而在水文学中这些仅是集水区(Catchment)下的一个次级单元。•尺度问题是生态水文学研究的关健问题，无论在生态水文学实验设计还是模型建立都必须考虑尺度的概念，•1.2.5生态系统生态水文学研究•A干旱、半干旱区的生态水文学研究•1)小尺度上不同时间植物对气候变异响应机制；•2)在区域尺度上植被如何影响干旱区径流和侵蚀；•3)小尺度的生态水文过程与大尺度上植被土壤-大气-水汽传输的相互作用；•4)地中海植被随气候变化的演化过程；•5)描述土地退化和荒漠化的水文学机制及其对全球变化的反馈机制的模型的建立。•1.2.5生态系统生态水文学研究•B森林和疏林区生态水文学研究•森林和疏林地区，生态水文学研究的重点主要集中在森林的水文循环及森林对土壤的影响，其中森林的蒸散特征仍然是森林水文循环中的主要课题。•森林中深厚的枯落物层和良好的土壤透性，能够确保水分的迅速下渗。•C淡水湿地生态水文学研究•主要开展湿地植物如何通过忍耐和逃避的方式适应积水条件，以及湿地植物在积水条件下的氧气传输和厌氧代谢的机制,湿地植物种子贮藏和萌发,湿地植物对土壤干旱的忍受及其种间关系•在淡水湿地生态水文学的研究方面，还研究了植被和地下水的关系•1.2.5生态系统生态水文学研究•D江河生态水文学研究•主要研究静水水生植物的生态学特征，而对流水水生植物生态学的了解较少•水生植物生长能降低河流水流流速，增强沉积，为无脊椎动物、鱼类和宿生海藻提供生境。•河流中植物与水分的研究已很多，但是对解释在流水环境，植物生活过程及其相互作用方面的研究仍要深入•E湖泊及毗邻地区生态水文学研究•湖泊及其周围地表水流、浅层地下水流相互作用,其变化是对区域和局地水流系统的响应•具有较高生产力的湖岸和湿地植被能够迅速增加有机物沉积速率，从而降低了湖泊容积•1.3生态水文学的基本概念•Wassenetal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。•Bairdetal在《生态水文学》一书中指出，生态水文学是生态学的水文方面，它是研究植物如何影响水文过程及水文过程如何影响植物分布和生长的水文学和生态学之间的交叉学科。•Rodriguez-Iturbe在展望气候-土壤-植被动态的水文学前景时，定义生态水文学是描述生态格局和生态过程水文学机制的学科。•1.4生态水文学的研