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1生态水文学生态水文学EcoEco--hydrologyhydrology胡胡和和平平教授教授清华大学水文水资源研究所清华大学水文水资源研究所2提要提要多种生态系统中多种生态系统中的植物－水分关系的植物－水分关系湿地生态系统湿地生态系统森林生态系统森林生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统河流生态系统河流生态系统干旱区生态系统干旱区生态系统生态水文学的概念生态水文学的概念植物水分关系概述植物水分关系概述生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题生态水文模型的建立生态水文模型的建立生态水文学展望生态水文学展望3生态水文学生态水文学••生态水文学是生态水文学是2020世纪世纪9090年代以来兴年代以来兴起的一门边缘学科，是描述生态格起的一门边缘学科，是描述生态格局和生态过程水文学机制的一门科局和生态过程水文学机制的一门科学，是研究植物如何影响水文过程学，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长的水文学和生态学之间的交叉学科。科。••生态水文学可以积极的用来保护和生态水文学可以积极的用来保护和改善景观，而不是消极地用来进一改善景观，而不是消极地用来进一步开发利用景观。步开发利用景观。4生态水文学的定义生态水文学的定义••生态水文学生态水文学————狭义：狭义：––生态水文学是应用性的交叉学科，旨在生态水文学是应用性的交叉学科，旨在更好的了解水文因素如何决定湿地生态更好的了解水文因素如何决定湿地生态系统的自然发育，特别是在自然保护和系统的自然发育，特别是在自然保护和更新方面是很有价值的（湿地生态学家更新方面是很有价值的（湿地生态学家WassenWassen,,GrootjansGrootjans,1996,1996）。）。––生态水文学是生态学的水文方面问题的生态水文学是生态学的水文方面问题的一门科学；是从生态问题着眼研究的生一门科学；是从生态问题着眼研究的生态学之间的一种重叠（态学之间的一种重叠（GrootjansGrootjans，，19961996）。）。5生态水文学的定义生态水文学的定义••生态水文学生态水文学————广义：广义：––HattonHatton等（等（19971997）应用生态水文学这）应用生态水文学这一术语概述植物与水分的相互作用，并一术语概述植物与水分的相互作用，并建议生态水文平衡模型的建议生态水文平衡模型的EaglesonEagleson理理论应成为生态水文研究的核心。论应成为生态水文研究的核心。包括旱地、湿地、森林、河流和湖泊在内的一系列环境中的生态水文过程6提要提要多种生态系统中多种生态系统中的植物－水分关系的植物－水分关系湿地生态系统湿地生态系统森林生态系统森林生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统河流生态系统河流生态系统干旱区生态系统干旱区生态系统生态水文学的概念生态水文学的概念植物水分关系概述植物水分关系概述生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题生态水文模型的建立生态水文模型的建立生态水文学展望生态水文学展望7植物水分关系植物水分关系••植物体内的水分运动是纯植物体内的水分运动是纯““被动的被动的””：由具有高能的地方流向具有低能：由具有高能的地方流向具有低能的地方。的地方。••植物细胞的水分关系可以用反映细植物细胞的水分关系可以用反映细胞中水分的能量状况以及能量随含胞中水分的能量状况以及能量随含水量变化的方程来描述。水量变化的方程来描述。••水的能量含量取决于温度、地球重水的能量含量取决于温度、地球重力场高度、压力和溶液中水的摩尔力场高度、压力和溶液中水的摩尔分数。分数。8植物水分关系植物水分关系根据光合作用所需要的速率来吸收CO2，同时使叶的水分蒸腾维持在适当的低速率水平从土壤中吸收水分以恢复叶蒸腾掉的水分植物水分蒸腾速率是受植物和环境两方面制约的。植物通过气孔生理来控制水分移动，气孔通过增强或减弱水汽扩散的叶传导度对光、温度、CO2、叶水势和湿度作出响应。但是制约蒸腾最重要的环境因素是植物所吸收的净辐射。9植物水分关系植物水分关系••影响根系从土壤中吸收水分的主要影响根系从土壤中吸收水分的主要因素是扎根深度，扎根深度因因素是扎根深度，扎根深度因土壤土壤条件条件和和植物种类植物种类不同有很大变化。不同有很大变化。••较深的通气良好的北美草原土壤上较深的通气良好的北美草原土壤上，植物根深可达，植物根深可达1010～～2525mm，，粘重土粘重土壤上生长的植物，壤上生长的植物，9090％的根分布在％的根分布在上层土壤上层土壤0.50.5～～1.01.0mm处。处。••相同土壤条件下，扎根深度随植物相同土壤条件下，扎根深度随植物种类不同有很大差异。种类不同有很大差异。山柳菊凤仙花羊狐茅老鹳草沙伯早熟禾总状花直立委陵菜鸡冠草10植物水分关系植物水分关系••多数植物体内的水流是由水压差驱动的。多数植物体内的水流是由水压差驱动的。根据汁液上升的内聚力－张力理论，水分根据汁液上升的内聚力－张力理论，水分移动是由叶的蒸腾表面张力驱动的。表面移动是由叶的蒸腾表面张力驱动的。表面张力降低了蒸腾生境的水压，导致水分从张力降低了蒸腾生境的水压，导致水分从根里向上流动。根里向上流动。••在溶质被渗透障碍物所阻的时候，水分移在溶质被渗透障碍物所阻的时候，水分移动比溶质移动容易，水流通过膜进出细胞动比溶质移动容易，水流通过膜进出细胞的运动是由细胞内外之间的水势差所驱动的运动是由细胞内外之间的水势差所驱动的。的。••植物体内水势差主要是由压力差和溶质势植物体内水势差主要是由压力差和溶质势差所决定的。通过根的水流通常是由土壤差所决定的。通过根的水流通常是由土壤水分和植物基部压力差所驱动的。水分和植物基部压力差所驱动的。11水力传导率水力传导率12凋萎和渍水凋萎和渍水••凋萎是指植物在干旱时的软柔、松弛和下垂凋萎是指植物在干旱时的软柔、松弛和下垂状态。状态。••凋萎在叶上表现的最明显。叶靠细胞膨压维凋萎在叶上表现的最明显。叶靠细胞膨压维持其形状，当膨压降到零时，叶就出现凋萎持其形状，当膨压降到零时，叶就出现凋萎现象。现象。••植物接近凋萎点时，气孔传导度逐渐丧失，植物接近凋萎点时，气孔传导度逐渐丧失，蒸腾量和光合作用随之降低。蒸腾量和光合作用随之降低。••渍水指土壤水分饱和或积水的一种环境条件渍水指土壤水分饱和或积水的一种环境条件，可能持续几小时或数月之久。，可能持续几小时或数月之久。••渍水往往影响根的形态和生理活动。当根的渍水往往影响根的形态和生理活动。当根的水分通量受阻日趋严重时，可引起对水淹敏水分通量受阻日趋严重时，可引起对水淹敏感的植物凋萎和落叶，耐水淹植物由于根的感的植物凋萎和落叶，耐水淹植物由于根的适应性反应不容易受渍水影响。适应性反应不容易受渍水影响。13提要提要多种生态系统中多种生态系统中的植物－水分关系的植物－水分关系湿地生态系统湿地生态系统森林生态系统森林生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统河流生态系统河流生态系统干旱区生态系统干旱区生态系统生态水文学的概念生态水文学的概念植物水分关系概述植物水分关系概述生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题生态水文模型的建立生态水文模型的建立生态水文学展望生态水文学展望14生态水文关系相互作用的尺度问题生态水文关系相互作用的尺度问题••研究植物水分关系尺度问题的意义研究植物水分关系尺度问题的意义––人口增长、技术发展和经济活动使得人人口增长、技术发展和经济活动使得人类对水系统的影响尺度从局地扩大到全类对水系统的影响尺度从局地扩大到全球范围。球范围。––绝大多数的气候过程、水文过程和生态绝大多数的气候过程、水文过程和生态过程具有强烈的时空异质性。过程具有强烈的时空异质性。––生态水文学理论和模型往往是特定尺度生态水文学理论和模型往往是特定尺度的，特定模型往往只适用于一定的时空的，特定模型往往只适用于一定的时空尺度。尺度。15特征观测尺度特征观测尺度16过程尺度、异质性和变异性过程尺度、异质性和变异性••特征观测尺度在习惯上就是一个点（或网特征观测尺度在习惯上就是一个点（或网格平均值），过程尺度往往反映时空方面格平均值），过程尺度往往反映时空方面的变化。的变化。••““异质性异质性””通常是用来说明介质性质的空间通常是用来说明介质性质的空间变化（如土壤水力传导性），而变化（如土壤水力传导性），而““变异性变异性””或变率却涉及空间和时间上有所变化的通或变率却涉及空间和时间上有所变化的通量（如降水量）。量（如降水量）。••所有尺度上地面－大气相互作用的空间异所有尺度上地面－大气相互作用的空间异质性特征对水文气象学家仍然是一大挑战质性特征对水文气象学家仍然是一大挑战，因为干表面和湿表面以上的大气特征由，因为干表面和湿表面以上的大气特征由于地面能量再分配过程的截然不同而大不于地面能量再分配过程的截然不同而大不相同。相同。17外推、整体定标技术外推、整体定标技术••外推技术的基本假定：中尺度和亚中尺度外推技术的基本假定：中尺度和亚中尺度定律和方程可用来描述较大尺度的过程，定律和方程可用来描述较大尺度的过程，换句话说，植物尺度的经验关系适用于植换句话说，植物尺度的经验关系适用于植冠、斑块植被和生物群落尺度。冠、斑块植被和生物群落尺度。••HottonHotton和和WuWu（（19951995））提出了另一种尺度提出了另一种尺度理论：把生态场理论、水分平衡理论和土理论：把生态场理论、水分平衡理论和土壤－植物－大气连续体的标准处理这三种壤－植物－大气连续体的标准处理这三种要素结合起来，预测水汽通量－叶面积关要素结合起来，预测水汽通量－叶面积关系的性质。系的性质。••应用量纲分析或自相似技术可推导与尺度应用量纲分析或自相似技术可推导与尺度无关的无关的““自然法则自然法则””。分形理论为之提供了。分形理论为之提供了一个数学框架，但是简单的分形特性很少一个数学框架，但是简单的分形特性很少应用于所有的时间尺度或空间尺度。应用于所有的时间尺度或空间尺度。18统计降尺度技术统计降尺度技术••降尺度技术可分为四种方法：降尺度技术可分为四种方法：––回归方法回归方法––天气型方法（大气环流降尺度方法）天气型方法（大气环流降尺度方法）––随机天气发生器随机天气发生器––有限面积模型有限面积模型••降尺度技术往往用于解决数据丰富和降尺度技术往往用于解决数据丰富和数据贫乏地区之间的内插法问题。数据贫乏地区之间的内插法问题。19分布技术分布技术••遥感技术、地理信息系统和数字地遥感技术、地理信息系统和数字地形模型技术的发展大大促进了预测形模型技术的发展大大促进了预测制图技术的发展，可以解决半分布制图技术的发展，可以解决半分布、分布式水文模型的参数化问题可、分布式水文模型的参数化问题可以对地形方面的特性做到更真实的以对地形方面的特性做到更真实的模拟。模拟。••分布式模型需要对网格进行排列组分布式模型需要对网格进行排列组合，使之符合所观测的蒸散或径流合，使之符合所观测的蒸散或径流的水文响应，其结果受到所选网格的水文响应，其结果受到所选网格的数量和分辨率以及加权的影响。的数量和分辨率以及加权的影响。20生态和水文过程之间的尺度不匹配生态和水文过程之间的尺度不匹配••大尺度气候特征与小尺度地面属性大尺度气候特征与小尺度地面属性之间的尺度错配，即气候模型和观之间的尺度错配，即气候模型和观测的分辨率与地形特征尺度之间的测的分辨率与地形特征尺度之间的尺度不匹配尺度不匹配••小尺度大气特征（对流和雨云）与小尺度大气特征（对流和雨云）与区域陆地系统之间的尺度错配，使区域陆地系统之间的尺度错配，使得掌握广大区域极端事件的发生情得掌握广大区域极端事件的发生情况和统计数量十分困难况和统计数量十分困难21提要提要多种生态系统中多种生态系统中的植物－水分关系的植物－水分关系湿地生态系统湿地生态系统森林生态系统森林生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统河流生态系统河流生态系统干旱区生态系统干旱区生态系统生态水文学的概念生态水文学的概念植物水分关系概述植物