生态水文学研究进展_严登华

第21卷第5期　　　　　　　　　　　　　　地　理　科　学　　　　　　　　　　　Vol . 21　No . 52001年10月SCIE NTIA GEOGRAPHICA SINIC A Oct . , 2001

　　文章编号:1000-0690(2001) 05-0467-07

生态水文学研究进展

严登华, 何　岩, 邓　伟, 王春梅, 侯佑泽, 厉彩虹

1

2

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1

3

4

(1. 中国科学院长春地理研究所, 吉林长春, 130021; 2. 中国科学院, 北京100864; 3. 安徽省太湖县大山中学, 安徽太湖246400; 4. 四平师范学院, 吉林四平136000; )

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。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; 发展趋势中图分类号:P33　　文献标识码:A

　　水资源问题是21世纪人类面临的重要资源问题之一

[1]

面为生态水文学理论体系的完善进行初步探索。

, 水业将是21世纪最大的产业。从水资源

[2]

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。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

[4, 5]

[3]

1　生态水文学产生的背景———水资源问题的紧迫性及其研究关键

　　末次冰期后, 水资源问题的发展进入生文时期和人文时期。全球性的水资源危机在工业革命以后才初见端倪。随着科学技术的发展, 人类改造自然和征服自然的能力逐渐加强, 水资源的需求量逐渐加大, 污染的种类和过程也日益复杂化, 人类赋予了水资源更多的社会属性, 水资源问题逐渐成为一个严重的基础生存问题摆在人类的面前。联合国教科文组织(UNE SCO ) 在1998年《世界科学报告》中指出:在面临全球环境日益恶化的前提下, 保障淡水资源的可持续性是科学研究的首要目标。在1992年Dublin 和1998年Paris 的联合国水与环境会议上都强调要寻找一种新的解决水资源问题的方案。

近百年来, 人类非理性活动导致水资源问题日趋恶化。人类活动改变了土地利用 覆盖格局, 区(流) 域生态过程发生显著变化, 水文过程的演化也在时间和空间上发生重组。人类向环境中排放大量的污染物, 使得生态系统的结构和功能遭到破坏, 受损的生态系统限制了区(流) 域水文过程的良性发

; 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。联合

国教科文组织主持的国际水文计划第V 阶段研究(UNE SCO I HP -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]

。我国台湾学者正在开始从事该领域

的研究工作, 大陆学者在相关的研究中也涉及到生态水文学的研究, 但目前在我国尚未正式提出生态水文学概念。

本文在对生态水文学的产生背景、研究内涵及研究概况的基础上, 探讨了生态水文学研究的发展趋势。一方面在国内引入生态水文学研究, 另一方

①

收稿日期:2000-11-13; 修订日期:2001-03-25基金项目:中国科学院资源与生态环境研究重点项目(KZ952-J1-067) 。作者简介:严登华(1976-) , 男(汉) , 博士研究生, 主要从事生态水文学与水环境调控研究。E mail :denghuay @yeah . net ①　IHP 生态水文专项高级研讨班讲义, 1999年9月8日～22日, 波兰、奥地利、匈牙利、克罗利亚、意大利。

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展。由此可见, 水资源问题受到生态过程和水文过程的综合影响, 自然和人类的非理性活动导致生态破坏, 使得区(流) 域水文过程发生紊乱。

从水资源发展的本身来看, 提高淡水生态系统抵御外界干扰的能力并维护其本身的结构和功能是实现淡水资源持续管理的基础。淡水资源的持续管理模式必须是与环境友好、在经济上可行、在社会上是可以接受的。成功的水资源管理, 不但要削减对水资源所构成的各种危机(或压力) , 而且还要为水资源的合理利用创造更多的机会。要实现这个目标, 必需注重对淡水生态系统的功能与大尺度的水文过程的综合研究, 将流域、水和生物动力三个要素综合到一个超有机体(super organism ) 上, 这也决定了水资源管理的原则———在一定的经济条件下实现生物多样性、水质、水量的和谐平衡。淡水生态系统的动力学和水文过程的综合必将为淡水资源持续发展奠定基础。然而在很长一段时间内, 水资源调控的主导措施是基于水文机制的水利工程技术; 近年来, 采用生态措施对水资源进行调控成为研究的热点, 然而, 单学科的研究很难逃脱其本身的局限性, 即使人类采取了很多措施, 却没有达到预期的成果。

在这种背景下, 生态水文学作为一门水资源综合研究和管理的科学, 于1992年在Dublin 水与环境国际会议上正式提出, 1995年被列为联合国教科文组织国际水文计划第V 阶段UNESC O IHP V (1996～2001年) 的研究项目之中。

素, 土壤湿度是其关键的研究因子

[4]

。IHP -V 列出

的地表生态水文过程(eco hydrological process in the surficial 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(W orking 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。

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, 但总的来说, 目前生态水文学是一门年轻学科。Zale wski M 等在《UNE SCO I HP -V2. 3、2. 4项目实施背景、内容、原理和科学指南》中, 指出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GI S 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

[3]

[3]

2　生态水文学研究内涵

水资源规划和持续管理必须以大尺度水文过程

的研究为基础。水环境(包括水质和水量) 不但受到气候变化的影响, 同时还受到生物因素的制约。冰期以后生态系统的进化是一个连续的序列过程, 每一步的演进都决定于气候 水文态势和营养物质的丰欠程度, 同时还受到生物的制约; 生物决定了系统内水和营养物质的获取能力, 所以生物过程调控着景观内水和物质的流动。这样水生生态系统中生物过程对水、营养物、沉积物和污染物的影响方式和程度的研究必将推动水文学和生态学向着相互耦合的研究方向发展。

生态水文学是生态学与水文学的交叉学科, 目前尚未有统一定义。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

。

3　生态水文学的研究概况

3. 1　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。

5期　　　　　　　　　　　　　　　　　严登华等:生态水文学研究进展　　　　　　　　　　　　　　　　　　　469

题

[7]

, 促进淡水河道生态系统模拟研究的发展。

[8]

第一生产力这一因素在以前的研究中从来都没有考虑到

[19]

同时期, Margalef 提出了生物演替(Biological Succes -sion ) 概念

, 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(B iozoone -[9, 10]notic Zone ) 概念。1975年, Hawkes 对河道及其分类进行了研究

[11]

。上述的一些方法或多或少地着重于天然

河流, 实际上, 特别是在发展中国家, 人为活动强烈干扰着河道的发展, 赋予了河道更多的社会属性。

在洪泛平原上主河道和水生生境之间的连续体很快被认为是在河流系统中所有过程的驱动因子。Ward 和Stanford 于1995年研究了因水流的调控而对连续

[20]

体产生的干扰。Petts 和Amoros 在1996年指出河流发展过程中的不连续不但受到人类活动的干扰, 还受到因地貌和生态演替而发生的沉积作用制约。Bornette 等在1998年详细描述了考虑到洪泛

[22]

平原连续体的水生植物生命多样性。以上这些方法可以概括成“连续体概念”。区域的淡水资源的持续利用不是一个自发的过程, 需要对水文学、生物机制和区域(流域) 经济机制的深刻理解上, 但这在许多国家只是谈谈而已, 而没有付诸实施。所以, 必需对大尺度、长期水文过程和生物动力过程进行综合研究。3. 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)

Ingra m H . A . P . 在1987年提出生态水文学这一概念, 并对苏格兰泥炭地的生态水文过程进行了研究

[23][21]

。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

[12]

在低级系统的不稳定之上, 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。

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, 为生态水文学的产生奠定了较为扎实的基础。1980年Vannote 等提出了“河流连续体概念”(River Continuum Concept , 简称RCC ) , 指出在天然河流系统中, 生物种群形成一个从河源到河口的逐渐变化时空连续体

[13]

。虽然这个概念在

很多情况下都是从字面上来理解其意义, 但在学术界产生了非常深远的影响, 即使在水利实践中, 这个概念也是被经常应用的。RCC 在河流发育的初期表现得非常明显, 但在受到人为因素干扰的景观中却很少发现。基于人类活动的干扰作用, Ward 和Stanford 在1983年提出的“序列不连续体概念”(Seri -al Discontinuity Concept , 简称SDC )

[14]

[18]

。在这个时期。这一时期的生态水文学研究主要是以湿

[24]

内, 科学家开始意识到林木残留物对河水的影响, 同期也进行了一系列的研究。Cummins 等在1984年对RCC 这个对河流生态系统理论非常有价值的贡献进行修改、完善和拓展, 以提高其在具体领域中的应用效果

[15]

地为研究对象, Bragg O . M . 等模拟了从苏格兰的一个上升湿地里抽取的泥炭的生态水文过程; Hens -[25]

el Bruce R . 等研究了天然湿地的生态水文过程; Jansen Andre J . M . 等研究了平坦湿地的生态水文过程

[26]

。Minshall 在1985年将RCC 理论用于一个, 同时试图采用模型的方法来研究生态水文过

生态修复的过程时进行了拓展, 加大了其时空尺

[16]

度。一些科学家在沿着RCC 这根主线研究的同时, 也试图找到一些对原始概念的特殊应用和拓展。在对不同河流研究的学者来说, 都希望对R CC 进行整体上的修正。如Statzner 和Higler 在1985年对RCC 的理论背景进行了很大的调整

[17]

程; Droesen Wim J . 等研究了模糊技术在生态水文专

[27, 28]

家知识中的应用; Lu Zhang 等使用生物物理模型模拟水文过程, 列举了从W AB VE 到FIFE 和H A -PEX MOBILHY 的应用特征。有的学者力图研究生态水文学的研究框架, Pedroli G . B . M . 研究了表征不同类型浅层地下水的生态水文学参数

[31]

[30]

[29]

。在对AM -;

AZON 河应用RCC 理论研究过程中, Junk 等提出了另外一个对研究产生很大冲击的概念———洪水脉动

概念(Flood Pluse Concept , 简称FPL ) 。它考虑了河岸森林的生产力, 完善了早期用RCC 理论预测的生态系统过程。随着河流有机污染碳源研究的深入, Thorpe 和Delong 在1994年提出河流生产力模型(Riverine Productivity Model , 简称RPM ) , 指出河流中有机碳的来源是综合的, 受到局地作用、河岸带的直Caspary H . J . 研究了因森林退化和土壤酸化而导致的水分发生变化的生态水文学框架。

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“欧洲实验与叙述盆地网络”(European Network of E xperimental and Representative Basins , 简称ERB ) 第6次会议而告一段落。会议的主题是“小流域生态水文过程”, 会后并作为UNE SCO I HP 的技术文件出版了《Ecohydrological Pro -

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欧洲的西南部到中部关于小流域生态水文过程及相关问题的研究现状。这些研究主要集中在检测、模拟土气相互作用、地表径流的产生和水流路径以及小流域尺度上的水质和水文生物地球化学行为。在这个会议上, 对区域效应和尺度效应做了很多讨论, 但仍然是一个尚未解决的重要问题。同时, 气候变化对水文行为和物质运移的可能影响也是一个尚未解决的问题。会议中引用的典型事例来自西班牙、法国南部和欧洲中部, 高度集中在农业和森林覆盖流域。这次会议的总结和探索结果, 与在世界其他各地展开的相关研究结果是相符合的。3. 2　理论探寻阶段(20世纪90年中期以后)

在这期间开展的生态水文学研究, 以UNESC O I HP -V2. 3、2. 4(1995～2001年) 对生态水文过程的专项研究最具代表性。该项研究共有39个研究项目, 在26个国家展开。其具体的实施过程中包括世界研究网络项目、概念研究项目、核心研究项目和相关研究项目。1998年5月在波兰的Lodz 召开了UNESC O IHP -V2. 3、2. 4关于生态水文学的专项研究会议, 会议上交流了专项研究的成果。其研究成果包括以下几个方面:①对研究尺度的进一步探索。Kemp J . L . 等对生境尺度的河流生态水力学进行了研究

[36]

[32]

图的制作

[49]

。除UNESC O IHP -V 专项研究外, Hob -[33]

ma T . W . 于1997年研究了荷兰Delta 与Brabantse 过度地区水文化学和生态水文学特征

; Da wes War -rick R . 等评价了在一个实行轮作的小流域分布参数

[34]

的生态水文模型(TOPOG _IRM ) ; Thiele Michael 研究了垂直土柱中溶质运移的Park 分析方案

[35]

。

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, 这两次会议都强调了对生态水文过程研究。这些研究基本上与UNE SCO I HP -V 的专项研究相吻合。

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。

流域生态水文过程对水环境系统分段调控和管理研究, 可从流域边界至河流的中弘线做一剖面, 根据研究的现状可以分为三个地段的研究:(Ⅰ)河槽区研究、(Ⅱ)河岸缓冲和治理区研究、(Ⅲ)流域生态水文过程研究。综合其研究的领域, 仍然是集中在河流中的水文变化和生态的演化的过程上, 虽有从流域尺度加以研究, 但从其方法来说都是从以河流论河流, 尚未提高到流域的高度。还是从末端(河流) 而考虑其过程(全流域) 的变化。

; Schuller D . 等使用“斑块网络概念”(patch

[37]

network concept ) 对德国西南部滥用土地的恢复进行了研究。②水文过程的生态环境效应。Bia was

S . P . 等研究了布拉马普特拉河(雅鲁藏布江) 对喜玛拉雅山东北部渔业生态的影响

[39]

[38]

; Dakova Sn Y .

等的研究中发现低水位是河流生态系统的限制性因子; Dubnyak S . 等研究第聂伯河水库水文动力过

[40]

程的生态效应; Holzbecher E . 等研究了STEC HLIN 湖流域地下水水文演化对富营养化的影响

[41]

。③

水文格局的生态效应。Wagner I 等研究了在一低地水库恢复过程中支流的水文格局对生物过程的影响

[42]

4　生态水文学研究急待解决的问题及21世纪发展趋势

4. 1　急待解决的问题

由于在学科的产生和发展的过程中, 生态学和水文学均为一独立的学科, 形成了各自的理论框架, 具有为本门学科研究服务的概念和研究尺度体系。作为交叉学科的生态水文学研究首先要解决的关键问题就是要解决好生态学和水文学在水资源研究中的分歧, 基础理论研究必需直接研究在水文学和生态学中河流系统的基本概念, 以及他们怎样才能匹配, 实现生态学与水文学的“无缝整合”, 这将为发展; Brinkman W . L . F . 等研究了波兰Plock 附近

[43]

的VI STULA 河洪泛平原的结构和功能。④模型

与制图研究。Fashchevsky B . 研究了用数学方法估

[44]

计生态和自由水; Tatrai K . 等研究了Kis -Balaton 水保护系统在Balaton 水质控制中应用

[45]

; Timchenko

V . 等研究了第聂伯河河口带生态现状和水质管理

[46]

模型; Van E . K . R . 研究了DE MNAT 模型在荷兰水管理的生态效应

[47]

; Spence R . 研究了英格兰和威

[48]

尔士水资源和渔业管理中PHABSI M 的使用; Wit -

te

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说, 研究的术语不能再模糊不清, 应该进行更为严格的定义。一个术语的数字方程的意义在每个学者的观点中都必需得到承认。这将易于比较, 并将会增加理论和方法的统一性。类型的组织, 虽然经常与已经有的类型相矛盾, 但这是一个核心问题。当前水文学家或生态学家所使用的尺度概念都必需严格定义。统一的概念必需代替分化的工作设想。为达到这些目的, 在交叉学科研究网络中必需与各研究团伙一道进行综合研究。在Lodz 的研究组进行的生态水文学研究, 就是顺应着这个方向, 它将是对生态水文学研究的又一次促进

[4]

在基础理论研究基本完成以后, 生态水文学研究将进入生态水文规律的探求和应用上, 这将是吸取水文学和生态学这两门较为古老学科之长来发展生态水文学, 生态水文学可望在这段时间内取得较快的发展。结合遥感与地理信息系统及相关理论的发展, 可望实现对流域生态水文过程的实时观测和调控。从IHP 的发展计划来看, 生态水文学将向着淡水资源可持续发展理论的应用阶段发展(图1) 。在IHP 生态水文专项计划中, 生态水文学将作为水资源持续利用的工具, 向分析的功能的和生态学的方向发展, 淡水资源的综合和创造性管理, 预测性规划和生态性管理

。

。

4. 2　21世纪的研究发展趋势

图1　生态水文学的发生发展

Fig . 1　The evolution of ecohydrology

　　目前, UNE SCO I HP -VI 阶段(2002～2006) 项目计划已经出台, 广泛针求全世界的意见, 其生态水文学研究的目标是在流域尺度上进一步发展“生态水文学”方法的应用, 考虑陆地和水域环境系统的功能, 将水作为储存转移的媒介。其中有一个建议的项目活动是“水文系统的综合方法作为环境系统的组成在不同的气候、地理和人类活动下通过交叉研究, 以辩明和模拟水、沉积物、营养物和污染物的传输路径”。

生态水文过程对水环境系统的影响十分迫切。本文

的写作, 希望有更多的学者投入到生态水文学的研究中来。在欧洲, 生态水文学的研究已经形成一个网络, 各国之间的联系及对比研究较多。我国地域面积较大, 生态水文学研究也必需实行区际间的配合与协作, 同时也必需与国际研究相同步, 谋求更大范围内的合作。

致谢:感谢朱颜明研究员的悉心指导!

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生态水文学是一门年轻的学科, 尚未形成完整的理论框架和方法体系, 其产生具有强烈的现实需求和较为深厚的理论研究基础。从其研究的现状和发展趋势来看, 它是从生态水文过程着手, 研究水环境系统的演化和演变, 可望从全过程的角度管理流

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Advances in the Ecohydrology Research

YAN Deng -hua , HE Yan , DE NG Wei , W ANG Chun -mei , H OU You -ze , LI Cai -hong

A cademy of Sciences , Beijing 100864; 3. Das han M iddle School of Taihu County , Anhui Province ,

Taihu County , Anhui Province 246400; 4. Siping No rmal college , Sip ing , Jilin 136000)

1

2

1

1

3

4

(1. Changchu n Ins titute of Geog raphy , Chines e A cademy of Sciences , Changchun , Jilin 130021; 2. Chinese

A bstract :Ecohydrology (E H ) is the interdisciplinary subject of the ecology and hydr ology and the science of the inte -grating hydr ological processes with biota dynamics over varied spatial and temporal scales . It has been postulated in 1992during Dublin International Conference on Water and Environment under the condition of the crisis of water . It complies with the two requires of sustainable development and is being favored by people as soon as being put out . It has not the orbicular theor y frame and the methods systems through it is based on the abundant theory basement . E H is still on the path of hunting theory base presently and will be lasting on this path for more time in the future . It will get more quick advance after the consummating the basically theor y . Key words :Ecohydr ology ; Research ; Advances