中国生态水文学研究进展综述

中国生态水文学研究进展综述

王爱娟 张平仓 丁文峰 刘纪根

摘　　要：从生态水文学的概念入手，分森林、湿地和干旱地区介绍了我国生态水文学的研究进展，以不同地区的地理特性和特点及所开展的研究为重点介绍了生态水文学的发展概况，总结了我国生态水文学存在的问题以及未来发展趋势，指出我国山洪灾害频发造成损失巨大，急需从生态水文学的角度阐述水保措施防洪减灾原理。 关键词：生态水文过程 森林地区 干旱地区 湿地

中图分类号：Ｘ１７１．１　　　　　　　　　　文献标识码：Ａ　　　　　　　　　　　　　　文章编号：１００６－７９７３（２００６）０３－０２０２－０３　

一、引言　

生态水文学是90年代以来兴起的一门新兴边缘学科，是描述生态格局和生态过程的水文学机制的一门科学，是生态学的水文方面，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。生态水文学重点研究陆地表层系统生态格局与生态过程变化的水文学机理，揭示陆生环境和水生环境植物与水的相互作用关系，回答与水循环过程相关的生态环境变化的成因与调控。

二、生态水文学的概念　

生态水文学是生态学与水文学的交叉学科，至今仍没有统一的定义。Ingram 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。Hatton

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是指在一系列环境条件下来探讨等的广义生态水文学定义，

建立，因而在我国必须大力加强生态水文学研究。

三、研究进展　

生态水文学的一个重要研究领域集中于陆地和陆地水生生态系统中植物与水的关系问题，根据陆地主要环境或生态系统类型，该问题可分为干旱地区、湿地、森林、河流和湖泊等5种类型环境或生态系统类型的生态水文分析。本文根据森林、干旱地区及湿地的地理位置特点及特性介绍生态水文学的研究进展。

1．森林地区的生态水文研究进展

中国近代的森林水文研究开始于20世纪20年代，前金陵大学美籍学者罗德民博士和李德毅先生等在山东、山西等地研究了不同森林植被对雨季径流和水土保持效应的影响。我国开展的森林水文学主要是从森林对降水、蒸散发、径流、泥沙和水质的影响等方面进行的，主要研究林冠截留与蒸散发、枯落物的水文效应、水土保持效益（包括调节径流、削峰减洪、减水减沙等），以及由此引起的林地土壤水分的变化。

近几十年来，我国对于林冠截留作了较多深入地研究。温远光（1995）研究得出：我国主要森林生态系统的林冠截留率是11.4%~34.3%之间，变动系数6.68%~55.05%，其中以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。林冠截留量与降水量存在着正相关关系，但不同森林类型又因林冠结构不同，两者的相关关系也不尽相同，林冠截留量一般是降水量的对数函数。林冠截流损失受多种因素的影响，其中包括降雨频率、降雨强度、降雨历时、树种、林龄、林分密度、林冠蒸发能力、林冠构筑型等诸多方面。森林蒸散发是森林生态系统水分循环与能量平衡中最为重要的因素之一，由于森林林冠增加截持雨量的蒸发，又因为枯枝落叶层具有比土壤更多更大的孔隙，使得森林蒸散发量很大，这也是其减少流域径流的原因之一。我国六十年代初开始了森林蒸散发的研究工作，大多数研究结果表明，包

生态水文过程，它考虑了干旱地区、湿地、森林、河流和湖泊的生态水文过程。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。武强等认为生态水文学属于地球科学范畴，是水文学的一个分支，是集地表水文学、地下水文学、植物生理学、生态学、土壤学、气象学和自然地理学于一体、彼此间相互影响渗透而形成的一门新型边缘交叉学科。王根绪等依据国际上流域生态水文学研究的3个主要方向，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。

目前，国外已经对生态水文学及地表生态水文格局进行了深入研究，在我国，局部领域的实验研究较多，如在森林，干旱/半干旱地区以及湿地等区域的研究已构成了生态水文学的重要内容，而对于系统的学科研究还比较薄弱，同时，受学科局限，对生态水文学研究的理论框架和方法体系尚未

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收稿日期：2006-1-30

作者简介：王爱娟 女（1981-） 长江科学院水土保持研究所 研究生 （430010） 研究方向：流域侵蚀产沙与江河泥沙关系

项目基金：水利部创新研究项目（03-01scx2003-19）；国家重点基础研究发展规划“973”项目（0427/YG03）；秦巴

山区小流域综合治理防洪减灾效益研究项目（2004191-T806）

第３期　 王爱娟等：中国生态水文学研究进展综述 ２０３　　 括截流损失在内森林生态系统的蒸散发量大约占降雨量输入的40%~80%。

森林枯落物的水文生态功能不容忽视。森林枯落物具有很强的截流水分和蓄水的性能，它可以削弱雨滴对土壤的直接溅击，还可以吸持降水，大大减少了地表径流的产生。枯落物的最大持水率变化为178.4%~332.1%，枯落物层对降水的年截留率为5.75~12.7%，截留量27.9~93.6mm，阻滞径流速度的效应显著。刘世荣（1996）等的研究表明，各类森林生态系统枯落物层的最大持水量与其现存量呈极显著的正相关关系。森林的水土保持效益研究因其特殊的自然和社会经济条件，研究的比较深入和广泛。分别采用了观测试验（包括标准径流小区、自然坡面集水区、小流域等空间尺度的观测实验）、人工降雨、遥感、和数学模型以及经验模型的方法研究了森林在调节径流、削峰减洪、减水减沙等方面的效应。一般认为，森林可以调节洪水发生过程，降低洪峰，延长洪峰持续时间。而对于林地土壤水分变化，由于林地具有大量腐根所形成的孔隙、动物孔穴和其它非毛管孔隙，又有较多的有机质和水稳性团聚体，导致林地土壤贮水量很高。林地土壤含水量又受植被盖度、植被类型、枯枝落叶层厚度等因素影响。

现阶段的研究主要集中在森林生态系统本身的营养循环上，有关森林植被变化对溪流、湖泊水质的影响研究较少，是一个比较薄弱的环节；另外，目前进行的研究主要是集水区的研究，而森林对河川径流和泥沙的影响开展的研究不多。

2．干旱地区的生态水文研究进展

中国干旱区在广义上既包括分布在35°N以北、106°E以西的广大内陆河流域，也包括分布在北方风蚀水蚀交错带降水量介于300~400mm之间的半干旱地区。近年来干旱区生态过程和格局的水文学机制研究已成为生态环境研究的前沿和需求热点。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（2003）、宋克超（2003）、张济世（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（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。李香云（2004）把地质、气候、水文、植被和土壤作为形成干旱区土地荒漠化的

自然因素，认为人类活动的驱动作用、各种活动方式的作用和人类活动的管理作用是干旱地区土地荒漠化的人类因素。赵文智（2001）提出了临界生态需水量、最适生态需水量等概念，确定了干旱区适宜人工植被的种类组成和格局。

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．湿地的生态水文研究进展

湿地生态系统是生态学家很早关注生态过程与水文过程相互关系的领域，很多有关生态水文过程的研究成果都是建立在湿地生态系统基础上的。我国湿地的研究主要是从湿地概念，湿地功能，湿地资源的保护和利用等方面展开的。

我国的研究从湿地的定义入手了解湿地的水文特征，湿地分类及与周边环境的关系，提出保护和利用湿地的问题。湿地的定义最早是1956年由美国渔业和野生动物局（USFWS）提出：“湿地指的是被浅水、暂时或间歇水体所覆盖的低地……，包括各种类型的沼泽、湿草地、浅水湖泊，但不包括河流、水库和深水湖。”王飞（1990）、殷康前（1998）、贾忠华（2001）等从湿地的定义引出了湿地水文、土壤和植物等生态系统的特征，进而提出湿地保护和利用的问题，指出只有对湿地进行充分的保护，才能使其持续地为人类提供财富，探讨了湿地研究中丞待解决的问题。

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（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（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（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（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（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。

我国湿地面临的问题和应对策略开展了研究。湿地变化主要指湿地面积的丧失和湿地生态系统退化。据很多研究得出，受人类活动、气候变化等各种因素的影响，湿地面积已大大缩小，农业开垦、城市开发、水土流失等是湿地减少的主要原因，而水污染对于湿地质量的威胁也越来越大。

湿地作为一个生态系统，具有多种功能和价值，是人类

２０４　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　《中　国　水　运》理　论　版　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第４卷 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。

四、存在的问题与展望　

生态水文学作为水文过程与生态过程耦合研究的一门学科，已成为水文学科最为活跃的领域。生态水文研究的目的是增加对陆面生态过程与水文过程的理解，为恢复和建立健康生态水文环境提供理论依据，本文认为我国的生态水文研究存在以下几个问题，也是未来的研究热点：在我国，生态水文学的研究仍然处于基础理论的探求阶段，局部领域的研究较多，但系统的理论框架还未完全形成，目前开展的研究都局限于试验阶段，还未上升到理论；针对生态环境的恶化与人为破坏，恢复生态水文学是生态水文学的重要组成部分，而目前生态修复的评价指标因研究领域的不同而异，没有统一的标准来衡量，迫切需要建立一个公认合理的生态环境综合评价指标体系；我国地貌类型复杂多样，山丘区生态环境脆弱，洪水频繁，成灾率高，急需从生态水文学的角度分析山区洪水的形成机制和过程，阐述目前广泛实施的各种水土保持措施防洪减灾的原理。

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