生態(tài)水文學(xué)導(dǎo)論(1)

1、生態(tài)水文學(xué)導(dǎo)論生態(tài)水文學(xué)導(dǎo)論生態(tài)系統(tǒng)中的水文循環(huán) 參考書(shū)籍 李振基、陳小麟等 生態(tài)學(xué) 劉云國(guó)、李小明主編 環(huán)境生態(tài)學(xué)導(dǎo)論 金嵐主編環(huán)境生態(tài)學(xué) Andrew J. Baird, Robert L. Wilby 著，趙文智，王根緒譯，生態(tài)水文學(xué)陸生環(huán)境和水生環(huán)境植物與水分關(guān)系，北京：海洋出版社，2002年 劉昌明.土壤植物大氣界面水分過(guò)程與節(jié)水調(diào)控.北京：科學(xué)出版社，1999 夏軍生態(tài)水文學(xué)的發(fā)展與西部生態(tài)需水問(wèn)題研究面臨的挑戰(zhàn)北京：中國(guó)水利水電出版社，2003第一章 引言1.1 生態(tài)水文學(xué)的研究起源及進(jìn)展水資源可持續(xù)性的要求1.1.1 生態(tài)水文學(xué)的孕育階段(20世紀(jì)中葉至90年代初期)1957年

2、Odum研究了河源系統(tǒng)的能量預(yù)算問(wèn)題， Margalef提出了生物演替(Biological Succession)概念 。生物發(fā)生帶(Biozoonenotic Zone)概念 20世紀(jì)80年代，開(kāi)展了河流生態(tài)學(xué)研究中非常關(guān)鍵的理論探索，Vannote等提出了“河流連續(xù)體概念” RCC?！靶蛄胁贿B續(xù)體概念” SDC 、洪水脈動(dòng)概念 FPL、流生產(chǎn)力模型 RPM1.1.2 生態(tài)水文學(xué)的產(chǎn)生及初期研究(產(chǎn)生至20世紀(jì)90年代的中期)Ingram H. A. P. 在1987年提出生態(tài)水文學(xué)這一概念，以濕地為研究對(duì)象Bragg O. M.等模擬了從蘇格蘭的一個(gè)上升濕地里抽取泥炭的生態(tài)水文過(guò)程；He

3、nse1 Bruce R.等研究了天然濕地的生態(tài)水文過(guò)程 Jansen Andre J. M.等研究了平坦?jié)竦氐纳鷳B(tài)水文過(guò)程 ，試圖采用模型的方法來(lái)研究 這一時(shí)段的研究以1996年9月24 -26日在法國(guó)的斯特拉斯堡召開(kāi)了“歐洲實(shí)驗(yàn)與代表性盆地網(wǎng)絡(luò)”(European Network of Experimental and Representative Basins，簡(jiǎn)稱(chēng)ERB)第6次會(huì)議而告一段落。出版了Ecohydrological Processes in Small Basins 1.1.3 理論探尋階段(20世紀(jì)90年中期以后)以UNESCO/IHP-V2 .3 、2 .4(1995

4、2001年)對(duì)生態(tài)水文過(guò)程的專(zhuān)項(xiàng)研究最具代表性。成果：對(duì)研究尺度的進(jìn)一步探索。Kemp J. L.等對(duì)生境尺度的河流生態(tài)水力學(xué)進(jìn)行了研究。 水文過(guò)程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。Dakova Sn Y.等的研究中發(fā)現(xiàn)低水位是河流生態(tài)系統(tǒng)的限制性因子 。水文格局的生態(tài)效應(yīng)；模型與制圖研究。 Dawes Wartick R.等評(píng)價(jià)了在一個(gè)實(shí)行輪作的小流域分布參數(shù)的生態(tài)水文模型 。1998年9月22 - 24日，在捷克的LIBLICE召開(kāi)了ERB的第7次會(huì)議，會(huì)議的主題是“變化環(huán)境中流域的水文和生物地球化學(xué)過(guò)程”,2000年在比利時(shí)的GENT召開(kāi)了ERB第8次研究會(huì)議。 直至直至2020世紀(jì)世紀(jì)9090年代中后期

5、，我國(guó)都尚未將生態(tài)年代中后期，我國(guó)都尚未將生態(tài)水文學(xué)作為一專(zhuān)門(mén)學(xué)科加以研究，水文學(xué)作為一專(zhuān)門(mén)學(xué)科加以研究，只是在相關(guān)研究中有所涉及，包括土地利用方式的改變對(duì)河流徑流量的影響，森林破壞和草地退化對(duì)徑流量變化的影響以及近年來(lái)開(kāi)展的生態(tài)需水研究等等。20世紀(jì)末，嚴(yán)登華開(kāi)始在東遼河流域開(kāi)展生態(tài)水文學(xué)研究，以GIS為工具，探討流域生態(tài)水文格局的演化，并構(gòu)建理想的生態(tài)水文格局，進(jìn)而探討其在區(qū)域水環(huán)境安全調(diào)控中的應(yīng)用。 1.2 生態(tài)水文學(xué)的研究?jī)?nèi)容生態(tài)水文學(xué)是生態(tài)學(xué)與水文學(xué)的交叉學(xué)科。I. Rodriguez-Iturbe認(rèn)為生態(tài)水文學(xué)是研究生態(tài)格局和過(guò)程下的水文機(jī)制的科學(xué)，氣候-植被-土壤的相互作用是其控

6、制性的因素，土壤濕度是其關(guān)鍵的研究因子。生態(tài)水文學(xué)研究在生態(tài)學(xué)、水文學(xué)及環(huán)境學(xué)的相關(guān)研究中有所涉及 。生態(tài)水文學(xué)研究的設(shè)想包括： 采用生態(tài)水文學(xué)方法提高河道的抗干擾和緩沖能力，實(shí)現(xiàn)水資源持續(xù)利用； 河流、水庫(kù)和河口的脆弱性決定于水文和生物過(guò)程的時(shí)間演化，這些演化會(huì)在人類(lèi)的干預(yù)下發(fā)生變化； 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入到水體環(huán)境的方式和強(qiáng)度決定于人為因素對(duì)流域內(nèi)的水文和生態(tài)特征的干擾； 洪水的強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間受到河道系統(tǒng)生物過(guò)程的改變，即水文變化受到生態(tài)格局的影響； 河流中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富集狀況受到地表水和河道生物結(jié)構(gòu)的影響； 污染物的轉(zhuǎn)移和變化受到水力-水文格局和河流廊道生態(tài)特征的影響； 基于GIS的生態(tài)水文學(xué)方法應(yīng)

7、用于由交錯(cuò)帶和基本斑塊組成的流域，獲得在微觀尺度上的水文和生態(tài)信息，在高一級(jí)尺度上匯合，這種對(duì)水文信息的增加將會(huì)對(duì)流域水文格局做出更深刻的解釋?zhuān)?對(duì)生態(tài)水文過(guò)程的的深刻理解和預(yù)測(cè)能力的提高是實(shí)現(xiàn)水資源和景觀高效管理的基礎(chǔ)； 交錯(cuò)帶如河岸緩沖區(qū)、濕地和洪泛平原結(jié)構(gòu)的理想化是降低污染物從流域進(jìn)入河流和下游水體的一個(gè)主要工具。 1.2.1 生態(tài)系統(tǒng)中植物與水的關(guān)系研究 植被是水循環(huán)中最活躍的調(diào)節(jié)者，它通過(guò)根系吸收水分，葉蒸騰水分而參與水循環(huán)。植物的蒸騰和吸水既受本身的生物學(xué)特性控制，又受其所處的環(huán)境條件的影響。水分在植物體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)是純粹的被動(dòng)過(guò)程，大多數(shù)植物體內(nèi)的水分運(yùn)動(dòng)是受水勢(shì)差驅(qū)動(dòng)的。根據(jù)液流上

8、升的表面張力和內(nèi)聚力理論，水流是葉蒸發(fā)面表面張力作用的結(jié)果，表面張力降低蒸發(fā)面的水勢(shì)，從而引起植物根系中水分的流動(dòng)。 植物通過(guò)氣孔生理特性來(lái)控制水分運(yùn)動(dòng)，氣孔通過(guò)增加和減少葉的水蒸氣傳導(dǎo)性來(lái)對(duì)光、溫度、CO2和葉水勢(shì)的變化做出響應(yīng)。影響植物蒸騰的最主要的環(huán)境因子就是植物吸收的凈輻射。 水分在植物體內(nèi)運(yùn)輸及其調(diào)控機(jī)理都屬植物水分關(guān)系的范疇，因此植物水分關(guān)系是生態(tài)水文學(xué)的基礎(chǔ)。 根據(jù)陸地主要生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型有： A. 干旱區(qū)的生態(tài)水文過(guò)程研究區(qū)域植被群落演替過(guò)程與氣候以及其他環(huán)境變化的關(guān)系是生態(tài)水文學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一 干旱區(qū)降水貧乏，干旱區(qū)植物具有適應(yīng)這種環(huán)境與水分的特殊生態(tài)功能與生理機(jī)制。Even

9、ari把植物劃分為“變水”植物和“恒水”植物兩類(lèi)。分析干旱植物在水分脅迫下的群落組成結(jié)構(gòu)、分布格局與演變過(guò)程，始終是干旱區(qū)生態(tài)水文科學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。關(guān)于干旱區(qū)植物分布如何影響徑流和水分分布，以及如何調(diào)節(jié)干旱區(qū)侵蝕等問(wèn)題的研究受到廣泛重視。大尺度土壤-植被-大氣傳輸(SVAT)相互作用以及干旱區(qū)植被隨氣候變化的演化是前生態(tài)學(xué)家與水文學(xué)家共同感興趣的問(wèn)題。B. 濕地植物與水的關(guān)系水生生態(tài)學(xué)以濕地水文與生態(tài)過(guò)程以及二者之間相互關(guān)系的模擬為其主要研究?jī)?nèi)容 濕地水位如何影響植物的生長(zhǎng)和生存、濕地水文運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)植被群落結(jié)構(gòu)與空間格局的影響是濕地生態(tài)水文學(xué)主要的研究領(lǐng)域 研究濕地生態(tài)系統(tǒng)排放溫室氣體的規(guī)律

10、及其影響因素，分析這種規(guī)律對(duì)區(qū)域或全球氣候變化的影響，成為濕地生態(tài)領(lǐng)域日漸活躍的學(xué)科領(lǐng)域。 濕地以其水陸交替的地貌特征，具有特殊的生態(tài)水文特征，最豐富的生物多樣性和較高的生物生產(chǎn)力，而且因其對(duì)氣候變化與人類(lèi)活動(dòng)影響的異常敏感性 ，成為地球上生態(tài)系統(tǒng)演變最為劇烈的場(chǎng)所之一 C. 森林水文生態(tài)作用及其環(huán)境效應(yīng)問(wèn)題森林水文生態(tài)作用研究強(qiáng)調(diào)了樹(shù)木如何影響地表水運(yùn)輸以及如何通過(guò)蒸散作用影響土壤水分狀況。 集水區(qū)森林水文生態(tài)作用研究。從森林覆蓋對(duì)河川流量的影響研究，發(fā)展到森林生態(tài)系統(tǒng)與水文過(guò)程的相互作用機(jī)理及其對(duì)大尺度干擾的響應(yīng)過(guò)程，包括植被生態(tài)演化、土壤、河流化學(xué)與生物地球化學(xué)過(guò)程研究。 水土保持森林水

11、文生態(tài)作用研究。從林冠截留、林地枯落物吸持水、林地土壤水分入滲與貯水以及林地蒸散發(fā)等水文平衡要素出發(fā)，系統(tǒng)研究森林水文生態(tài)作用過(guò)程。森林水文生態(tài)效益研究。包括水源涵養(yǎng)效益、防洪效益、防止土壤侵蝕與減沙效益等 D. 河流、湖泊系統(tǒng)植物與水的關(guān)系問(wèn)題生態(tài)水文過(guò)程長(zhǎng)期以來(lái)都是河流管理與區(qū)域生態(tài)與環(huán)境保護(hù)的核心問(wèn)題 近年來(lái)，將理論生態(tài)學(xué)應(yīng)用于河流管理，以保護(hù)沿河生物群棲息場(chǎng)所的研究，營(yíng)養(yǎng)物在河道、洪泛平原和河岸區(qū)內(nèi)遷移規(guī)律研究，河流廊道對(duì)區(qū)域生物種群結(jié)構(gòu)和空間生態(tài)結(jié)構(gòu)的影響研究等 干旱區(qū)將河流水文過(guò)程、區(qū)域生態(tài)與環(huán)境過(guò)程和流域社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程緊密相聯(lián)，建立目標(biāo)決策模型，使生態(tài)、水文和經(jīng)濟(jì)相互耦合。湖

12、泊水文狀況(水位、水溫、含鹽量等)控制著湖岸植被類(lèi)型、群落結(jié)構(gòu)、空間分布以及演化過(guò)程，對(duì)沿湖分布的動(dòng)物種群類(lèi)型及其生活習(xí)性也起著決定性作用 1.2.2 土壤水分及植被的蒸散發(fā)研究不同植被的蒸散量隨土壤濕度而變化，在土壤-植被-大氣體系中土壤凋萎濕度依賴(lài)于植被和土壤特性。即使在相同的氣候條件和相同的土壤環(huán)境下，木本植物和草本植物的蒸散量相差很大。 不同地區(qū)的不同植被類(lèi)型土壤水分平衡基本方程I(s, t)、E(s, t)、L(s, t)的確定，是生態(tài)水文學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容之一 植被的蒸散是土壤水分平衡方程中的主要組成部分，對(duì)不同地區(qū)不同類(lèi)型植被的蒸散及其調(diào)控機(jī)理的研究，也是生態(tài)水文學(xué)的主要內(nèi)容。 1

13、.2.3 山地垂直梯度及其相關(guān)的流域源區(qū)的特殊水文與生態(tài)過(guò)程研究山地生態(tài)水文過(guò)程的特征： 具豐富多樣的環(huán)境梯度特征 相對(duì)豐富的降水形成較大的地表徑流 在山體上部一般具有冰川分布和永久性積雪覆蓋 山區(qū)生物多樣性沿高程梯度的自然變化直接引起生態(tài)和水文過(guò)程的空間分異 BAHC和GCTE于1996年開(kāi)始著手山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的梯度分異及其相關(guān)的流域水文研究，其目的在于明確認(rèn)識(shí)全球變化對(duì)區(qū)域生態(tài)和水文過(guò)程的影響。 1.2.4 尺度問(wèn)題研究 生態(tài)水文學(xué)所揭示的生態(tài)格局和過(guò)程的水文學(xué)機(jī)制也都與尺度密切相關(guān)，在某一尺度上重要的水文學(xué)機(jī)制，在另一個(gè)尺度上可能并不重要或失去作用。 生態(tài)水文學(xué)研究中必須要解決水文尺度和生

14、態(tài)尺度在空間域上的對(duì)應(yīng)問(wèn)題。 例如，生態(tài)學(xué)中的基本尺度生境或群落之間的過(guò)渡帶往往比水文學(xué)的點(diǎn)尺度( point-scale)在空間上要小得多，生態(tài)學(xué)的中尺度往往指的是一個(gè)沖洪積走廊或者復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中鑲嵌的生態(tài)系統(tǒng)斑塊間的過(guò)渡帶(或者種群和群落)，大尺度往往指的是土地利用類(lèi)型(景觀類(lèi)型)或生態(tài)系統(tǒng)，而在水文學(xué)中這些僅是集水區(qū)(Catchment)下的一個(gè)次級(jí)單元。 尺度問(wèn)題是生態(tài)水文學(xué)研究的關(guān)健問(wèn)題，無(wú)論在生態(tài)水文學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)還是模型建立都必須考慮尺度的概念， 1.2.5 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)水文學(xué)研究 A干旱、半干旱區(qū)的生態(tài)水文學(xué)研究干旱、半干旱區(qū)的生態(tài)水文學(xué)研究 1)小尺度上不同時(shí)間植物對(duì)氣候變異響應(yīng)

15、機(jī)制； 2)在區(qū)域尺度上植被如何影響干旱區(qū)徑流和侵蝕； 3)小尺度的生態(tài)水文過(guò)程與大尺度上植被土壤-大氣-水汽傳輸?shù)南嗷プ饔茫?4)地中海植被隨氣候變化的演化過(guò)程； 5)描述土地退化和荒漠化的水文學(xué)機(jī)制及其對(duì)全球變化的反饋機(jī)制的模型的建立。 1.2.5 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)水文學(xué)研究 B森林和疏林區(qū)生態(tài)水文學(xué)研究森林和疏林區(qū)生態(tài)水文學(xué)研究 森林和疏林地區(qū)，生態(tài)水文學(xué)研究的重點(diǎn)主要集中在森林的水文循環(huán)及森林對(duì)土壤的影響，其中森林的蒸散特征仍然是森林水文循環(huán)中的主要課題。 森林中深厚的枯落物層和良好的土壤透性，能夠確保水分的迅速下滲。 C 淡水濕地生態(tài)水文學(xué)研究淡水濕地生態(tài)水文學(xué)研究 主要開(kāi)展?jié)竦刂参锶绾?/p>

16、通過(guò)忍耐和逃避的方式適應(yīng)積水條件，以及濕地植物在積水條件下的氧氣傳輸和厭氧代謝的機(jī)制,濕地植物種子貯藏和萌發(fā),濕地植物對(duì)土壤干旱的忍受及其種間關(guān)系 在淡水濕地生態(tài)水文學(xué)的研究方面，還研究了植被和地下水的關(guān)系 1.2.5 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)水文學(xué)研究 D江河生態(tài)水文學(xué)研究江河生態(tài)水文學(xué)研究 主要研究靜水水生植物的生態(tài)學(xué)特征，而對(duì)流水水生植物生態(tài)學(xué)的了解較少 水生植物生長(zhǎng)能降低河流水流流速，增強(qiáng)沉積，為無(wú)脊椎動(dòng)物、魚(yú)類(lèi)和宿生海藻提供生境。 河流中植物與水分的研究已很多 ，但是對(duì)解釋在流水環(huán)境，植物生活過(guò)程及其相互作用方面的研究仍要深入 E 湖泊及毗鄰地區(qū)生態(tài)水文學(xué)研究湖泊及毗鄰地區(qū)生態(tài)水文學(xué)研究 湖泊及

17、其周?chē)乇硭?、淺層地下水流相互作用,其變化是對(duì)區(qū)域和局地水流系統(tǒng)的響應(yīng) 具有較高生產(chǎn)力的湖岸和濕地植被能夠迅速增加有機(jī)物沉積速率，從而降低了湖泊容積 1.3 生態(tài)水文學(xué)的基本概念Wassen et al 將生態(tài)水文學(xué)定義為：旨在幫助更好地理解濕地生態(tài)系統(tǒng)自然發(fā)育以及幫助評(píng)價(jià)濕地生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值、保護(hù)和恢復(fù)濕地生態(tài)系統(tǒng)的一門(mén)應(yīng)用學(xué)科。 Baird et al在生態(tài)水文學(xué)一書(shū)中指出，生態(tài)水文學(xué)是生態(tài)學(xué)的水文方面，它是研究植物如何影響水文過(guò)程及水文過(guò)程如何影響植物分布和生長(zhǎng)的水文學(xué)和生態(tài)學(xué)之間的交叉學(xué)科。 Rodriguez-Iturbe在展望氣候-土壤-植被動(dòng)態(tài)的水文學(xué)前景時(shí)，定義生態(tài)水文學(xué)是描述生態(tài)生態(tài)水文學(xué)是描述生態(tài)格局和生態(tài)過(guò)程水文學(xué)機(jī)制的學(xué)科。格局和生態(tài)過(guò)程水文學(xué)機(jī)制的學(xué)科。 1.4 生態(tài)水文學(xué)的研究方法分析研究地下水淺埋區(qū)的地表水系(S)、地下水含水層(G)、土壤(S)、植物(P)、大氣(