生態(tài)水文學導論(1)

1、生態(tài)水文學導論生態(tài)水文學導論生態(tài)系統(tǒng)中的水文循環(huán) 參考書籍 李振基、陳小麟等 生態(tài)學 劉云國、李小明主編 環(huán)境生態(tài)學導論 金嵐主編環(huán)境生態(tài)學 Andrew J. Baird, Robert L. Wilby 著，趙文智，王根緒譯，生態(tài)水文學陸生環(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程與節(jié)水調(diào)控.北京：科學出版社，1999 夏軍生態(tài)水文學的發(fā)展與西部生態(tài)需水問題研究面臨的挑戰(zhàn)北京：中國水利水電出版社，2003第一章 引言1.1 生態(tài)水文學的研究起源及進展水資源可持續(xù)性的要求1.1.1 生態(tài)水文學的孕育階段(20世紀中葉至90年代初期)1957年

2、Odum研究了河源系統(tǒng)的能量預算問題， 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80年代，開展了河流生態(tài)學研究中非常關(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 、洪水脈動概念 FPL、流生產(chǎn)力模型 RPM1.1.2 生態(tài)水文學的產(chǎn)生及初期研究(產(chǎn)生至20世紀90年代的中期)Ingram H. A. P. 在1987年提出生態(tài)水文學這一概念，以濕地為研究對象Bragg O. M.等模擬了從蘇格蘭的一個上升濕地里抽取泥炭的生態(tài)水文過程；He

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

4、2001年)對生態(tài)水文過程的專項研究最具代表性。成果：對研究尺度的進一步探索。Kemp J. L.等對生境尺度的河流生態(tài)水力學進行了研究。 水文過程的生態(tài)環(huán)境效應。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；模型與制圖研究。 Dawes Wartick R.等評價了在一個實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召開了ERB的第7次會議，會議的主題是“變化環(huán)境中流域的水文和生物地球化學過程”,2000年在比利時的GENT召開了ERB第8次研究會議。 直至直至2020世紀世紀9090年代中后期

5、，我國都尚未將生態(tài)年代中后期，我國都尚未將生態(tài)水文學作為一專門學科加以研究，水文學作為一專門學科加以研究，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河流徑流量的影響，森林破壞和草地退化對徑流量變化的影響以及近年來開展的生態(tài)需水研究等等。20世紀末，嚴登華開始在東遼河流域開展生態(tài)水文學研究，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，進而探討其在區(qū)域水環(huán)境安全調(diào)控中的應用。 1.2 生態(tài)水文學的研究內(nèi)容生態(tài)水文學是生態(tài)學與水文學的交叉學科。I. Rodriguez-Iturbe認為生態(tài)水文學是研究生態(tài)格局和過程下的水文機制的科學，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)水文學研究在生態(tài)學、水文學及環(huán)境學的相關(guān)研究中有所涉及 。生態(tài)水文學研究的設想包括： 采用生態(tài)水文學方法提高河道的抗干擾和緩沖能力，實現(xiàn)水資源持續(xù)利用； 河流、水庫和河口的脆弱性決定于水文和生物過程的時間演化，這些演化會在人類的干預下發(fā)生變化； 營養(yǎng)物質(zhì)進入到水體環(huán)境的方式和強度決定于人為因素對流域內(nèi)的水文和生態(tài)特征的干擾； 洪水的強度及持續(xù)時間受到河道系統(tǒng)生物過程的改變，即水文變化受到生態(tài)格局的影響； 河流中營養(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)水文學方法應

7、用于由交錯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，在高一級尺度上匯合，這種對水文信息的增加將會對流域水文格局做出更深刻的解釋； 對生態(tài)水文過程的的深刻理解和預測能力的提高是實現(xiàn)水資源和景觀高效管理的基礎(chǔ)； 交錯帶如河岸緩沖區(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入河流和下游水體的一個主要工具。 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)的運動是純粹的被動過程，大多數(shù)植物體內(nèi)的水分運動是受水勢差驅(qū)動的。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，從而引起植物根系中水分的流動。 植物通過氣孔生理特性來控制水分運動，氣孔通過增加和減少葉的水蒸氣傳導性來對光、溫度、CO2和葉水勢的變化做出響應。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)運輸及其調(diào)控機理都屬植物水分關(guān)系的范疇，因此植物水分關(guān)系是生態(tài)水文學的基礎(chǔ)。 根據(jù)陸地主要生態(tài)系統(tǒng)類型有： A. 干旱區(qū)的生態(tài)水文過程研究區(qū)域植被群落演替過程與氣候以及其他環(huán)境變化的關(guān)系是生態(tài)水文學關(guān)注的焦點問題之一 干旱區(qū)降水貧乏，干旱區(qū)植物具有適應這種環(huán)境與水分的特殊生態(tài)功能與生理機制。Even

9、ari把植物劃分為“變水”植物和“恒水”植物兩類。分析干旱植物在水分脅迫下的群落組成結(jié)構(gòu)、分布格局與演變過程，始終是干旱區(qū)生態(tài)水文科學研究的重點領(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)學家與水文學家共同感興趣的問題。B. 濕地植物與水的關(guān)系水生生態(tài)學以濕地水文與生態(tài)過程以及二者之間相互關(guān)系的模擬為其主要研究內(nèi)容 濕地水位如何影響植物的生長和生存、濕地水文運動過程對植被群落結(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，而且因其對氣候變化與人類活動影響的異常敏感性 ，成為地球上生態(tài)系統(tǒng)演變最為劇烈的場所之一 C. 森林水文生態(tài)作用及其環(huán)境效應問題森林水文生態(tài)作用研究強調(diào)了樹木如何影響地表水運輸以及如何通過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)與水文過程的相互作用機理及其對大尺度干擾的響應過程，包括植被生態(tài)演化、土壤、河流化學與生物地球化學過程研究。 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)系問題生態(tài)水文過程長期以來都是河流管理與區(qū)域生態(tài)與環(huán)境保護的核心問題 近年來，將理論生態(tài)學應用于河流管理，以保護沿河生物群棲息場所的研究，營養(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)將河流水文過程、區(qū)域生態(tài)與環(huán)境過程和流域社會與經(jīng)濟發(fā)展過程緊密相聯(lián)，建立目標決策模型，使生態(tài)、水文和經(jīng)濟相互耦合。湖

12、泊水文狀況(水位、水溫、含鹽量等)控制著湖岸植被類型、群落結(jié)構(gòu)、空間分布以及演化過程，對沿湖分布的動物種群類型及其生活習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)水文學的主要研究內(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，對不同地區(qū)不同類型植被的蒸散及其調(diào)控機理的研究，也是生態(tài)水文學的主要內(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)過程研究山地生態(tài)水文過程的特征： 具豐富多樣的環(huán)境梯度特征 相對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)和水文過程的空間分異 BAHC和GCTE于1996年開始著手山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的梯度分異及其相關(guān)的流域水文研究，其目的在于明確認識全球變化對區(qū)域生態(tài)和水文過程的影響。 1.2.4 尺度問題研究 生態(tài)水文學所揭示的生態(tài)格局和過程的水文學機制也都與尺度密切相關(guān)，在某一尺度上重要的水文學機制，在另一個尺度上可能并不重要或失去作用。 生態(tài)水文學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應問題。 例如，生態(tài)學中的基本尺度生境或群落之間的過渡帶往往比水文學的點尺度( point-scale)在空間上要小得多，生態(tài)學的中尺度往往指的是一個沖洪積走廊或者復合生態(tài)系統(tǒng)中鑲嵌的生態(tài)系統(tǒng)斑塊間的過渡帶(或者種群和群落)，大尺度往往指的是土地利用類型(景觀類型)或生態(tài)系統(tǒng)，而在水文學中這些僅是集水區(qū)(Catchment)下的一個次級單元。 尺度問題是生態(tài)水文學研究的關(guān)健問題，無論在生態(tài)水文學實驗設計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)水文學研究 A干旱、半干旱區(qū)的生態(tài)水文學研究干旱、半干旱區(qū)的生態(tài)水文學研究 1)小尺度上不同時間植物對氣候變異響應

15、機制； 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程； 5)描述土地退化和荒漠化的水文學機制及其對全球變化的反饋機制的模型的建立。 1.2.5 生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)水文學研究 B森林和疏林區(qū)生態(tài)水文學研究森林和疏林區(qū)生態(tài)水文學研究 森林和疏林地區(qū)，生態(tài)水文學研究的重點主要集中在森林的水文循環(huán)及森林對土壤的影響，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)水文學研究淡水濕地生態(tài)水文學研究 主要開展?jié)竦刂参锶绾?/p>

16、通過忍耐和逃避的方式適應積水條件，以及濕地植物在積水條件下的氧氣傳輸和厭氧代謝的機制,濕地植物種子貯藏和萌發(fā),濕地植物對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)水文學研究 D江河生態(tài)水文學研究江河生態(tài)水文學研究 主要研究靜水水生植物的生態(tài)學特征，而對流水水生植物生態(tài)學的了解較少 水生植物生長能降低河流水流流速，增強沉積，為無脊椎動物、魚類和宿生海藻提供生境。 河流中植物與水分的研究已很多 ，但是對解釋在流水環(huán)境，植物生活過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)水文學研究湖泊及毗鄰地區(qū)生態(tài)水文學研究 湖泊及

17、其周圍地表水流、淺層地下水流相互作用,其變化是對區(qū)域和局地水流系統(tǒng)的響應 具有較高生產(chǎn)力的湖岸和濕地植被能夠迅速增加有機物沉積速率，從而降低了湖泊容積 1.3 生態(tài)水文學的基本概念Wassen et al 將生態(tài)水文學定義為：旨在幫助更好地理解濕地生態(tài)系統(tǒng)自然發(fā)育以及幫助評價濕地生態(tài)系統(tǒng)價值、保護和恢復濕地生態(tài)系統(tǒng)的一門應用學科。 Baird et al在生態(tài)水文學一書中指出，生態(tài)水文學是生態(tài)學的水文方面，它是研究植物如何影響水文過程及水文過程如何影響植物分布和生長的水文學和生態(tài)學之間的交叉學科。 Rodriguez-Iturbe在展望氣候-土壤-植被動態(tài)的水文學前景時，定義生態(tài)水文學是描述生態(tài)生態(tài)水文學是描述生態(tài)格局和生態(tài)過程水文學機制的學科。格局和生態(tài)過程水文學機制的學科。 1.4 生態(tài)水文學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(