生态水文学研究进展_严登华
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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 。Zalewski M 等在《UNESCO IHP 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 GIS 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] 。
水资源问题是 21 世纪人类面临的重要资源问 题之一[ 1] , 水业将是 21 世纪最大的产业 。 从水资源 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[ 2] 。 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[ 3] ;有
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
第 21 卷 第 20 01 年1
5 0
期 月
S CIE NT地IA
理 科 学
GEOGRAPHICA SINICA
VOoclt..2, 12 0No0.51
文章编号 :1000-0690(2001)05-0467-07
生态水文学研究进展
严登华1 , 何 岩2 , 邓 伟1 , 王春梅1 , 侯佑泽3 , 厉彩虹4
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[ 4 , 5] 。 联合 国教科文组织主持的国际水 文计划第 V 阶 段研究 (UNESCO IHP -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① 。
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 。
1957 年 Odum 研 究了河源 系统的 能量预 算问
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 。 同时期 , Margalef 提出了生物演替(Biological Succession)概念[ 8] , 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(Biozoonenotic Zone)概念[ 9, 10] 。1975 年 , Hawkes 对河道及其分 类进行了研究[ 11] 。 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 在低级系统的不稳定之上[ 12] , 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 。
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
(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
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 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[ 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(Working 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[ 3] 。 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 。
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 。
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 。
46 8 地 理 科 学 21 卷
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 。
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
面为生态水文学理论体系的完善进行初步探索 。
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(UNESCO)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 。
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 UNESCO IHP V(1996 ～ 2001 年)的研究项目之中 。
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 。
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[ 18] 。 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”(Serial Discontinuity Concept , 简称 SDC)[ 14] 。 在这个时 期 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] 。Minshall 在 1985 年将 RCC 理论用于 一个 生态修 复的过 程时进 行了 拓展 , 加大 了其 时空 尺 度[ 16] 。 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 RCC 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] 。 在 对 AMAZON 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 接排入和河流第一生产力等因素的制约 。其中河流
水资源问题是 21 世纪人类面临的重要资源问 题之一[ 1] , 水业将是 21 世纪最大的产业 。 从水资源 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[ 2] 。 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[ 3] ;有
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
第 21 卷 第 20 01 年1
5 0
期 月
S CIE NT地IA
理 科 学
GEOGRAPHICA SINICA
VOoclt..2, 12 0No0.51
文章编号 :1000-0690(2001)05-0467-07
生态水文学研究进展
严登华1 , 何 岩2 , 邓 伟1 , 王春梅1 , 侯佑泽3 , 厉彩虹4
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[ 4 , 5] 。 联合 国教科文组织主持的国际水 文计划第 V 阶 段研究 (UNESCO IHP -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① 。
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 。
1957 年 Odum 研 究了河源 系统的 能量预 算问
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 。 同时期 , Margalef 提出了生物演替(Biological Succession)概念[ 8] , 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(Biozoonenotic Zone)概念[ 9, 10] 。1975 年 , Hawkes 对河道及其分 类进行了研究[ 11] 。 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 在低级系统的不稳定之上[ 12] , 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 。
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
(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
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 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[ 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(Working 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[ 3] 。 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 。
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 。
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 。
46 8 地 理 科 学 21 卷
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 。
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
面为生态水文学理论体系的完善进行初步探索 。
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(UNESCO)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 。
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 UNESCO IHP V(1996 ～ 2001 年)的研究项目之中 。
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 。
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[ 18] 。 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”(Serial Discontinuity Concept , 简称 SDC)[ 14] 。 在这个时 期 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] 。Minshall 在 1985 年将 RCC 理论用于 一个 生态修 复的过 程时进 行了 拓展 , 加大 了其 时空 尺 度[ 16] 。 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 RCC 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] 。 在 对 AMAZON 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 接排入和河流第一生产力等因素的制约 。其中河流