生态水文学导论(1)

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1.2.3 山地垂直梯度及其相关的流域源区 的特殊水文与生态过程研究
山地生态水文过程的特征： ①具丰富多样的环境梯度特征 ②相对丰富的降水形成较大的地表径流 ③在山体上部一般具有冰川分布和永久性积 雪覆盖 山区生物多样性沿高程梯度的自然变化直接 引起生态和水文过程的空间分异 BAHC和GCTE于1996年开始着手山区生态系 统的梯度分异及其相关的流域水文研究，其 目的在于明确认识全球变化对区域生态和水 文过程的影响。
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。
1.2 生态水文学的研究内容
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1.1.2 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)
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以湿地为研究对象 Bragg O. M.等模拟了从苏格兰的一个上升湿地里 抽取泥炭的生态水文过程； Hense1 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 ，试图采用模型的方法来研究 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“欧洲实验与代表性盆地网 络”(European Network of Experimental and Representative Basins，简称ERB)第6次会议而告一 段落。出版了《Ecohydrological Processes in Small Basins》
• 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。
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C. 森林水文生态作用及其环境效应问题
• 森林水文生态作用研究强调了树木如何影响地表 水运输以及如何通过蒸散作用影响土壤水分状况。 • ①集水区森林水文生态作用研究。从森林覆盖对 河川流量的影响研究，发展到森林生态系统与水 文过程的相互作用机理及其对大尺度干扰的响应 过程，包括植被生态演化、土壤、河流化学与生 物地球化学过程研究。 • ②水土保持森林水文生态作用研究。从林冠截留、 林地枯落物吸持水、林地土壤水分入渗与贮水以 及林地蒸散发等水文平衡要素出发，系统研究森 林水文生态作用过程。 • ③森林水文生态效益研究。包括水源涵养效益、 防洪效益、防止土壤侵蚀与减沙效益等
• 尺度问题是生态水文学研究的关健问题，无论在生 态水文学实验设计还是模型建立都必须考虑尺度的 概念，
• 1.2.5 生态系统生态水文学研究
• A干旱、半干旱区的生态水文学研究
• 1)小尺度上不同时间植物对气候变异响应机制； • 2)在区域尺度上植被如何影响干旱区径流和侵蚀；
• 3)小尺度的生态水文过程与大尺度上植被土壤-大气水汽传输的相互作用； • 4)地中海植被随气候变化的演化过程； • 5)描述土地退化和荒漠化的水文学机制及其对全球 变化的反馈机制的模型的建立。
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1.2.2 土壤水分及植被的蒸散发研究
不同植被的蒸散量随土壤湿度而变化，在 土壤-植被-大气体系中土壤凋萎湿度依赖 于植被和土壤特性。即使在相同的气候条 件和相同的土壤环境下，木本植物和草本 植物的蒸散量相差很大。 不同地区的不同植被类型土壤水分平衡基 本方程I(s, t)、E(s, t)、L(s, t)的确定，是生 态水文学的主要研究内容之一 植被的蒸散是土壤水分平衡方程中的主要 组成部分，对不同地区不同类型植被的蒸 散及其调控机理的研究，也是生态水文学 的主要内容。
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D. 河流、湖泊系统植物与水的关系问题
• 生态水文过程长期以来都是河流管理与区域生 态与环境保护的核心问题 近年来，将理论生态学应用于河流管理，以保 护沿河生物群栖息场所的研究，营养物在河道、 洪泛平原和河岸区内迁移规律研究，河流廊道 对区域生物种群结构和空间生态结构的影响研 究等 干旱区将河流水文过程、区域生态与环境过程 和流域社会与经济发展过程紧密相联，建立目 标决策模型，使生态、水文和经济相互耦合。 湖泊水文状况(水位、水温、含盐量等)控制着 湖岸植被类型、群落结构、空间分布以及演化 过程，对沿湖分布的动物种群类型及其生活习 性也起着决定性作用
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• 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；
• 生态水文学是生态学与水文学的交叉学科。 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。 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 。生态水文学研 究的设想包括：
植物通过气孔生理特性来控制水分运动，气孔通过增 加和减少叶的水蒸气传导性来对光、温度、CO2和 叶水势的变化做出响应。影响植物蒸腾的最主要的环 境因子就是植物吸收的净辐射。 水分在植物体内运输及其调控机理都属植物水分关系 的范畴，因此植物水分关系是生态水文学的基础。
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• 根据陆地主要生态系统类型有：
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1.1.3 理论探寻阶段(20世纪90年中期以后)
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以UNESCO/IHP-V2 .3 、2 .4(1995～2001年)对生态水 文过程的专项研究最具代表性。成果： 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。 ②水文过程的生态环境效应。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 。 ③水文格局的生态效应； ④模型与制图研究。 Dawes Wartick R.等评价了在一
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B. 湿地植物与水的关系
• 水生生态学以湿地水文与生态过程以及二者之间相 互关系的模拟为其主要研究内容
• 湿地水位如何影响植物的生长和生存、湿地水文运 动过程对植被群落结构与空间格局的影响是湿地生 态水文学主要的研究领域
• 研究湿地生态系统排放温室气体的规律及其影响因 素，分析这种规律对区域或全球气候变化的影响， 成为湿地生态领域日渐活跃的学科领域。 • 湿地以其水陆交替的地貌特征，具有特殊的生态水 文特征，最丰富的生物多样性和较高的生物生产力， 而且因其对气候变化与人类活动影响的异常敏感 性 ，成为地球上生态系统演变最为剧烈的场所之 一
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• 1.2.4 尺度问题研究
• 生态水文学所揭示的生态格局和过程的水文学机制 也都与尺度密切相关，在某一尺度上重要的水文学 机制，在另一个尺度上可能并不重要或失去作用。 • 生态水文学研究中必须要解决水文尺度和生态尺度 在空间域上的对应问题。
• 例如，生态学中的基本尺度生境或群落之间的过渡带往往 比水文学的点尺度( point-scale)在空间上要小得多，生态学 的中尺度往往指的是一个冲洪积走廊或者复合生态系统中 镶嵌的生态系统斑块间的过渡带(或者种群和群落)，大尺 度往往指的是土地利用类型(景观类型)或生态系统，而在 水文学中这些仅是集水区(Catchment)下的一个次级单元。
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1.2.1 生态系统中植物与水的关系研究
• 植被是水循环中最活跃的调节者，它通过根系吸收 水分，叶蒸腾水分而参与水循环。植物的蒸腾和吸水 既受本身的生物学特性控制，又受其所处的环境条件 的影响。水分在植物体内的运动是纯粹的被动过程， 大多数植物体内的水分运动是受水势差驱动的。根据 液流上升的表面张力和内聚力理论，水流是叶蒸发面 表面张力作用的结果，表面张力降低蒸发面的水势， 从而引起植物根系中水分的流动。
• 1.2.5 生态系统生态水文学研究
• D江河生态水文学研究 • 主要研究静水水生植物的生态学特征，而对流水 水生植物生态学的了解较少 • 水生植物生长能降低河流水流流速，增强沉积， 为无脊椎动物、鱼类和宿生海藻提供生境。 • 河流中植物与水分的研究已很多 ，但是对解释 在流水环境，植物生活过程及其相互作用方面的 研究仍要深入 • E 湖泊及毗邻地区生态水文学研究 • 湖泊及其周围地表水流、浅层地下水流相互作用, 其变化是对区域和局地水流系统的响应 • 具有较高生产力的湖岸和湿地植被能够迅速增加 有机物沉积速率，从而降低了湖泊容积
• A. 干旱区的生态水文过程
• 研究区域植被群落演替过程与气候以及其他环境变 化的关系是生态水文学关注的焦点问题之一 • 干旱区降水贫乏，干旱区植物具有适应这种环境与 水分的特殊生态功能与生理机制。Evenari把植物划 分为“变水”植物和“恒水”植物两类。 • 分析干旱植物在水分胁迫下的群落组成结构、分布 格局与演变过程，始终是干旱区生态水文科学研究 的重点领域。 • 关于干旱区植物分布如何影响径流和水分分布，以 及如何调节干旱区侵蚀等问题的研究受到广泛重视。 • 大尺度土壤-植被-大气传输(SVAT)相互作用以及干 旱区植被随气候变化的演化是前生态学家与水文学 家共同感兴趣的问题。
个实行轮作的小流域分布参数的生态水文模型 。 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。
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
• 1.2.5 生态系统生态水文学研究
• B森林和疏林区生态水文学研究 • 森林和疏林地区，生态水文学研究的重点主要集中在 森林的水文循环及森林对土壤的影响，其中森林的蒸 散特征仍然是森林水文循环中的主要课题。 • 森林中深厚的枯落物层和良好的土壤透性，能够确保 水分的迅速下渗。 • C 淡水湿地生态水文学研究 • 主要开展湿地植物如何通过忍耐和逃避的方式适应积 水条件，以及湿地植物在积水条件下的氧气传输和厌 氧代谢的机制,湿地植物种子贮藏和萌发,湿地植物对 土壤干旱的忍受及其种间关系 • 在淡水湿地生态水文学的研究方面，还研究了植被和 地下水的关系
生态水文学导论
——生态系统中的水文循环
参考书籍
• • • • 李振基、陈小麟等 《生态学》 刘云国、李小明主编 《环境生态学导论》 金岚主编《环境生态学》 Andrew J. Baird, Robert L. Wilby 著，赵文智，王 根绪译，生态水文学——陆生环境和水生环境植 物与水分关系，北京：海洋出版社，2002年 • 刘昌明.土壤—植物—大气界面水分过程与节水调 控.北京：科学出版社，1999． • 夏军．生态水文学的发展与西部生态需水问题研 究面临的挑战．北京：中国水利水电出版社， 2003．
第一章 引言
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1.1 生态水文学的研究起源及进展
水资源可持续性的要求
1.1.1 生态水文学的孕育阶段(20世纪中叶 至90年代初期)
• 1957年Odum研究了河源系统的能量预算问题， Margalef提出了生物演替(Biological Succession) 概念 。生物发生带(Biozoonenotic Zone)概念 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，Vannote等提出了“河流连续 体概念” RCC。“序列不连续体概念” SDC 、 洪水脉动概念 FPL、流生产力模型 RPM