流域水文过程与植被相互作用研究现状评述

水文科学从以研究陆地水循环过程为核心的地表水文学、土壤水动力学、地下水动力学以及为生产实践服务的工程水文学现已逐渐发展成为综合研究水分、能量与物质（泥沙、二氧化碳以及营养物质等）耦合循环及陆面与大气相互作用、水文过程与生态过程相互作用等为主要内容的综合性、交叉性学科。生态水文学是水文学与生态学的交叉学科，由于气候变化与人类活动加剧引起的流域植被生态退化问题日益严峻，同时由于流域水文过程与植被生态过程的紧密相互作用，流域植被生态水文问题近年来成为国内外的研究热点之一［1］。基于文献调研，本文旨在从流域水文过程与植被相互作用机理、流域植被生态水文模型、气候变化下的流域生态水文响应三个方面阐述流域水文过程与植被相互作用研究的现状，分析流域生态水文学研究的发展历程与趋势。

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流域水文过程与植被相互作用规律研究1.1植被对水文过程的影响植被通过根系吸水和气孔蒸腾对水文过程直接作用，同时也通过其垂直方向的冠层结构和水平方向的群落分布对降雨、下渗、坡面产汇流以及蒸散发过程产生间接影响，形成了植被对水文过程的复杂作用。

植被对降雨的影响主要表现为冠层截留及茎干流对降雨的重分配作用。植被的截留能力受植被类型、郁闭度、降雨量和降雨强度等因素影响。一般情况下，郁闭度愈大、降雨量和降雨强度较小，植被的截留能力愈大。据统计，我国各类森林生态系统的林冠降雨截留率的平均值为22%左右［2］。流域水文过程与植被相互作用研究现状评述

杨大文，雷慧闽，丛振涛

（清华大学水利水电工程系水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084）

摘要：从流域水文过程与植被相互作用规律、流域生态水文模型、流域生态水文对气候变化的响应三个方面，对国内外相关研究现状进行了总结分析。从中发现，当前流域水文学正在从以单一水循环过程为主要研究对象发展成以研究水分、能量与物质耦合循环以及水文过程与生态过程的相互作用等为主要内容的综合性、交叉性学科。现关于流域水文过程与植被之间的关系研究多集中于单向作用的研究，如水文过程对植被的影响研究和植被变化对水文过程的影响研究，而对水文过程与植被之间的反馈机制以及对流域内土壤-植被-大气复杂系统的整体研究不足，缺乏对流域水文过程与植被相互作用机理的全面认识。有研究表明，气候变化已经影响到流域水文过程和植被生长，气候变化下的流域生态水文响应是水文学研究的前沿课题。水文学需要强化对流域生态水文机理的研究，只有在充分揭示流域生态水文机理的前提下，才能预测未来气候变化下的流域生态水文响应。生态最优性原理能够解释植被对外界环境变化的响应，从而被应用于描述植被与水文过程的相互作用。基于生态最优性原理的流域生态水文模型已逐渐成为生态水文学的研究热点之一。

关键词：水文过程；植被；生态水文学；生态水文模型；气候变化；生态水文响应

中图分类号：P339文献标识码：A

收稿日期：2009-04-13

基金项目：科技基础性工作专项（2007FY140900）；国家自然科学基金重点项目（50939004）

作者简介：杨大文（1966-），男，四川人，教授，主要从事流域水文学及流域水文模拟方法等研究。E-mail ：yangdw@ 通讯作者：雷慧闽（1982-），男，福建人，博士生，主要从事生态水文研究。E-mail ：thulhm@

水

利学报SHUILI XUEBAO 2010年10月

第41卷第10期

文章编号：0559-9350（2010）10-1142-08

除去根系吸水对土壤水的直接影响，植被对土壤水以及坡面产流的影响还主要表现为对土壤入渗能力及深层渗漏补给的影响。植被与土壤下渗能力有密切关系，研究表明，林地土壤的水分入渗能力明显大于非林地，林地入渗率平均值是荒地的3~4倍［3］。森林能增加降雨入渗，主要是两个方面的原因：一是植被能增加土壤入渗能力；二是植被改变了地表特性（如地表糙率或地表贮水能力），这使得水分入渗到土壤的机会增大［4］。王根绪等［5］研究了高寒草地植被覆盖变化对土壤水分循环的影响，发现青藏高原河源区高寒草甸草地的植被覆盖度与土壤水分之间具有显著的相关关系，草地的水源涵养功能明显。同时，植被能够通过根系的水力重分布机制（Hydraulic Redistribution）传输土壤水，从而改变表层土壤水分和深层土壤水分的分布［6-7］，并影响水文过程。

一般认为植被覆盖率与流域蒸散发成正比，这是由于流域蒸散发主要来源于植被的蒸腾作用和冠层的截留蒸发，但有研究发现在植被的生长季节和非生长季节这个规律发生了变化。程根伟等［8］利用修正的Penman-Monteith公式对比分析贡嘎山林区非森林地面蒸发和森林蒸散后发现，在非生长季节，模拟的林地蒸发小于裸露地面蒸发量；而在生长季节，结果相反；在5月或10月，二者则基本相当。

森林植被对流域径流的影响目前还存在较多的争论，多数研究认为无论在湿润还是在干旱地区，植被覆盖率降低都会造成径流量显著增加。Loch［9］对比分析澳大利亚昆士兰州南部植被覆盖度分别为0%、23%、37%、47%以及100%区域的产流和地表入渗，结果显示植被覆盖度增加将大大增加地表入渗，从而减小地表产流。刘昌明等［10］在黄河流域的研究表明，林区的径流系数远低于非林区，林区径流系数在5%以下，从林区到非林区径流系数显著递增。也有研究认为植被覆盖度增加将导致径流增大，李昌哲等［11］在永定河流域选择地形、地质、气候等条件基本一致的两个小流域，其植被覆盖率分别为41.8%和24.5%，研究结果显示森林植被覆盖度增加不仅能增加河川年径流量，还能改善河川年径流量的结构，即森林植被具有“增枯减洪”的作用。

森林植被对地下水的作用较为复杂，一方面增加土壤入渗有利于水分补充到地下水［9］；另一方面植被蒸腾作用消耗大量土壤水分以及植被改善土壤贮水能力，不利于水分下渗对地下水的补充［12］；此外，有些植被根系，尤其是根深较大的植被吸水增多，可能导致地下水被植被吸收，使地下水位下降［13］。

1.2水文过程对植被生长的影响研究根据生态系统的不同，水文过程对植被的影响包括两方面：水文过程对自然植被的影响及对农作物的影响。水文过程对自然流域植被的影响研究，主要集中在土壤水及地下水对植被生长的影响上。Adegoke等［14］研究了土壤水分和植被指数的关系，结果表明土壤水分和植被归一化指数NDVI（Normalized Difference Vegetation Index）的相关关系较弱，然而滞后2个月的土壤水分与NDVI的相关关系却很高，表明土壤水分可能是暖季植物状态一个有效的指标，土壤水分还可能存在一个长达2个月的记忆期。在降水稀少的干旱地区，自然植被主要受地下水埋深影响，Cooper等［15］研究地下水位长期下降对植被的影响，结果表明地下水位下降后植被格局发生显著改变。

农作物生长与水分关系密切，这方面的研究主要关注以蒸发蒸腾为核心的田间水分转化关系。我国学者开展了大量亏缺灌溉对作物影响的研究，这些研究可以概括为三类：（1）田间试验与统计分析相结合，分析亏缺灌溉对作物的影响。一般认为，作物生长期间内水分亏缺将导致减产［16］，生长期前的水分亏缺不但对产量无显著影响，反而有利于提高水分生产效率［17］，过度灌水反而会对作物生长和产量产生负效应［18］；（2）基于田间试验，分析灌溉效益、进行灌区作物种植和灌溉制度的优化设计等，如刘钰等［19］、李霆等［20］人的研究；（3）从生长机理研究水分对作物的影响，如作物水分亏缺诊断指标研究［21］及基于生命需水信息的作物高效节水调控技术研究［22］等。

1.3植被与水文过程的相互作用研究植被与水分、能量和物质的耦合循环机理是研究陆面与大气、水文与植被等相互作用的基础，是生态水文学研究的主要内容和也是研究的难点。这方面的代表性研究有Ruddell等［23］采用信息流理论描述大气、植被、能量、水分以及二氧化碳之间的相互反馈作用，以此识别生态系统的基本机制。早在19世纪，达尔文及其他生物进化论者指出，自然选择下