生态水文学ppt

山柳菊 鸡冠草 凤仙花 羊狐茅
老鹳草 沙伯早熟禾 总状花 直立委陵菜
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植物水分关系
• 多数植物体内的水流是由水压差驱动的。 根据汁液上升的内聚力－张力理论，水分 移动是由叶的蒸腾表面张力驱动的。表面 张力降低了蒸腾生境的水压，导致水分从 根里向上流动。 • 在溶质被渗透障碍物所阻的时候，水分移 动比溶质移动容易，水流通过膜进出细胞 的运动是由细胞内外之间的水势差所驱动 的。 • 植物体内水势差主要是由压力差和溶质势 差所决定的。通过根的水流通常是由土壤 水分和植物基部压力差所驱动的。 10
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湿地的水化学成分
• 关于湿地的水化学问题已经做过大 量研究工作，研究的重点在于：了 解水化学条件；确定供水化学过程 及其量化问题；探讨化学与湿地植 被的关系。 • 与植物种分布和湿地植被有直接关 水文条件对水化学有很大影 系的水化学问题包括： 响；植物种的生长和分布更
水力传导率
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凋萎和渍水
• 凋萎是指植物在干旱时的软柔、松弛和下垂 状态。 • 凋萎在叶上表现的最明显。叶靠细胞膨压维 持其形状，当膨压降到零时，叶就出现凋萎 现象。 • 植物接近凋萎点时，气孔传导度逐渐丧失， 蒸腾量和光合作用随之降低。 • 渍水指土壤水分饱和或积水的一种环境条件 ，可能持续几小时或数月之久。 • 渍水往往影响根的形态和生理活动。当根的 水分通量受阻日趋严重时，可引起对水淹敏 感的植物凋萎和落叶，耐水淹植物由于根的 12 适应性反应不容易受渍水影响。
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斑块状植被的生态水文效应
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干旱区生态水文模型
• 描述生态水文模型动态的数值模型，从大气 环流模型的回格到个体植物这一系列尺度上 应用；就时间尺度而言，以几小时用以模拟 过程和事件，以几百年用于模拟气候变化。 • 针对干旱区开发的模型很多，包括水文模型 、生态模型和生态水文耦合模型。 • 模型需要采用可变时段进行模拟：用高分辨 率时段模拟短暂和突发性事件，用低分辨率 时段模拟上述活动以外时间的通量； • 应采用适用于干旱区稀疏作物的蒸散方程； • 需要采用足够小的空间尺度描述干旱区土壤 、地面和植被性质的空间变异性。
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生态水文学的定义
• 生态水文学——狭义：
– 生态水文学是应用性的交叉学科，旨在 更好的了解水文因素如何决定湿地生态 系统的自然发育，特别是在自然保护和 更新方面是很有价值的（湿地生态学家 Wassen, Grootjans, 1996）。 – 生态水文学是生态学的水文方面问题的 一门科学；是从生态问题着眼研究的生 态学之间的一种重叠（Grootjans， 1996）。
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提要
生态水文学的概念 植物水分关系概述
生态水文关系的尺度问题 干旱区生态系统 湿地生态系统 森林生态系统 河流生态系统
多种生态系统中 的植物－水分关系 生态水文模型的建立
湖泊生态系统
生态水文学展望
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淡水湿地的概念与分类
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湿地植被与地下水位活动的关系
• 主要影响因素：
– – – – – – – 植物种（或植被）与土壤水分状况之间的平衡 地下水位动态变化 地下水位波动幅度、频率和持续时间 波动的时间和季节性的影响 地下水位与土壤含水量的关系 其他水文变量：波浪作用、水（或冰）的冲刷 补员过程的影响
从土壤中吸收水 分以恢复叶蒸腾 掉的水分
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植物水分关系
• 影响根系从土壤中吸收水分的主要 因素是扎根深度，扎根深度因土壤 条件和植物种类不同有很大变化。 • 较深的通气良好的北美草原土壤上 ，植物根深可达10～25m，粘重土 壤上生长的植物，90％的根分布在 上层土壤0.5～1.0m处。 • 相同土壤条件下，扎根深度随植物 种类不同有很大差异。
生态水文学 Eco-hydrology
胡 和 平 教授 清华大学水文水资源研究所
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提要
生态水文学的概念 植物水分关系概述
生态水文关系的尺度问题 干旱区生态系统 湿地生态系统 森林生态系统 河流生态系统
多种生态系统中 的植物－水分关系 生态水文模型的建立
湖泊生态系统
生态水文学展望
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生态水文学
• 生态水文学是20世纪90年代以来兴 起的一门边缘学科，是描述生态格 局和生态过程水文学机制的一门科 学，是研究植物如何影响水文过程 及水文过程如何影响植物分布和生 长的水文学和生态学之间的交叉学 科。 • 生态水文学可以积极的用来保护和 改善景观，而不是消极地用来进一 步开发利用景观。
统计降尺度技术 • 降尺度技术可分为四种方法：
– 回归方法 – 天气型方法（大气环流降尺度方法） – 随机天气发生器 – 有限面积模型
• 降尺度技术往往用于解决数据丰富和 数据贫乏地区之间的内插法问题。
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分布技术 • 遥感技术、地理信息系统和数字地 形模型技术的发展大大促进了预测 制图技术的发展，可以解决半分布 、分布式水文模型的参数化问题可 以对地形方面的特性做到更真实的 模拟。 • 分布式模型需要对网格进行排列组 合，使之符合所观测的蒸散或径流 的水文响应，其结果受到所选网格 的数量和分辨率以及加权的影响。
提要
生态水文学的概念 植物水分关系概述
生态水文关系的尺度问题
干旱区生态系统 湿地生态系统 森林生态系统 河流生态系统
多种生态系统中 的植物－水分关系 生态水
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生态水文关系相互作用的尺度问题 • 研究植物水分关系尺度问题的意义
– 人口增长、技术发展和经济活动使得人 类对水系统的影响尺度从局地扩大到全 球范围。 – 绝大多数的气候过程、水文过程和生态 过程具有强烈的时空异质性。 – 生态水文学理论和模型往往是特定尺度 的，特定模型往往只适用于一定的时空 尺度。
• 其他环境变量的影响：
– 地下水文与氧化还原电位的关系 – 测向水流的影响 – 植物与化学变量的相互作用
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湿地植被与地下水位活动的关系
• 植物种间相互作用的影响：
– 种间竞争可改变个体植物所占据的地下 水位范围 – 对湿地适应性好的植物的充氧作用，有 利于适应性差的植物 – 雨成藓沼泥炭藓植物分布与地形相关－ 不同植物种占据不同的微地形梯度部位
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干旱区植物－土壤－水分相关关系
• 干旱区山坡任何一个点上的水分计算是以 一点上的水分输入量（降水、进入流和渗 流）与同一点上的水分排出量（蒸散、径 流和排泄）之差来表示的。
降雨量
穿透降雨
渗透 径流 蒸散
对灌木群落落地雨、茎枝流和根道输水 降水的无规律性与长期降雨量在制约植 作用的研究发现：穿透降雨占总降水量 蒸散主要是由大气蒸发力所驱动的，可 物－土壤－水分关系方面具有同等重要 的比率与植物种类有关，变化规律类似 以表示为潜热通量的函数。 性； 于土壤入渗规律；茎枝流和根的输水作 同一降水量的水分效应在很大程度上取 用为植物提供水分以适应气候短期波动。 净辐射在感热通量和潜热通量之间的分 决于降水量的特征：降水的季节性，降 配，在一定程度上取决于土壤－植物－ 渗透率除了受地表土壤性质以及枯叶层 水强度，暴雨的大小、持续时间及其强 影响外，随地表植被和覆盖度不同，渗 大气连续体产生的有效水量和水势。 度变化形式。 透率和形成的径流量也有很大差异。
外推、整体定标技术
• 外推技术的基本假定：中尺度和亚中尺度 定律和方程可用来描述较大尺度的过程， 换句话说，植物尺度的经验关系适用于植 冠、斑块植被和生物群落尺度。 • Hotton和Wu（1995）提出了另一种尺度 理论：把生态场理论、水分平衡理论和土 壤－植物－大气连续体的标准处理这三种 要素结合起来，预测水汽通量－叶面积关 系的性质。 • 应用量纲分析或自相似技术可推导与尺度 无关的“自然法则”。分形理论为之提供了 一个数学框架，但是简单的分形特性很少 17 应用于所有的时间尺度或空间尺度。
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特征观测尺度
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过程尺度、异质性和变异性
• 特征观测尺度在习惯上就是一个点（或网 格平均值），过程尺度往往反映时空方面 的变化。 • “异质性”通常是用来说明介质性质的空间 变化（如土壤水力传导性），而“变异性” 或变率却涉及空间和时间上有所变化的通 量（如降水量）。 • 所有尺度上地面－大气相互作用的空间异 质性特征对水文气象学家仍然是一大挑战 ，因为干表面和湿表面以上的大气特征由 于地面能量再分配过程的截然不同而大不 16 相同。
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生态和水文过程之间的尺度不匹配 • 大尺度气候特征与小尺度地面属性 之间的尺度错配，即气候模型和观 测的分辨率与地形特征尺度之间的 尺度不匹配 • 小尺度大气特征（对流和雨云）与 区域陆地系统之间的尺度错配，使 得掌握广大区域极端事件的发生情 况和统计数量十分困难
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提要
生态水文学的概念 植物水分关系概述
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生态水文学的定义
• 生态水文学——广义：
– Hatton等（1997）应用生态水文学这 一术语概述植物与水分的相互作用，并 建议生态水文平衡模型的Eagleson理 论应成为生态水文研究的核心。
包括旱地、湿地、森 林、河流和湖泊在内 的一系列环境中的生 态水文过程
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提要
生态水文学的概念 植物水分关系概述
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植物水分蒸腾速率是受植物和环境 植物水分关系
两方面制约的。植物通过气孔生理 来控制水分移动，气孔通过增强或 根据光合作用所需要的 减弱水汽扩散的叶传导度对光、温 速率来吸收CO2，同时 度、CO2、叶水势和湿度作出响应。 使叶的水分蒸腾维持在 但是制约蒸腾最重要的环境因素是 适当的低速率水平 植物所吸收的净辐射。
干旱区大尺度生态水文过程
• 地表代表着相当均匀的又很活跃的动态流 （大气圈）与极静的而在空间上又很复杂 的岩石圈之间的界面。这两个系统的差异 问题就是在这一地面上解决的。 • 地面的特征决定了这两个系统之间的能量 、水分和动能的交换特征。这种交换影响 着气候和生态水文过程，本身也受到气候 和生态水文过程的影响。 • 地面特征决定了地面水文生态过程和亚地 面生态水文过程的自然特性与强度以及植 被盖度的动态变化。
生态水文关系的尺度问题 干旱区生态系统 湿地生态系统 森林生态系统 河流生态系统
多种生态系统中 的植物－水分关系 生态水文模型的建立
湖泊生态系统
生态水文学展望
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干旱区的生态水文过程
• 干旱区气候的一般特征：
– 雨量：热带荒漠为零，到地中海地区北部多半在700mm 以上。 – 雨量的季节性：从不确定性到高度季节性。 – 雨量变率：有时变化无常，但往往表现为明显的年际变 率和10年期变率。 – 降水：在极端干旱区，特别是在海岸地带，露和雾每年 可提供40～300mm的降水量。 – 温度：热带荒漠绝对最高温度为45～47℃，年平均温度 为20～25℃（海岸地区年平均温度为16～19℃），季节 性温度变率很小。地中海地区的气候表现为温度有季节 性变化，最热月份往往超过30℃，有时甚至超过40℃， 而最冷月份却降到零度以下。 – 辐射状况：中纬地区和低纬度地区无云，辐射强。 – 可能蒸发量：辐射强，蒸发量大，不过由于水分获得性 22 小，植被稀少，实际蒸散量却是很低的。
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干旱区大尺度生态水文过程
• 干旱区土壤－植被－大气传输极其复杂：
– 与湿润环境所特有的连续森林或草地相比较 而言，干旱区盖度小而又不连续的植被代表 着具有复杂面的大气圈； – 干旱区土壤与干旱区植被的边界层行为截然 不同，目前的研究对两者水文和微气候反馈 只有初步的了解。
• 水是干旱区一个关键的生态因素，植被的 成分和结构实际上是由水所控制的，同时 植被在许多尺度上对水产生反馈。
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植被对水分动态的影响
• 湿地有许多结构，有助于调节其水文环境 ，同时也有助于保持水分和消散水分。这 些结构包括凹地和水坑的形成、面积和配 置（可提供地表蓄水场所）以及水道的分 布等等。 • 在泥炭地这些结构是由于植物生长、泥炭 积累和分解等情况不同所造成的，是过去 植被调节水文过程的一些形式，也有现今 植被直接调节水文的现实形式。典型的结 构包括上栖植被泥炭层和植被筏。
生态水文关系的尺度问题 干旱区生态系统 湿地生态系统 森林生态系统 河流生态系统
多种生态系统中 的植物－水分关系 生态水文模型的建立
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生态水文学展望
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植物水分关系
• 植物体内的水分运动是纯“被动的” ：由具有高能的地方流向具有低能 的地方。 • 植物细胞的水分关系可以用反映细 胞中水分的能量状况以及能量随含 水量变化的方程来描述。 • 水的能量含量取决于温度、地球重 力场高度、压力和溶液中水的摩尔 分数。