【干旱区流域水文-生态过程耦合分析与模拟研究框架】 干旱对植物的生态作用

　　doi:10.3724/SP.J.1201.2012.01102 　　 　　摘要：干旱区流域水资源短缺与生态恶化问题日趋严重，水文-生态过程耦合分析与模拟问题是实现干旱区流域水安全与生态安全亟待解决的核心科学问题。在总结国内外水文-生态过程耦合研究现状的基础上，探讨当前干旱区流域水文-生态过程耦合研究面临的关键科学问题，初步提出干旱区流域水文-生态过程耦合研究框架，包括水文-生态过程的作用机制、耦合关系和耦合模拟研究，旨在为干旱区流域水文-生态耦合研究提供参考。�
　　关键词：干旱区流域；水文-生态过程；作用机制；耦合关系；耦合模拟�
　　中图分类号：TV11 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2012）01-0102-04�
　　Discussion of Research Framework of Coupled Analysis and Simulation of �Hydro-ecological Processes in Arid Watersheds�
　　ZUO Qi-ting�1,GUO Li-jun�2,PING Jian-hua�1,LIANG Shi-kui�1�
　　(1.Center for Water Science Research,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China；
　　2.Xinjiang Survey �and Design Institute of Water Resources and Hydropower,Urumqi 830000,China)�
　　Abstract:The shortage of water resources and the deterioration of ecosystem have become increasingly serious in the arid watersheds.Coupled analysis and simulation of the hydro-ecological processes are believed to be a core science to realize the water and ecological safety in the arid watersheds.This paper summarized the current worldwide research progress of the hydro-ecological processes,discussed the key scientific problems in the hydro-ecological processes at present,and proposed the research framework for the coupled analysis of the hydro-ecological processes in the arid watersheds,including the mechanism,coupled relationship and simulation of the hydro-ecological process.This framework can provide references for the research of coupled hydro-ecological processes in the arid watersheds.�
　　Key words:arid watersheds；hydro-ecological processes；mechanisms；coupled relationship；coupled simulation
　　�
　　
　　水是干旱区最为稀缺的资源，不仅是制约经济社会发展的关键因素，也是维系生态系统健康的关键因子。干旱区水资源匮乏，生态脆弱，由水资源开发利用引起的绿洲萎缩、沙尘暴肆虐、土壤盐渍化等生态问题日益凸显。干旱区经济社会用水的快速增长及其对生态用水的严重挤占，使水资源短缺与生态退化成为实现干旱区流域可持续发展的关键障碍。�
　　在干旱区，水资源系统与生态系统之间相互联系、相互影响。仅仅独立地研究区域/流域水文过程或生态过程，不能系统地揭示水与自然生态相互作用的客观规律，也难以解决淡水资源短缺、水质恶化和生物多样性减少等生态问题。针对干旱区流域水资源短缺与生态恶化问题，综合考虑水文要素与生态要素的关联，研究水文过程和生态过程相互作用的物理和化学机制，寻求对生态有利、水资源可持续利用的管理方式是当前亟待开展的核心研究问题［1-2］。《国家中长期科学发展规划纲要（2006-2020）》明确提出要加强尤其是要加强干旱区生态环境问题研究，其中“水文-生态过程作用机制的研究和水文生态综合集成研究”是纲要的优先主题［3］。可见，干旱区流域水文-生态过程耦合分析与模拟研究正面临着国家重大需求的历史机遇。
　　1 国内外研究现状�
　　水文过程与生态过程耦合研究是现代水文科学最为活跃的领域之一［4-5］。国际地圈生物圈计划的“水循环的生物圈方面（BAHC）”和国际教科文组织（UNESCO）的国际水文计划（IHP）等国际研究计划以认识陆地生态系统与区域水文过程的耦合机制为核心内容［6］。
　　1.1 国外研究现状�
　　20世纪50-60年代，Petts等通过研究河渠、河网、集水区的形成与演化开展了最初的水文-生态研究［7］。早期的水文-生态研究大多是在湿地、水陆过渡带等水生生态系统开展水文-生态的耦合特征研究。自20世纪80年代起，水文-生态研究的范围开始转向陆地水域、水陆交错带、森林和干旱区等水文过程和生态过程耦合作用的敏感区。国际上许多学者在这些区域开展了深入的研究工作。�
　　1.1.1 干旱区水文-生态过程作用关系研究�
　　目前，有关干旱区水文-生态过程作用关系的研究，多是从单一方面的效应研究入手，即水文变化的生态效应或生态变化对水文过程的影响效应，缺乏系统的、综合的耦合研究。�
　　在“水文变化的生态效应”方面，Klijin等（1999）指出可以利用水的流量、流速等水文要素对生境进行重塑并控制植被群落［8］；Garcia等（2000）指出水文过程可以调整配置景观内的“流”（包括营养物、污染物、矿物质、有机质），水质的恶化和水位（特别是地下水浅水位）变化、水化学特征及其变化，影响植物的群落结构、动态、分布和演替［9］；Dakova等（2000）、Snyder 等（2006）认为水文过程可以通过多种水文要素，如水文、水力影响营养物质在淡水生态系统内的分布与富集；干旱、半干旱区降水事件引起的土壤水分与养分等资源的脉动，深刻影响着植物生活史、种群动态、群落变化、入侵恢复以及生态系统流［10-11］。�
　　在“生态变化对水文过程的影响效应”方面，Glaser等（1990）研究了植被对水化学和水文梯度的影响，指出植被对水化学梯度很敏感，水化学梯度（主要是pH值和Ca含量）对植被群落演替具有重要作用［12］；Bromley等（1997）指出大尺度上，大面积自然植被的破坏，特别是热带雨林的破坏可能造成降水量的减少，并改变整个区域的水文循环模式［13］； Armando等（2007）指出影响水文过程的最显著的土地利用变化之一是植被变化［14］；Amenu等（2008）认为植被能够通过根系的水力重分布机制传输土壤水，从而改变表层土壤水分和深层土壤水分的分布，并影响水文过程［15］。�
　　1.1.2 水文-生态过程模拟研究�
　　水文生态模型是在揭示区域水文过程机理的基础上，建立的模拟预测水文生态耦合作用关系和演变趋势的模型，近年来成为水文-生态研究的热点。在水文生态模型的构建上，德国、澳大利亚、荷兰等国走在世界前列，探索开发了SWM模型、TOPOG模型和DEMNAT模型等诸多水文生态模型。�
　　目前，国际上成功开发并应用的水文生态模型主要有：① 德国开发的SWM模型，可用于模拟水文、植被生长、侵蚀、养分（N和P）等过程，主要适用于中尺度（100~10 000 km�2）或同数量级尺度地区的水文-生态过程［16］；② 澳大利亚开发的TOPOG模型，是基于地形分析的小流域水文模型，用于模拟流域瞬时水文及其对流域植被变化的响应、植被生长及其对水量平衡的影响等［17］；③ 荷兰开发的国家生态水文预测模型DEMNAT及陆地生态系统水文影响评价模型ITORS。DEMNAT主要用于模拟水文变化的生态效应，在全国和区域尺度上表现良好［18］。ITORS可描述植物种群和生境因子（如土壤、地下水和土地管理）之间的相互关系，可用来评价人类活动引起环境变化条件下的植物种群响应机制［19］；④ ICHORS生态水文模型，可用于预测化学和水文生物因子对植物种群响应的影响；⑤ 包含了部分生态分析功能的具有代表性的分布式水文模型（MIKESHE、SWAT、HYDROGEOSHPERE等）。�
　　当前，国际水文-生态过程耦合分析与模拟研究总的趋势为：不再是独立地研究区域水文过程或生态过程，而是耦合水文-生态过程并放到区域、流域尺度，从水文-生态过程的作用机制及耦合关系进行综合研究。
　　1.2 国内研究现状�
　　近10年来，我国开始重视水文-生态过程的耦合研究，主要侧重于干旱区、湿地、森林生态系统局部尺度上土壤-植被-大气传输中水与植被的相互影响。由于我国西北干旱区水资源短缺与生态退化问题较为突出，在干旱区水文-生态过程耦合研究中取得的成果较多。�
　　1.2.1 干旱区水文-生态过程作用关系研究�
　　目前，此方面研究主要侧重于研究植被结构与功能变化对水文过程变化的响应，土地利用/覆被变化对水文过程变化的响应以及植被与地下水的相互作用。国家“九五”科技攻关计划《西北地区水资源合理开发利用与生态环境保护研究》初步揭示了干旱区水分-生态相互作用机理［20］；陈亚宁等（2003）分析了塔里木河下游断流河道地下水埋深对天然植被的组成、分布及长势的影响［21］；张丽等（2004）分析了干旱区地下水位、土壤盐分对植被覆盖度、频度的影响［22］；左其亭（2006）分析了博斯腾湖向塔里木河下游实施生态应急输水效果以及对下游生态环境的影响［23］；周可法等（2006）探讨了干旱区人类过度利用上游河水对下游生态环境的胁迫机理［24］；王水献等（2011）研究了焉耆盆地的地下水埋深与土壤盐碱化、植被生长与潜水蒸发的相互关系［25］。�
　　1.2.2 水文-生态过程模拟研究�
　　在水文-生态过程模拟研究方面，我国学者也做了大量的研究工作。比如，穆宏强等（2001）研究了分布式流域水文生态模型的建模理论［26］；罗毅（2001）等建立了模拟农田SPAC系统（土壤-植被-大气连续体中）的水、热、CO�2通量和光合作用的模型（CropS模型）［27］；莫兴国等（2001）基于陆地生态系统能量收支、水文循环和碳氮循环开发了植被界面过程的生态水文动力学模型（VIP模型）［28］；左其亭等（2002）提出了“多箱模型方法”，建立了陆面水量-水质-生态耦合模型［29］；赵成义等（2003）建立了内陆河流域二维地下水运动模拟模型，研究内陆河流域植被变化与地下水运动［30］；方创琳等（2004）根据黑河流域生态、生产和生活三系统相互作用形成的水-生态-经济协调发展耦合关系，建立了黑河流域水-生态-经济协调发展耦合模型［31］；刘昌明等（2009）开发了分布式生态水文模型EcoHAT，包括水分循环、营养元素循环和植物生长三大部分［32］。�
　　总体来看，我国干旱区流域水文-生态过程耦合分析与模拟研究目前还处于理论和方法体系探索阶段。水文-生态过程的作用机制研究不够深入，水文-生态过程耦合模拟研究还比较缺乏，已建立的水文生态模型多借鉴生态学、水文学以及其它学科的模型。�
　　2 关键科学问题�
　　从国内外研究现状来看，干旱区流域水文-生态过程的耦合分析与模拟研究越来越受到人们的重视，但水文-生态过程的耦合研究仍面临着以下关键科学问题。�
　　① 干旱区流域水文-生态过程的作用机制是什么？�
　　干旱区流域生态系统与水文系统相互影响、相互作用，水文情势变化如何改变流域生态格局，生态演变如何影响水文过程？植被面积、长势与水文条件（地表水、土壤水、地下水、人工引水）之间的关系（规律、机制、原理）如何？总体来说，水文-生态过程的作用机制还不明确，这是水文-生态过程耦合研究的重要基础，是亟待解决的关键问题之一。�
　　② 干旱区流域水文-生态过程有哪些耦合关系？如何模拟其相互作用？�
　　当前的分布式水文模型（具有代表性的MIKESHE、SWAT、HYDROGEOSHPERE等），包含或增加了部分生态分析功能，主要是描述生态格局与变化形成的水文机制和过程，难以反映出生态过程对水文过程变化的响应作用，即仍缺乏定量模拟基于水文机制下的生态格局与响应。因此，针对干旱区以“耗散”为主要特征的水文-生态过程，构建分布式水文生态模型，是水文-生态过程耦合研究的核心问题。
　　3 水文-生态过程耦合研究框架�
　　根据国内外研究现状和干旱区流域水文-生态过程的相互作用，总结得出干旱区流域水文-生态过程耦合分析与模拟的研究框架（见图1），主要内容包括以下方面。�
　　
　　�3.1 水文-生态过程演变趋势与作用机制研究�
　　① 水文过程演变趋势研究。选取典型研究区，收集研究区的水文、生态等资料，建立基础数据库。根据流域水资源开发利用历史，对比分析流域水文过程变化趋势及影响因素，主要包括：揭示研究区的水质、水量变化特征，分析气候变化和人类活动对流域水循环系统、水化学系统的影响作用，建立干旱区流域水循环系统演变模式。�
　　② 生态过程演变趋势研究。基于RS技术，根据流域植被覆盖、土地利用结构、生态格局演变历史，对比分析流域生态系统演变趋势，重点分析与水资源开发利用密切关联的生态系统演变趋势及影响因素。�
　　③ 水文-生态过程作用机制研究。基于流域水文、生态过程演变趋势，分析流域水文过程变化对生态系统的胁迫与驱动机制，包括水资源开发利用引起的土地利用/植被覆盖变化、植被多样性变化等；分析生态格局与功能演变对流域水文过程的影响。
　　3.2 水文-生态过程耦合关系研究�
　　3.2.1 “多水耦合”研究�
　　水循环把水圈中的所有水体联系在一起，包括大气水、地表水、地下水、土壤水以及构成自然界的水。根据水循环机理和水平衡原理，研究“大气水-地表水-地下水-土壤水-植物水”五水的相互作用和相互转化过程，分析流域水文-生态过程的多水耦合作用机制。�
　　3.2.2 “多场耦合”研究�
　　在干旱区，地下水是陆生植被生存的重要来源，植被结构和功能与地下水渗流场、水化学场及温度场之间存在互馈关系。根据“渗流场-水化学场-温度场”三场之间的相互作用关系和影响，分析水文-生态过程的耦合关系。耦合模拟地下水渗流场、水化学场和温度场，分析“三场”的时空变化特征及互馈关系，进而分析“三场”与植被之间的相互作用关系。�
　　3.2.3 “多系统耦合”研究�
　　按植被类型研究其对地表水、土壤水、地下水的依赖；分析植被依赖地表水、土壤水、地下水(水质、水位和水量)的程度；确定不引起植被功能发生大的改变的水资源变量(地表水资源和地下水资源)的安全变化范围；计算维护植被功能不发生大的改变的条件下能开发利用的水资源量(地表水资源和地下水资源)。�
　　3.3 水文-生态过程耦合模拟研究�
　　3.3.1 水循环模拟研究�
　　模拟干旱区流域水循环过程，包括蒸发蒸腾、融雪、坡面流、非饱和流、河流和湖泊、地下水流及其之间的相互作用；模拟水流运动过程和水量转化过程、溶质（主要是盐分）和热的迁移转化过程。�
　　3.3.2 水文过程与生态过程作用关系模拟研究�
　　设计不同的变化环境情景（气候变化和人类活动），模拟植被结构和功能与水文循环的相互影响，即水文过程和生态过程的相互作用。�
　　3.3.3 构建分布式水文生态模型�
　　基于GIS平台，以“耗散”为主要特点，进行水文过程与生态过程的尺度转换，建立水文过程与生态过程的概念模型，并遴选参数。通过模型参数传递将水文模型与生态模型相耦合，建立分布式水文生态模型，模拟不同情景下水文-生态过程的相互作用。
　　4 结语�
　　干旱区流域水文系统与生态系统相互作用、相互影响，水文-生态过程的耦合分析与模拟是干旱区亟待开展的核心研究。针对干旱区以“耗散”为主要特点的绿洲平原区，本文从“多水耦合”、“多场耦合”、“多系统耦合”分析干旱区流域水文-生态过程耦合关系，探索干旱区流域水文-生态过程作用机制。�
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　　基金项目:国家自然科学基金(51079132;50679075)；教育部社科研究基金规划基金项目（10YJAZH027）�
　　作者简介:左其亭(1967-)，男，河南固始人，博士，教授，博士生导师，主要从事水文学及水资源方面的研究。E-mail:zuoqt@zzu.省略