王曉軍,郭妙玲,王 兵

山西大學環(huán)境與資源學院, 太原 030006

流域風化層雨洪調(diào)蓄生態(tài)機理

王曉軍*,郭妙玲,王 兵

山西大學環(huán)境與資源學院, 太原 030006

風化層是陸地表面經(jīng)各種風化作用而形成的疏松堆積層,是雨洪調(diào)蓄的天然場所,對流域水資源管理有著重要意義。從復雜開放系統(tǒng)論的觀點出發(fā),結(jié)合近年來國內(nèi)外對風化層雨洪調(diào)蓄特征的研究,分析了風化層在流域雨洪調(diào)蓄中的生態(tài)機理。主要研究了風化層的概念、風化層雨洪調(diào)蓄的組成與時空結(jié)構(gòu)；解釋了風化層集水、蓄水、凈水、養(yǎng)水、供水功能等方面的雨洪調(diào)蓄功能；分析了風化層與地形地貌、生境、地質(zhì)、土壤、大氣、能量以及人類活動等流域環(huán)境要素的生態(tài)關系。研究表明：(1)流域風化層具有重要的雨洪調(diào)蓄特征,是由其特有的物質(zhì)組成與時空結(jié)構(gòu)特征決定的,正常發(fā)揮風化層的雨洪調(diào)蓄功能,流域中的水為健康的“活水”,不同流域風化層的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的時空變化極大,其雨洪調(diào)蓄功能的發(fā)揮機制也極其復雜,采用常規(guī)定量研究方法幾乎不可能掌握其機理,應采用復雜開放系統(tǒng)理論和方法開展研究；(2)風化層是流域系統(tǒng)的一個子系統(tǒng),與其它流域環(huán)境要素之間是相互聯(lián)系和相互作用的,過去我們通常采用的“排水范式”解決局部問題以期改善整個流域系統(tǒng)問題的治理思路是行不通的,已不適應今后的風化層雨洪調(diào)蓄生態(tài)學研究,還極可能衍生新的系統(tǒng)問題；(3)將流域視為一個復雜開放系統(tǒng),國外流域生態(tài)學家提出了生態(tài)結(jié)構(gòu)(Ecostructures)的概念,強調(diào)流域系統(tǒng)自身生態(tài)能力的發(fā)揮,將土壤-植被-大氣連續(xù)體(SVA)研究擴展到風化層-生境-能量連續(xù)體(RHE)的生態(tài)耦合研究。因此建議,采取“邊學邊做”(Learning by Doing)的流域適應性管理,應當是今后流域風化層雨洪調(diào)蓄管理的重要方向。

風化層；雨洪調(diào)蓄；生態(tài)結(jié)構(gòu)；生態(tài)功能；生態(tài)機理

水是自然資源管理的重要對象,近十多年來國內(nèi)外的研究與實踐越來越關注對雨水和洪水的管理,認識到雨洪調(diào)蓄的重要性[1-2],但對雨洪調(diào)蓄場所的認識仍不足。實際上,在一個健康的流域中,近地表水主要含蓄于地表下的陸地表層中,即風化層(Regolith)[3]。過去對于風化層的研究主要集中在地質(zhì)學領域[4],近年來,隨著水文生態(tài)學研究的興起,國外一些科學家開始探索風化層調(diào)蓄雨洪的生態(tài)機理,認識到風化層雨洪調(diào)蓄功能的優(yōu)劣是區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展的關鍵[5-6]。

過去的觀點認為,進入流域中的雨洪應通過工程措施將其加速排出,可稱為水資源管理中的“排水范式”(Water Drainage Paradigm)[7]。雨洪未得到有效蓄集與利用,會導致流域中水量匱缺,流域生態(tài)系統(tǒng)退化,我們常見的工程措施如排干濕地以發(fā)展農(nóng)業(yè),河道渠化以開發(fā)灘涂。與之相對,流域水資源管理的“蓄水范式”(Water Storage Paradigm)[7]是指認識流域的自然生態(tài)機理,并以此為指向,采取生態(tài)措施,維持和發(fā)揮流域良好的生態(tài)功能,努力使雨洪貯存在流域中[8]。從排水范式到蓄水范式的轉(zhuǎn)換,其實質(zhì)是由工程性思維向生態(tài)學思維的轉(zhuǎn)換[9]。在新的流域水管理范式下,風化層的雨洪調(diào)蓄功能無疑在流域生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著極其重要的作用。

在一個流域中,風化層不是孤立的封閉系統(tǒng),其內(nèi)部的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)極其復雜,采用常規(guī)方法對其雨洪調(diào)蓄功能的研究往往力不能及,而且,風化層與其所處的系統(tǒng)環(huán)境要素間關系休戚相關(如：地形地貌、生境、地質(zhì)、土壤、大氣、能量以及不斷強化的人類活動)。因此,流域風化層是一個復雜開放系統(tǒng)。Grus Lukasz認為,復雜開放系統(tǒng)具有多學科性、復雜性、動態(tài)性和不確定性的特征,對其研究只能采用復雜開放系統(tǒng)理論[10],如：國際上興起的復雜適應系統(tǒng)(Complex Adaptive System, CAS)研究就是這種研究的一個重要方法[11]。

為此,本文從復雜開放系統(tǒng)論的觀點出發(fā),結(jié)合近年來國內(nèi)外對流域風化層雨洪調(diào)蓄特征的研究進展,分析風化層在流域雨洪調(diào)蓄中的生態(tài)機理。

1 風化層的概念

風化層是從地表至未風化基巖的所有物質(zhì)的地球表層。在生態(tài)學和地理學術語中,風化層是一層覆蓋在堅硬巖石之上的疏松、非均質(zhì)材料,包括巖石碎屑、礦物顆粒和其它地表沉積,覆于未蝕變的堅實基巖之上[12]。研究發(fā)現(xiàn),風化層的深度隨風化進程的強度與持續(xù)時間而改變,在潮濕的熱帶地區(qū),風化巖石層最大可發(fā)育到幾百米深,其下限是風化前鋒,表層是土壤層,土壤層是增加了有機物質(zhì)的簡單風化層,并支持根系植物的生長[13]。降水后,流域風化層如同巨大的“天然水庫”,阻止和滯緩降雨與洪水流出流域,調(diào)節(jié)和蓄存雨洪,有重要的雨洪調(diào)蓄功能[14],是收集和蓄存雨洪的主要場所。

目前對風化層中水分行為的研究多來自水文學家,他們關心水流在風化層中的運動規(guī)律,尤其關注多孔介質(zhì)的滲流、地下徑流與地表徑流的相互轉(zhuǎn)換關系、風化層對潛水水質(zhì)的影響等[15]。而土壤學和生態(tài)學家則關注地表以下包氣帶及其不飽和水的水分行為,尤其關注生物活動頻繁的植物根系層(風化層表層的土壤)[16]。目前,對風化層雨洪調(diào)蓄的生態(tài)特征研究仍極為有限。

2 風化層雨洪調(diào)蓄的物質(zhì)組成與時空結(jié)構(gòu)

2.1 風化層調(diào)蓄雨洪的物質(zhì)組成

風化層包括破碎和風化的基巖、腐泥土、土壤、有機堆積物、冰川沉積物、崩積層、沖積層、蒸發(fā)沉積巖、風成沉積物和地下水?？傊?它包括“一切從新鮮巖石到新鮮空氣間的物質(zhì)”[17-18]。

風化層除發(fā)生了化學反應的破碎巖石外,還包含水、生物群落和氣體。當巖石發(fā)生由一般到強烈的化學反應時,會形成一個日益變化的基巖剖面——一個相對于表層的原位風化剖面(原位風化層)[15]。風化碎屑可能因地表侵蝕而移動,或者移動至地下,與地下水和生物群不斷地發(fā)生物理變化,這種侵蝕可能形成搬運到別處的風化層地形(運移風化層)?？碧降V床中用描述風化層的方法來識別存在的搬運物質(zhì)變得越來越重要,許多最近的研究致力于發(fā)現(xiàn)礦化作用下風化層的覆蓋物質(zhì)[17]。

2.2 風化層雨洪調(diào)蓄的時空結(jié)構(gòu)

從垂向(地表—基巖)來看[19-20],風化層結(jié)構(gòu)從上而下是地表到基巖風化層,其雨洪調(diào)蓄行為與土壤水分行為類似,主要表現(xiàn)為非飽和水狀態(tài),水分動態(tài)受基質(zhì)勢與重力勢等總水勢的影響[21]；一些區(qū)域也會有飽和水層,出露形成地表溪流,在時間尺度上表現(xiàn)出水位的升降,與地表徑流相互交換；淺層地下水位也隨水飽和程度升降[22]。

從縱向(上游—下游)來看[19-20],一方面,雖然流域地表形態(tài)各異,但地下不透水基巖巖層會有高低起伏,并不一定會與地表形態(tài)一致,風化層會形成天然的集水區(qū)(Retention Basin)和滯水區(qū)(Headland)；另一方面,由于風化層物理組成的差異(如疏松程度和透水性能)等因素,使得自上游到下游不同區(qū)域的調(diào)蓄雨洪能力存在差異[23]。

從橫向(左岸—右岸)來看[19-20],流域中的水保持著適度的向上游和兩側(cè)的水分壓力,是風化層中積極的水分運動行為的保證[23]。中國俗語中所說的“山有多高,水有多高”,實際就是這個道理。自然濱岸帶擁有大量物質(zhì),能為物種的多樣性提供基礎[24]。風化層中水文運動與河岸生境之間相互聯(lián)系,相互作用[25]。風化層中不同的水文運動會產(chǎn)生河岸不同的植物帶分布[26]；不同河岸生境也會對風化層水文運動產(chǎn)生影響[27],如,在存在大量植物群落的河岸,由于摩擦力作用使流域中的水產(chǎn)生能量分散,干擾快速水流,起到滯緩雨洪的作用。

從時間變化來看[19-20],風化層雨洪調(diào)蓄的結(jié)構(gòu)有年際變化和季節(jié)變化。(1)年際變化上,風化層中的水量隨年際變化而改變,這些變化在不同尺度上影響生境[28]。當產(chǎn)生大尺度干擾,如發(fā)生暴雨時,風化層會將水蓄積下來,整個風化層中的水會非常充盈,流域中的濕地物種也會異常豐富[29]；而當發(fā)生干旱,風化層中的水會補給河道中的水以維持動植物群落,因此整個流域生態(tài)系統(tǒng)的物種數(shù)量相對穩(wěn)定[28]。風化層雨洪調(diào)蓄結(jié)構(gòu)的年際變化是一個自然動態(tài)過程。(2)季節(jié)變化上,風化層中出露地表的水與地下水的運動隨季節(jié)變化[30-31]。研究表明,溫帶干旱半干旱地區(qū),一年中大約60%的時間流域風化層中的水保持高流動性,只有10%的時間是枯水期,此時風化層中的水會作為基流補給河流[30],而在熱帶區(qū)域的風化層水文運動情況要復雜得多[32]。因此,也可以說,流域風化層的水分行為受氣象要素季節(jié)變化的影響,降水、氣溫、濕度、風速等的變化,影響著流域風化層中水的水位、水量、水質(zhì)、水的運動形態(tài)等[33]。

圖1 流域風化層示意圖Fig.1 Schematic diagram of watershed regolith

3 風化層雨洪調(diào)蓄的生態(tài)功能

由于風化層特有的物質(zhì)組成和時空結(jié)構(gòu),決定了風化層是區(qū)域(流域)最重要的雨洪調(diào)蓄場所,發(fā)揮出強大的雨洪調(diào)蓄功能[34]。風化層的雨洪調(diào)蓄功能可從集水、蓄水、凈水、養(yǎng)水、供水功能等幾個方面分別敘述。

3.1 集蓄水功能

風化層集蓄水功能主要表現(xiàn)在收集降水,并吸收大雨后形成的洪水,是雨洪調(diào)蓄的場所。風化層的集蓄水功能依賴于其特定物質(zhì)組成,也依賴于其下墊隔水基巖層起伏收放構(gòu)造,緩滯蓄水離開風化層流出流域的結(jié)構(gòu)[35]。如果生境與地表透水性能良好,落入流域的雨洪大多直接進入風化層,大部分貯存下來,水流速度迅速減緩,在風化層中滲流、涌動,少量隨泉涌出地表,成為地表溪流[36]。由于風化層組成物質(zhì)松散且不均勻的特性,集蓄的雨洪可從非飽和狀態(tài)直到飽和狀態(tài),就如同巨大的“天然水庫”。

3.2 凈水功能

風化層凈水功能是指水緩慢通過風化層時,通過沉淀、轉(zhuǎn)化、吸收、分解、下滲、過濾和生物凈化等過程,逐步除掉水中的物理、化學和生物雜質(zhì),為整個生態(tài)系統(tǒng)提供了健康水[37],即“活水”[7],風化層凈水功能是雨洪調(diào)蓄的介質(zhì)。風化層有類似“過濾器”的作用,其凈水功能與地表生境協(xié)同而發(fā)揮作用[38]。風化層對水的有機“加工”是其它系統(tǒng)無法完成的,這些作用和水的運動是自然的過程,根本無需人類采用工程措施干預[39]。

3.3 養(yǎng)水功能

風化層養(yǎng)水功能是指風化層中健康的水分行為過程使得水(H2O)這一無機物質(zhì)成為“有生命”的“活水”,使流域保持其良好的生態(tài)功能,風化層養(yǎng)水功能是雨洪調(diào)蓄的基礎。任何生態(tài)系統(tǒng)都是能量、生境與地下風化層相互作用的復雜開放系統(tǒng)[23]。通過風化層對水分的調(diào)蓄,獲取潔凈新鮮的活水,維持環(huán)境健康,流域得以發(fā)揮優(yōu)良的生態(tài)功能[7,40]。

3.4 供水功能

風化層的供水功能是指風化層向生境和整個流域生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)供水的能力,是流域生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)、能量、信息等小循環(huán)的主要供水源,是雨洪調(diào)蓄的源頭。

一方面,風化層為生境及整個流域生態(tài)系統(tǒng)直接提供水[41]。動植物群落和生態(tài)系統(tǒng)長期依靠風化層的雨洪調(diào)蓄功能獲得淡水,風化層可以貯存、排出并供給生命之水,是流域生態(tài)系統(tǒng)的基礎[42]。

另一方面,風化層參與流域水循環(huán)。水進入風化層中,形成非飽和、飽和的地下水儲備和地表水儲量,從而促進地表生境的存在與發(fā)展,生境成為風化層與大氣之間氣候小循環(huán)的中間環(huán)節(jié)[43-44]。在一個區(qū)域中,風化層的儲水能力通常遠高于最大的人工水庫的蓄水量,當流域水文狀況失衡,風化層中的水是維護流域水循環(huán)的保障,它保證了水的充足性,穩(wěn)定天氣中的熱量和水分,并且能夠平衡過去出現(xiàn)的虧損,降低這種虧損可能帶來的極端天氣的發(fā)生,避免了洪水和干旱。例如：雨、霧、霜、霾等有限的水對半荒漠和沙漠區(qū)域極其寶貴[7,14]。

4 風化層與其它環(huán)境要素的關系

4.1 風化層與地形地貌

風化層結(jié)構(gòu)與地形地貌直接相關。在多數(shù)山地地形區(qū),坡度較陡的情況下,風化層通常物質(zhì)組成緊密,透水性能較差,導致水因重力勢而運移,形成坡面漫流,但如果此處植被覆蓋度高,會阻止水的流失,將水保留在風化層中；而如果是緩坡,通常有一些崩落下來的巖塊雜亂地堆積在那里,形成石灘或石海,此處風化層物質(zhì)組成比較疏松,透水性能好,是儲存雨洪的重要場所[33]；在泛濫平原地區(qū),由于其是由河流沉積作用而形成的平原地貌,因此這里存在多種河流堆積物,一般形成砂質(zhì)土層與粘性土層疊置的多層結(jié)構(gòu)含水系統(tǒng),砂質(zhì)土層由級別不同的砂及礫卵石組成,含水層顆粒較粗大,透水性能強,含水量大,與地表水力聯(lián)系密切,水循環(huán)條件好,水質(zhì)較好,往往成為人類的供水水源[45-46]。

4.2 風化層與生境

生境(Habitat)是特定群落的生存環(huán)境,作為最基本的生態(tài)空間,是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[47]。風化層與生境相互作用,相互影響。

一方面,風化層對生境產(chǎn)生很大影響。風化層有持續(xù)為生境供水的能力,使得植被能在少雨且多變的降雨地域良好生長,說明生境對降雨的依賴是間接的而直接依賴風化層。它們共同維持著包括晨露、霜和霧等的大氣水循環(huán),將多余的太陽輻射轉(zhuǎn)化為潛在的蒸發(fā)熱,并且減少地表升溫或土壤干旱[7,14]。

另一方面,生境也影響著風化層。當流域生境健康運行時,風化層中貯存的水比起遭遇土壤侵蝕和退化的風化層流域要多得多,這種有生命的水或許以小于每天1m的速度在風化層之間季節(jié)性地滲流涌動,以維持水陸生境、濕地以及多年性溪流的健康運行[3]；當生境機能失調(diào)時,如地表無植被覆蓋,風化層中的水會很快耗盡并干涸,地下水貯存量極大減少,靠它維持的多年性溪流也變成季節(jié)性的,風化層表層的土壤會越來越干旱,甚至礦化,逐漸失去了營養(yǎng)和生態(tài)功能,植物死于缺水,生物體中貯存的用于吸收太陽輻射并維持蒸發(fā)速率的水也不足,最后,風化層表層升溫加速,荒漠化發(fā)生,造成環(huán)境災難[48]。

4.3 風化層與地質(zhì)

風化層之下的基巖性質(zhì)直接影響風化層的形態(tài)和物質(zhì)組成?；鶐r在風化營力作用下產(chǎn)生風化裂隙,這些大小懸殊、分布不均的裂隙,正是風化層中水的儲存空間和運移通道,在各種力的作用下,產(chǎn)生水的運動。基巖巖性對風化層的影響,一般表現(xiàn)為空隙的大小和多少,對于顆粒粗大的松散巖石、裂隙比較寬大的堅硬巖石,以及可溶性巖石,透水性和持水性能好,儲水量大[33]。如果基巖存在裂隙,風化層和水將透過裂隙向深層運動,補充深層地下水,也有深層地下水向上運動,補充風化層水分的情況,如：同生水被封存在基巖碎屑沉積物中；變質(zhì)水與變質(zhì)巖有關,能使礦物之間互相反應[49]。

4.4 風化層與土壤

土壤可以理解為有植物根系分布的風化層[12],土壤中含有豐富的有機質(zhì)營養(yǎng),可以支持植物根系的生長。土壤是風化層的一部分,位于風化層的最上層。巖石經(jīng)風化作用后成土,在風化過程中會產(chǎn)生微量元素的變化,土壤層中含有機膠體、團聚體,空隙多,有利于水分下滲,透水性能好。當土壤中有較大的植物根系相互纏繞而形成網(wǎng)絡時,更加強了它的儲水功能,土體的抗沖性能也更強大[50-51]。

4.5 風化層、大氣與能量

流域中的絕大部分能量來自于太陽能[52-53]。大氣、生境與風化層間水分循環(huán)和交換的過程都依賴于太陽能量的控制[16]。

4.6 風化層與人類活動

風化層水分行為過程跟人類活動也緊密聯(lián)系[16]。人類雖然只看到風化層的表面,但人類對風化層的利用由來已久。

梯田是人類利用風化層雨洪調(diào)蓄能力的一個典型案例。梯田改變了地面形態(tài),促進水有效的入滲,進而影響地下水分行為,梯田將降水及坡面徑流吸納入土壤中,形成“土壤水庫”[54]。梯田使人類有效的利用風化層中的水,種植農(nóng)作物[55],充分發(fā)揮了風化層雨洪調(diào)蓄的功能。

人類對風化層的利用也有不好的案例。例如,渠化河道,改變了河流原本的自然形態(tài),破壞了河流的自然屬性,無法實現(xiàn)河流系統(tǒng)中風化層與河水的合理交換,從而失去風化層水文生態(tài)功能[56]；又如水庫只關注地面存水,使水在水庫中成為靜水,從而形成相對封閉、脆弱的水庫生態(tài)系統(tǒng),生境單一[57]。更重要的是,水庫危害到健康的河流連續(xù)統(tǒng)(River Continuum Concept,RCC)[58],破壞了自然河流脈沖效應[59-60],阻塞了河流的正常潛流通道[61],導致流域生態(tài)系統(tǒng)成為序列不連續(xù)體[62]。

5 流域風化層雨洪調(diào)蓄的生態(tài)機理

本文以上部分主要闡述風化層在一個流域中的生態(tài)功能、運行方式及其與各主要環(huán)境要素之間的關系?？梢?在一個流域系統(tǒng)中,風化層雨洪調(diào)蓄生態(tài)功能的正常發(fā)揮離不開流域中其它各環(huán)境要素與風化層的相互聯(lián)系與作用,地下風化層、地表生境與大氣(太陽能)三大要素(子系統(tǒng))的水分運行和循環(huán)遵循一定的生態(tài)規(guī)律(圖2)。

圖2 一個流域中風化層、生境和大氣(能量)關系示意圖Fig.2 Schematic diagram of the relationship between the regolith, the habitat, and the atmosphere (energy) in a watershed

一個特定流域是復雜開放系統(tǒng),風化層只是一個子系統(tǒng),風化層與地形地貌、土壤、地質(zhì)、生境、大氣、能量以及人類活動等其它子系統(tǒng),它們相互聯(lián)系、相互作用、相互耦合,共同完成流域的雨洪調(diào)蓄功能。同時證明,過去我們通常采用的“排水范式”解決局部問題以期改善整個流域系統(tǒng)問題的治理思路是行不通的,已不適應今后的風化層雨洪調(diào)蓄生態(tài)學研究,還極可能衍生新的系統(tǒng)問題。從這樣的觀點看,采用土壤-植被-大氣連續(xù)體(Soil-Vegetation-Atmosphere,SVA)[63-64]框架開展流域風化層雨洪調(diào)蓄的研究是不完整的。

實際上,國內(nèi)外從復雜開放的視角對一個流域中雨洪調(diào)蓄生態(tài)機理的研究并不多。國內(nèi)外有學者從自然與生態(tài)服務功能的角度,提出水生態(tài)基礎設施(Ecological Infrastructure,EI)[65-66]和“海綿城市”[67-68]的概念,采取生態(tài)工程技術以降低工程建設所帶來的脅迫和干擾[69-70]。國外流域生態(tài)學家在“人與自然和諧”的生態(tài)價值觀下,提出了生態(tài)結(jié)構(gòu)(Ecostructures)的概念[6,23],借鑒中國古代視水為財、就地蓄留、就地消化的防旱澇智慧,更加強調(diào)流域自然生態(tài)系統(tǒng)自身能力的發(fā)揮,將土壤、植被、大氣的協(xié)同研究擴展到風化層-生境-能量連續(xù)體(Regolith-Habitat-Energy, RHE)的生態(tài)耦合研究。這樣對流域水循環(huán)和水分行為過程的掌握將更加全面和真實。

一個流域中風化層、生境與大氣(能量)之間存在復雜關系,同時,就一個流域中三大子系統(tǒng)內(nèi)部而言也非常復雜。將土壤研究擴展到整個風化層、將植被研究擴展到生境以及將對大氣的研究擴展到能量,這必然需要當前的生態(tài)學研究范式向生態(tài)復雜性研究的轉(zhuǎn)換[71-72],處理好對流域局部性研究和整體性研究之間的關系。從國內(nèi)外生態(tài)學進展看,采用適應性環(huán)境評估與管理(Adaptive Environmental Assessment and Management, AEAM),即現(xiàn)在所稱的適應性管理,應當是今后流域風化層雨洪調(diào)蓄生態(tài)機理研究的重要方向[73-74]。

6 結(jié)論與討論

本文分析了近年來國內(nèi)外在風化層雨洪調(diào)蓄方面的研究,基本澄清了風化層的物質(zhì)組成與時空結(jié)構(gòu)特征,解釋了風化層雨洪調(diào)蓄功能及其與主要生態(tài)環(huán)境要素的關系,指出了雨洪在風化層中的積存、滲透、凈化等自然生態(tài)過程以及風化層的雨洪調(diào)蓄功能與生境和大氣、能量有極其復雜的關系,提煉出流域風化層在雨洪調(diào)蓄中的生態(tài)機理。

風化層特殊的物質(zhì)組成和時空結(jié)構(gòu),決定了流域風化層如同巨大的“天然水庫”,滯蓄雨洪和減緩雨洪流出,使風化層成為流域雨洪調(diào)蓄的重要場所。風化層發(fā)揮集蓄水、凈水、養(yǎng)水、供水等功能,實現(xiàn)了流域中水的自然積存、自然滲透、自然凈化。在健康的流域中,風化層正常發(fā)揮著這些功能,在雨洪豐盈時集蓄、干旱時補給,流域中的水成為健康的“活水”。不同流域風化層的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的時空差異極大,導致風化層具有的雨洪調(diào)蓄功能也極其復雜,采用常規(guī)定量研究方法幾乎不可能掌握其機理,因此,采用復雜開放系統(tǒng)理論和方法開展研究是一條有效途徑。

基于對流域中雨洪調(diào)蓄生態(tài)機理的初步認識,本文提出對雨洪調(diào)蓄的研究應從土壤-植被-大氣連續(xù)體(Soil-Vegetation-Atmosphere,SVA)框架擴展到風化層-生境-能量連續(xù)體(Regolith-Habitat-Energy, RHE)的生態(tài)耦合研究,可以采用流域適應性管理(Adaptive Management,AM)深入開展流域風化層雨洪調(diào)蓄生態(tài)機理研究,與社會經(jīng)濟系統(tǒng)等方面一起,建立流域的社會-經(jīng)濟-自然復合生態(tài)系統(tǒng)[75-76]。

必須指出的是,本文引用了大量文獻來說明一些觀點,并不意味著對風化層的了解已經(jīng)非常深入。實際上,由于風化層的復雜性和不確定性,更由于復雜開放系統(tǒng)的研究范式在科學研究界未達成共識,眾多研究都在有意無意地回避提及風化層,只有極少數(shù)流域生態(tài)學家明確地將其研究指向風化層的雨洪調(diào)蓄生態(tài)機理。

[1] Ferguson B, Pinkham R, Collins T. Re-Evaluating Stormwater: The Nine Mile Run Model for Restorative Redevelopment. Environmental Practice, 1999,2(4):320- 321.

[2] 俞孔堅, 李迪華, 袁弘, 傅微, 喬青, 王思思. “海綿城市”理論與實踐. 城市規(guī)劃, 2015, 39(6): 26- 36.

[3] Tane H. Landscape Ecostructures for Sustainable Societies: Post-Industrial Perspectives. Twizel, New Zealand Journal of Soil and Health, 1999,58(5):19- 21.

[4] Clayton K M. Weathering C. Olloer. 2nd ed. London: Longman Group, 1984: 1- 270.

[5] 王禮先. 流域管理學. 北京: 中國林業(yè)出版社, 1999: 1- 324.

[6] Tane H. Infrastructures and ecostructures. Planning Quarterly, 2004, 154: 10- 13.

[8] Tane H. Waters of Aotearoa: alive or dead? Planning Quarterly, 2004, 54(9): 9- 13.

[9] Ellis J B, Revitt D M. The management of urban surface water drainage in England and Wales. Water and Environment Journal, 2010, 24(1): 1- 8.

[10] Grus L, Crompvoets J, Bregt A K. Spatial data infrastructures as complex adaptive systems. International Journal of Geographical Information Science, 2010, 24(3): 439- 463.

[11] Holden L M. Complex adaptive systems: concept analysis. Journal of Advanced Nursing, 2005, 52(6): 651- 657.

[12] Allaby M. The Concise Oxford Dictionary of Ecology. Oxford: Oxford University Press, 1994: 1- 432.

[13] Mayhew S, Penny A. Concise Oxford Dictionary of Geography. Oxford: Oxford University Press, 1992: 1- 247.

[14] Black P E. Watershed Hydrology. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2005: 1- 449.

[15] Taylor G, Eggleton R A. Regolith Geology and Geomorphology. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2001: 1- 375.

[16] 魏曉華, 孫閣. 流域生態(tài)系統(tǒng)過程與管理. 北京: 高等教育出版社, 2009: 1- 419.

[17] Scott K, Pain C. Regolith Science. Canberra: Springer Science and CSIRO Publishing, 2009: 1- 472.

[18] Butt C R M, Zeegers H. Regolith Exploration Geochemistry in Tropical and Subtropical Terrains. Amsterdam: Elsevier, 2015: 1- 607.

[19] Ward J V. The four-dimensional nature of lotic ecosystems. Journal of the North American Benthological Society, 1989, 8(1): 2- 8.

[20] 楊勝天, 王雪蕾, 劉昌明, 盛浩然, 李茜. 岸邊帶生態(tài)系統(tǒng)研究進展. 環(huán)境科學學報, 2007, 27(6): 894- 905.

[21] Chen J Q, Saunders S C, Brosofske K D, Crow T R. Ecology of Hierarchical Landscapes: From Theory to Application. New York: Nova Science Publishers, 2006: 91- 124.

[22] Brooks K N, Ffolliott P F, Magner J A. Hydrology and the Management of Watersheds. 4th ed. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2012: 1- 574.

[23] Tane H. Habitat and riparian management in rangeland ecosystems//Squires VR, ed. Range and Animal Sciences and Resources Management.Oxford: ELOSS Publishers[S.l.]. 2010, 1: 251- 302.

[24] Huston M A. Biological Diversity: The Coexistence of Species on Changing Landscapes. Cambridge: Cambridge University Press, 1994: 1- 681.

[25] Blom C W P M. Adaptations to flooding stress: from plant community to molecule. Plant Biology, 1999, 1(3): 261- 273.

[26] Nilsson C. Rivers and streams. Acta Phytogeographica Suecica, 1999, 84: 135- 148.

[27] Blom C W P M, Voesenek L A C J. Flooding: the survival strategies of plants. Trends in Ecology and Evolution, 1996, 11(7): 290- 295.

[28] Van Der Nat D, Tockner K, Edwards P J, Ward J V, Gurnell A M. Habitat change in braided flood plains (Tagliamento, NE-Italy). Freshwater Biology, 2003, 48(10): 1799- 1812.

[29] Salo J, Kalliola R, H?kkinen I, M?kinen Y, Niemel? P, Puhakka M, Coley P D. River dynamics and the diversity of Amazon lowland forest. Nature, 1986, 322(6076): 254- 258.

[30] Evans E C, Petts G E. Hyporheic temperature patterns within riffles. Hydrological Sciences Journal, 1997, 42(2): 199- 213.

[31] Malcolm I A, Soulsby C, Youngson A F, Hannah D M, McLaren I S, Thorne A. Hydrological influences on hyporheic water quality: implications for salmon egg survival. Hydrological Processes, 2004, 18(9): 1543- 1560.

[32] (美)Fetter C W. 應用水文地質(zhì)學(第四版). 孫晉玉, 譯.北京: 高等教育出版社, 2011.

[33] 肖長來, 梁秀娟, 王彪. 水文地質(zhì)學. 北京: 淸華大學出版社, 2010: 1- 291.

[34] 莫琳, 俞孔堅. 構(gòu)建城市綠色海綿——生態(tài)雨洪調(diào)蓄系統(tǒng)規(guī)劃研究. 城市發(fā)展研究, 2012, 19(5): 4- 8.

[35] 曹云, 歐陽志云, 鄭華, 黃志剛, 邢芳芳. 森林生態(tài)系統(tǒng)的水文調(diào)節(jié)功能及生態(tài)學機制研究進展. 生態(tài)環(huán)境, 2006, 15(6): 1360- 1365.

[36] 張志強, 王禮先, 王盛萍. 中國森林水文學研究進展(英文). 中國水土保持科學, 2004, 2(2): 68- 73.

[37] Pedroli B, De Blust G, Van Looy K, Van Rooij S. Setting targets in strategies for river restoration. Landscape Ecology, 2002, 17(S1): 5- 18.

[38] Freeman R E, Ray R O. Landscape ecology practice by small scale river conservation groups. Landscape and Urban Planning, 2001, 56(3/4): 171- 184.

[39] 高甲榮, 肖斌, 牛健植. 河溪近自然治理的基本模式與應用界限. 水土保持學報, 2002, 16(6): 84- 87, 91- 91.

[40] (英) Wood P J, Hannah D M, Sadler J P. 水文生態(tài)學與生態(tài)水文學: 過去, 現(xiàn)在和未來. 王浩, 嚴登華, 秦大庸, 譯. 北京: 中國水利水電出版社, 2009: 1- 333.

[41] Committee on Assessing and Valuing the Services of Aquatic and Related Terrestrial Ecosystems, National Research Council. Valuing Ecosystem Services: Toward Better Environmental Decision-Making. Washington: The National Academies Press, 2005: 1- 290.

[42] 奧爾多·利奧波德. 沙鄉(xiāng)年鑒. 侯文惠, 譯. 長春: 吉林人民出版社, 1997: 1- 195.

[43] Swank W T. Biological control of solute losses from forest ecosystems // Trudgill S T, ed. Solute Processes. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1986: 85- 139.

[44] Hewlett J D. Principles of Forest Hydrology. Brookvale: University of Georgia Press, 2003: 1- 192.

[45] 張人權(quán), 梁杏, 靳孟貴, 萬力, 于青春. 水文地質(zhì)學基礎(第六版). 北京: 地質(zhì)出版社, 2011: 15- 31.

[46] 曹劍峰, 遲寶明, 王文科, 宮輝力, 曹玉清, 梁秀娟. 專門水文地質(zhì)學(第三版). 北京: 科學出版社, 2007: 1- 330.

[47] Odum E P, Odum H T, Andrews J. Fundamentals of Ecology. 3rd ed. Philadelphia: W B Saunders Company, 1971: 15- 22.

[48] Tane H, Sun T H, Zheng Z L, Liu J. Auditing reforested watersheds on the loess plateau: Fangshan Shanxi. Ecological Indicators, 2014, 41: 96- 108.

[49] Hudak P F. Principles of Hydrogeology. 3rd ed. Boca Raton: CRC Press, 2004: 1- 236.

[50] 阮伏水. 花崗巖風化殼與土壤侵蝕關系的研究. 中國水土保持, 1989, (12): 53- 56.

[51] 趙景波. 黃土中風化殼的確定與研究. 地質(zhì)論評, 1991, 37(2): 117- 126.

[52] 曾治權(quán). 日地關系. 北京: 地質(zhì)出版社, 1989: 1- 236.

[53] Allen C W. 物理量和天體物理量. 楊建, 譯. 上海: 上海人民出版社, 1976: 1- 407.

[54] 許炯心. 無定河流域侵蝕產(chǎn)沙過程對水土保持措施的響應. 地理學報, 2004, 59(6): 972- 981.

[55] 吳發(fā)啟, 張玉斌, 佘雕, 宋娟麗. 黃土高原南部梯田土壤水分環(huán)境效應研究. 水土保持研究, 2003, 10(4): 128- 130.

[56] 劉昌明, 劉曉燕. 河流健康理論初探. 地理學報, 2008, 63(7): 683- 692.

[57] 董哲仁. 水利工程對生態(tài)系統(tǒng)的脅迫. 水利水電技術, 2003, 34(7): 1- 5.

[58] Vannote R L, Minshall G W, Cummins K W, Sedell J R, Cushing C E. The river continuum concept. Canadian journal of fisheries and aquatic sciences, 1980, 37(1): 130- 137.

[59] Junk W J, Bayley P B, Sparks R E. The flood pulse concept in river-floodplain systems. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 1989, 106: 110- 127.

[60] 董哲仁, 孫東亞. 生態(tài)水利工程原理與技術. 北京: 中國水利水電出版社, 2007: 409- 421.

[61] Stanford J A, Ward J V. An ecosystem perspective of alluvial rivers: connectivity and the hyporheic corridor. Journal of the North American Benthological Society, 1993, 12(1): 48- 60.

[62] Ward J V, Stanford J A. The serial discontinuity concept: Extending the model to floodplain rivers. River Research and Applications, 1995, 10(2/4): 159- 168.

[63] 黃奕龍, 傅伯杰, 陳利頂. 生態(tài)水文過程研究進展. 生態(tài)學報, 2003, 23(3): 580- 587.

[64] 劉文兆. 小流域水分行為、生態(tài)效應及其優(yōu)化調(diào)控研究方面的若干問題. 地球科學進展, 2000, 15(5): 541- 544.

[65] 劉海龍, 李迪華, 韓西麗. 生態(tài)基礎設施概念及其研究進展綜述. 城市規(guī)劃, 2005, 29(9): 70- 75.

[66] 俞孔堅. 海綿城市的三大關鍵策略: 消納, 減速與適應. 南方建筑, 2015, 1(3): 4- 7.

[67] (法)蘇菲·巴爾波. 海綿城市. 夏國祥, 譯. 桂林: 廣西師范大學出版社, 2015: 1- 263.

[68] 仇保興. 海綿城市(LID)的內(nèi)涵、 途徑與展望. 給水排水, 2015, 41(3): 1- 7.

[69] Van Bohemen H D. Habitat fragmentation, infrastructure and ecological engineering. Ecological Engineering, 1998, 11(1/4): 199- 207.

[70] Seiler A, Eriksson I M. New approaches for ecological consideration in Swedish road planning// Proceedings of the International Conference on “Habitat Fragmentation, Infrastructure and the Role of Ecological Engineering”. Delft: DWW Publication, 1995: 253- 264.

[71] Brown J H, Gupta V K, Li B L, Milne B T, Restrepo C, West G. B. The fractal nature of nature: power laws, ecological complexity and biodiversity. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Philosophical Transactions, 2002, 357(1421): 619- 626.

[72] 金衛(wèi)斌, 李百煉. 流域尺度的景觀——水質(zhì)模型研究進展. 科技導報, 2008, 26(7): 72- 77.

[73] Holling C S. Adaptive Environmental Assessment and Management. UK: John Wiley & Sons, Chichester, 1978: 1- 377.

[74] Williams B K. Adaptive management of natural resources-framework and issues. Journal of Environmental Management, 2011, 92(5): 1346- 1353.

[75] 王如松, 李鋒, 韓寶龍, 黃和平, 尹科. 城市復合生態(tài)及生態(tài)空間管理. 生態(tài)學報, 2014, 4(1): 1- 11.

[76] Chen J Q, Liu Y O. Coupled natural and human systems: a landscape ecology perspective. Landscape Ecology, 2014, 29(10): 1641- 1644.

《生態(tài)學報》2017年征訂啟事

《生態(tài)學報》是由中國科學技術協(xié)會主管，中國生態(tài)學學會、中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心共同主辦的生態(tài)學高級專業(yè)學術期刊，創(chuàng)刊于1981年，報道生態(tài)學領域前沿理論和原始創(chuàng)新性研究成果。堅持“百花齊放，百家爭鳴”的方針，依靠和團結(jié)廣大生態(tài)學科研工作者，探索生態(tài)學奧秘，為生態(tài)學基礎理論研究搭建交流平臺，促進生態(tài)學研究深入發(fā)展，為我國培養(yǎng)和造就生態(tài)學科研人才和知識創(chuàng)新服務、為國民經(jīng)濟建設和發(fā)展服務。

《生態(tài)學報》主要報道生態(tài)學重要基礎理論和應用研究的原始創(chuàng)新性科研成果。主要刊載文章類型有:研究綜述;研究論文;學術信息與動態(tài)，同時也刊登生態(tài)學新理論、新方法、新技術介紹;新書評介及開放實驗室介紹等。

《生態(tài)學報》為半月刊，大16開本，280頁，國內(nèi)定價90元/冊，全年定價2160元。

國內(nèi)郵發(fā)代號：82- 7，國外郵發(fā)代號：M670

標準刊號：ISSN 1000- 0933 CN 11- 2031/Q

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Ecological mechanisms of regolith stormwater storage

WANG Xiaojun*, GUO Miaoling, WANG Bing

School of Environmental and Resources of Shanxi University,Taiyuan 030006,China

Regolith is a loose accumulation layer formed by weathering over land surface. It is a natural structure for storm water storage, and has significant effects on the management of water resources in watershed. Based on recent research home and abroad, the Complex Open System Theory was employed in the present study to analyze the ecological mechanism of regolith stormwater storage. The material composition and spatio-temporal structure of regolith with respect to stormwater storage are discussed in this paper. The stormwater storage functions of regolith, including water collection, storage, purification, nourishment, and supply are explained, and the ecological relationships between regolith and watershed environmental elements, such as the topography, habitat, geology, soil, atmosphere, energy, and human activities were explored. This study shows that: (1) the storage characteristics of stormwater of the regolith are crucially influenced by its unique matter and spatio-temporal structure. If the stormwater storage function of the regolith could come into play, this water could change into healthy “l(fā)iving water.” The spatio-temporal variation of the material composition and structure of the regolith in different watersheds is significantly distinct, and the functional mechanism of the regolith stormwater storage is extremely complex. The use of quantitative methods to study these mechanisms is not feasible; therefore, Complex Open System Theory should be employed. (2) Regolith is a subsystem of watershed, which is connected to and interacts with other environmental features in the watershed. The earlier methods of regulation that used the “Drainage Paradigm” to solve problems partially in order to improve the whole watershed systematical condition are no longer applicable, since these methods do not adapt to later ecological studies of regolith stormwater storage. It is much more likely that new systematical problems would arise. (3) The watershed is considered to be a complex open system, and watershed ecologists in other countries have put forth the “Ecostructures” concept. It emphasizes the development of the watershed system′s ecological capabilities. Therefore, the focus of the studies on watershed stormwater storage should be expanded from the Soil-Vegetation-Atmosphere continuum to the Regolith-Habitat-Energy continuum. The present study suggests that we adopt “Learning by Doing” management methods for watershed adaptability, which would be an important direction for research on the management of watershed regolith stormwater storage in future.

regolith; stormwater storage; eco-structure; ecological function; ecological mechanism

山西省科技重大專項資助(20121101011)；國家自然科學青年基金項目(41201277)

2016- 01- 25; 網(wǎng)絡出版日期:2017- 02- 23

10.5846/stxb201601250175

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xjwang@sxu.edu.cn

王曉軍,郭妙玲,王兵.流域風化層雨洪調(diào)蓄生態(tài)機理.生態(tài)學報,2017,37(13):4610- 4618.

Wang X J, Guo M L, Wang B.Ecological mechanisms of regolith stormwater storage.Acta Ecologica Sinica,2017,37(13):4610- 4618.