張 寒，王 琳

（中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院/海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266100）

0 引言

生態(tài)水文學(xué)作為生態(tài)學(xué)和水文學(xué)間的交叉學(xué)科，注重強(qiáng)調(diào)生態(tài)與水文的關(guān)系，揭示了形成生態(tài)格局和生態(tài)過程的水文機(jī)制[1-2]。目前，生態(tài)和水文過程的研究方向包括承載力、水安全、水資源配置等，在流域范圍內(nèi)，生態(tài)水文的反饋與響應(yīng)與流域的景觀變化和生物地球化學(xué)過程密切相關(guān)[3]。

植被作為生態(tài)水文學(xué)研究的核心內(nèi)容，與流域內(nèi)的生態(tài)過程和水文循環(huán)密不可分。一方面，流域的土地利用、氣候條件和水體污染直接影響植被的生長及分布；另一方面，流域降水、下滲、徑流通過植被的截留、吸收、蒸騰，對水文循環(huán)的過程產(chǎn)生重要影響[4-5]。因此，植被與流域生態(tài)水文過程的相互作用已成為領(lǐng)域研究的重點(diǎn)問題之一。由于土地利用方式的不合理，植被覆蓋率逐漸下降，流域的生態(tài)平衡與水文過程受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。保障流域生態(tài)水文過程的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，使流域的生態(tài)韌性得以充分發(fā)揮，是當(dāng)前需要解決的關(guān)鍵問題。

1 流域生態(tài)過程研究

流域生態(tài)系統(tǒng)是一個相對封閉、邊界清晰的整體，隨時與外界保持物質(zhì)、能量與信息交換[6]。流域生態(tài)系統(tǒng)包括陸生生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)。陸生生態(tài)系統(tǒng)在固碳釋氧、水質(zhì)凈化與水土保持等方面作用顯著；水生生態(tài)系統(tǒng)在淡水供給、污染降解與調(diào)蓄分洪等生態(tài)修復(fù)方面發(fā)揮積極效用，陸生與水生生態(tài)系統(tǒng)鑲嵌交錯使流域成為一個整體性強(qiáng)、空間異質(zhì)性高的生態(tài)單元[7-10]。目前，流域生態(tài)過程的研究主要集中在植被覆蓋[11]、水土流失與土壤侵蝕[12]、水體污染治理[13-14]以及流域生態(tài)系統(tǒng)評價[15-17]等方面。

1.1 植被對流域生態(tài)過程的響應(yīng)

植被覆蓋變化與區(qū)域生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)，是反映生態(tài)變化的重要指標(biāo)。研究表明，植被群落的覆蓋度越高，植被生存狀況越好，流域的生態(tài)系統(tǒng)功能越穩(wěn)定[18]，植被覆蓋率的降低加劇了土地利用格局的破碎度，進(jìn)而影響流域生態(tài)環(huán)境。河岸植被群落的栽植可使河岸穩(wěn)定性提高85%以上，群落根系可有助于穩(wěn)固岸坡，調(diào)洪蓄洪[19]。一定寬度的河岸植被可通過水文過程減弱地表徑流和水體的污染，如草本植物可改變地表粗糙程度，提升地表徑流的下滲能力等[20]。相反，流域生態(tài)環(huán)境狀況也會影響植被群落的生長偏好及分布[21]。水質(zhì)、水量與人類活動是流域植被群落變化的主導(dǎo)因素[22-23]。Isabelle等[24]通過研究河岸植物群落和水質(zhì)間的響應(yīng)關(guān)系，建立了河岸生境恢復(fù)規(guī)劃系統(tǒng)，后期將多年的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，探討生態(tài)修復(fù)對河岸生境和水質(zhì)的影響。AjazAhmed等[25]使用不同尺度的數(shù)據(jù)集和功能模型，運(yùn)用地理加權(quán)回歸(GWR)來模擬流域尺度上的森林生態(tài)系統(tǒng)過程，并解釋了美國東南部生態(tài)驅(qū)動力的影響。Robert等[26]整合了帕圖森特河流域時間、空間等復(fù)雜性的尺度數(shù)據(jù)，開發(fā)了基于帕圖森特河流域的生態(tài)過程模型，研究了人類活動對流域植物生產(chǎn)力和植被景觀中養(yǎng)分循環(huán)的影響。Wang等[27]對植物—土壤復(fù)合系統(tǒng)的生態(tài)需水量進(jìn)行了評價，分析了基于遙感和GIS技術(shù)的植物-土壤復(fù)合系統(tǒng)的時空分布特征，論證了林地蒸散發(fā)量與生態(tài)需水量均高于草地。Ren等[28]通過比較2個不同流域造林與自然植被狀況，揭示土壤水分的消耗變化，論證植被種植密度對水資源需求量的平衡。Gautam等[29]運(yùn)用農(nóng)業(yè)政策環(huán)境擴(kuò)展(APEX)模型，模擬北阿巴拉契亞試驗(yàn)流域放牧場對流域地表徑流的影響，得出干草甸比放牧草甸具有更大的生態(tài)效益，并進(jìn)一步預(yù)測了土壤性質(zhì)變化和緩沖帶對徑流的影響。

1.2 植被對流域生態(tài)修復(fù)的作用

流域植被的生態(tài)過程受人為因素的干擾最大，其次是氣候因素[30-32]，為控制流域內(nèi)人為和氣候因素造成的水土流失、水體污染等生態(tài)問題，需在充分考慮流域生態(tài)修復(fù)原則和植被規(guī)劃的基礎(chǔ)上，對流域制定合理的生態(tài)修復(fù)措施[33-34]。Walters[35]指出，在人口密集和高度退化的沿海流域種植喬木林，有助于流域生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)。Fu等[36]通過監(jiān)測額濟(jì)納荒漠河流域不同植物群落的地下水深度、土壤水分、相對葉片含水量和水分利用效率等指標(biāo)，分析土壤水分和植物生態(tài)對地下水深度和不同植物群落水分利用效率的響應(yīng)，得出森林植物群落對高水分利用效率物種的生存有利。

2 流域水文過程研究

2.1 土地利用與覆被變化對流域水文過程的影響

土地利用變化所引起的生態(tài)水文響應(yīng)是水文學(xué)研究的核心問題之一，對揭示水文循環(huán)與不同空間尺度生態(tài)系統(tǒng)的相互作用機(jī)理具有重要的意義，目前的主要研究方向?yàn)樘接懲恋乩脤α饔虻乇韽搅?、泥沙、蒸散、水質(zhì)等方面的影響[37-40]。Vaibhav等[41]以土壤—植被—大氣轉(zhuǎn)換模式為基礎(chǔ)，探討彭納爾河流域入滲模式的變化對徑流潛力的影響，并指出人類對土地利用的規(guī)劃和管理將直接影響流域的生態(tài)水文過程。Gao等[42]應(yīng)用CA-Markov模型預(yù)測了2028年秦淮河流域分布式土地利用情況，并利用HEC-HMS水文模型研究土地利用變化對流域水文響應(yīng)的影響。Birhanu等[43]校準(zhǔn)并優(yōu)化了概念性降雨-徑流模型(HBV)，評估古馬拉流域土地利用與覆被變化對水分平衡特征（蒸散發(fā)、土壤水分、地下水補(bǔ)給和徑流）的影響。Maryam等[44]將水文模型與土地利用現(xiàn)狀相結(jié)合，對加拉茲柴河流域進(jìn)行研究，評價了協(xié)同管理框架下土地利用變化對水沙負(fù)荷的響應(yīng)，論證了不同土地利用情景對徑流和泥沙的顯著影響。Yalew等[45]將SITE土地利用變化模型和SWIM水文模型相耦合，評估草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和流域水資源之間的相互作用。

近年來，SWAT水文模型在土地利用變化方面有較多研究成果，重點(diǎn)集中在土地利用變化對徑流量及產(chǎn)沙量等方面的影響[46]。Marian等[47]運(yùn)用SWAT模型對Owabi流域30年的徑流量數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，建立了未來水文預(yù)測模型。Nikita等[48]基于SUFI-2、GLUE、ParaSol等方法，針對Ganga流域建立了徑流量與土壤侵蝕的SWAT模型，檢驗(yàn)河道徑流與產(chǎn)沙量方面的適用性。李朝月等[49]應(yīng)用SWAT模型對壽昌江流域進(jìn)行產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬，并進(jìn)行景觀格局分析，得出景觀指數(shù)與產(chǎn)沙模數(shù)間的顯著相關(guān)性，建議改善流域土壤侵蝕應(yīng)考慮流域景觀特征。

2.2 植被變化對徑流的影響

植被變化影響大氣降水的再分配和冠層的截留和蒸散發(fā)，不同植被類型對流域徑流量影響不同[50]。研究表明，闊葉林地對流域徑流量的調(diào)蓄最為明顯，當(dāng)林地面積減少耕地面積增加時，徑流量隨之增加；反之，徑流量減少[51-53]。王友生[54]通過對2個流域植被變化和降水徑流變化趨勢分析，闡述了植被和降水變化對徑流過程的影響，論證了闊葉林對徑流調(diào)蓄能力最強(qiáng)，灌木林最弱。Rujner[55]利用MIKE SHE降雨模式中的徑流模擬板塊，結(jié)合12個灌水區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對草地灌水的水文響應(yīng)進(jìn)行模擬，論證草地覆蓋的水力傳導(dǎo)與土壤保持效益。Mirela-Alina等[56]運(yùn)用MIKE SHE模型對阿格塞爾河流域土地利用管理決策與水文管理措施進(jìn)行了評估，得出植被參數(shù)、根系深度和經(jīng)驗(yàn)參數(shù)影響蒸散發(fā)和補(bǔ)給；在非飽和區(qū)，土壤類型對入滲、蒸散和補(bǔ)給功能顯著相關(guān)，在飽和區(qū)，基質(zhì)的水導(dǎo)率為主導(dǎo)參數(shù)。Spyridon等[57]通過MIKE SHE模型對斯珀奇奧斯河流域地表徑流滲透到飽和與非飽和帶的過程進(jìn)行了模擬，后期結(jié)合了ArcGIS技術(shù)，通過流域植被和地質(zhì)資料對MIKE SHE模型的物理過程進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，并提出了模型的優(yōu)化措施。

2.3 植被變化對林冠截留和蒸散發(fā)的影響

林冠截留是植被生態(tài)功能的重要組成部分，目前的研究主要集中在降水對植被的冠層元素（樹枝、樹葉、樹皮等）之間的相互作用。而降水量和葉面積指數(shù)直接影響林冠層截留效率[58-61]。Gavazzi等[62]基于北卡羅萊納海岸平原十年的自然降水率與強(qiáng)度的變化，描述火炬松林的冠層截留情況，得出林冠截留的年際變異性高于短期的研究報道，區(qū)域水文模型必須考慮林冠截留的可變性因素。Fan等[63]用時間插值方法來模擬熱帶地區(qū)的對流型降水，最終與實(shí)際降水?dāng)?shù)據(jù)相結(jié)合，準(zhǔn)確描述了不同植物的冠層蒸發(fā)和蒸騰。Guo等[64]對上海地區(qū)常用景觀樹種的葉面積指數(shù)和蓄水能力進(jìn)行了測定，并采用截留公式計(jì)算了林冠降雨截留能力，模擬了景觀樹木潛在的冠層截留降雨能力及其對降雨分布的影響。Van等[65]比較兩種不同樹冠結(jié)構(gòu)的園林綠化植物的截留損失，得出低枝傾角、薄冠層的樹種可增加降雨過程中的水分損失；越光滑的樹皮、越高的樹枝傾斜度和越深的冠層可減少水分的損失，使得更多的水分轉(zhuǎn)移到地表或地下。

蒸散發(fā)是流域水文循環(huán)的關(guān)鍵。植被的蒸散量與季節(jié)特征顯著相關(guān)，由于植被的葉冠、根系等指標(biāo)不同，因此不同植被類型具有不同蒸發(fā)速率[66-67]。研究表明，流域蒸散量和徑流量與植被的生長季節(jié)、覆蓋程度、覆蓋種類密切相關(guān)[68-71]。徐飛等[72]利用WEP-L水文模型模擬清水河流域不同植被垂直帶土壤蓄水及蒸散發(fā)過程，得出林地蒸散顯著高于草地和耕地，徑流深則較小。

3 相關(guān)生態(tài)水文模型比較分析

近年來，生態(tài)水文模型法由于其物理機(jī)制明確、易操作而在生態(tài)水文學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用[73-75]。生態(tài)水文模型非常重視水文過程和生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)系研究，水分與植被之間的循環(huán)過程是研究的關(guān)鍵點(diǎn)，因此生態(tài)水文模擬必須體現(xiàn)生態(tài)—水文間相互耦合的關(guān)系。目前，生態(tài)水文過程所具有代表性的分布式模型包含WETSPASS模型[76]、HELP模型、CREST-Snow水文模型[77]、TOPMODEL 模型[78]、TOPOG 模型[79]、SWAT 模型[80-81]、SWIM模型以及MIKE SHE[82]模型。其中SWAT模型與MIKE SHE模型屬于綜合性流域水文模型。TOPMODEL模型重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)地貌，通過地貌揭示水文過程，該模型將流域的地形分為集總式單元進(jìn)行模擬與運(yùn)算，無法反映同一單元內(nèi)其他地理信息[83-84]。VIC模型可對陸地大氣之間的能量和水量平衡進(jìn)行模擬，應(yīng)用尺度較大，因此對短時間內(nèi)水量的模擬精度不夠[85]，另外，該模型適用于面積較大的流域，對于中小流域的水文模擬存在著一定不足。TOPOG模型兼顧植被的蒸騰、截留等水循環(huán)過程，可模擬植物生長以及對水量平衡的影響，尤其對蒸發(fā)散模擬較為詳細(xì)，該模型多用于小型流域（10 km2以下），對于較大流域的生態(tài)水文過程應(yīng)用較少[86-88]。SWAT模型注重水質(zhì)和水量調(diào)控模擬，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)流域范圍內(nèi)土壤侵蝕、泥沙沖淤、產(chǎn)流產(chǎn)污過程的模擬，對植被的生態(tài)水文過程體現(xiàn)不強(qiáng)[89-90]。MIKE SHE模型詳細(xì)描述了流域主要水文循環(huán)，包括土地利用、林冠截留、坡面流、融雪、飽和帶和不飽和帶的水流運(yùn)動及相互作用，能夠更好地表達(dá)自然的空間異質(zhì)性，能夠清晰地描述完整的地表—地下一體化水文過程[91]。MIKE SHE模型側(cè)重于土地利用變化和氣候變化下的水資源管理和水文預(yù)測[92]。在景觀變化方面，與以往的概念模型相比，MIKE SHE模型的參數(shù)細(xì)節(jié)表達(dá)更清晰，體現(xiàn)了不同水文過程的空間異質(zhì)性和時間連續(xù)性，使模擬的數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠[93-94]。

4 結(jié)論與展望

流域的綜合整治需各環(huán)節(jié)統(tǒng)籌協(xié)同，以達(dá)到最佳效果[95]。其中，生態(tài)水文過程是至關(guān)重要的一環(huán)，不同植被對流域內(nèi)的降水、蒸發(fā)、下滲、地表徑流等生態(tài)水文過程具有不同影響[96]。雖然目前對流域植被的生態(tài)過程及水文過程的研究有一定的進(jìn)展，但仍存在如下問題：目前的研究大都側(cè)重單方面，即流域植被的生態(tài)過程或流域植被的水文過程，沒有綜合考慮流域生態(tài)過程與水文過程的失衡問題；應(yīng)用的生態(tài)水文模型大都注重植被變化對生態(tài)過程或水文過程的單向作用，而對兩者之間的耦合反饋機(jī)制分析較少；缺乏強(qiáng)調(diào)植被作用的綜合生態(tài)水文模型。

基于國內(nèi)外植被對流域生態(tài)水文作用的研究總結(jié)，建議今后從以下方面對植被在流域生態(tài)水文過程的作用進(jìn)行深入研究：

加強(qiáng)流域內(nèi)植被的規(guī)劃與種植，達(dá)到流域生態(tài)作用與景觀作用相融合，規(guī)劃應(yīng)多選取適宜當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的鄉(xiāng)土樹種，才更有利于植被對流域生態(tài)水文作用的發(fā)揮；

在流域生態(tài)水文模型的構(gòu)建中，應(yīng)著重考慮植被對流域水文過程的作用，完善不同植被種類及生長階段對水文循環(huán)的影響，充分發(fā)揮植被因素對水文模型的彌補(bǔ)作用。

將地理信息技術(shù)與生態(tài)水文模型相耦合，并通過模型參數(shù)的優(yōu)化，解決流域生態(tài)過程與水文過程的失衡問題，實(shí)現(xiàn)流域的生態(tài)韌性，是今后生態(tài)水文學(xué)研究的重點(diǎn)。