摘要：生態(tài)水文學(xué)是流域水資源管理的理論基礎(chǔ)。流域生態(tài)過程與水文過程間的關(guān)系是當(dāng)前生態(tài)水文學(xué)研究的重點(diǎn)之一，也是實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明建設(shè)的重要科學(xué)舉措。植被對(duì)流域的生態(tài)水文過程有著密切聯(lián)系。流域內(nèi)的植被不僅提供減少空氣污染和能源消耗、改善水質(zhì)等生態(tài)服務(wù)，還通過截留、蒸散、下滲等作用維持流域內(nèi)水資源與土壤資源之間的動(dòng)態(tài)平衡。流域內(nèi)土地、氣候和水文資源等條件也直接影響植被的生長(zhǎng)分布及演替;本研究基于生態(tài)水文學(xué)理論，從植被變化對(duì)流域生態(tài)修復(fù)作用和水文響應(yīng)等方面，系統(tǒng)總結(jié)了植被對(duì)流域生態(tài)水文過程的研究方法及影響，并探討了相關(guān)生態(tài)水文模型的優(yōu)勢(shì)與不足，最后指出解決流域生態(tài)過程與水文過程的失衡問題是今后亟需加強(qiáng)的研究方向。

　　關(guān)鍵詞：植被;生態(tài)水文過程;生態(tài)水文模型;流域

　　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(zhǎng)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(duì)水文循環(huán)的過程產(chǎn)生重要影響[4-5]。

　　生態(tài)方向評(píng)職知識(shí)：水文、水資源類sci期刊

　　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(gè)相對(duì)封閉、邊界清晰的整體，隨時(shí)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(cuò)使流域成為一個(gè)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(píng)價(jià)[15-17]等方面。

　　1.1植被對(duì)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(huì)影響植被群落的生長(zhǎng)偏好及分布[21]。水質(zhì)、水量與人類活動(dòng)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(duì)，探討生態(tài)修復(fù)對(duì)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(guó)東南部生態(tài)驅(qū)動(dòng)力的影響。Robert等[26]整合了帕圖森特河流域時(shí)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(dòng)對(duì)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(duì)植物—土壤復(fù)合系統(tǒng)的生態(tài)需水量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，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(shí)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(gè)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(duì)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(chǎng)對(duì)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(cè)了土壤性質(zhì)變化和緩沖帶對(duì)徑流的影響。

　　1.2植被對(duì)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(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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�用�?duì)流域地表徑流、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(duì)徑流潛力的影響，并指出人類對(duì)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(cè)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(duì)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(píng)估古馬拉流域土地利用與覆被變化對(duì)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(duì)加拉茲柴河流域進(jìn)行研究，評(píng)價(jià)了協(xié)同管理框架下土地利用變化對(duì)水沙負(fù)荷的響應(yīng)，論證了不同土地利用情景對(duì)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(píng)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(duì)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(duì)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(cè)模型。Nikita等[48]基于SUFI-2、GLUE、ParaSol等方法，針對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)流域徑流量影響不同[50]。研究表明，闊葉林地對(duì)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(shí)，徑流量隨之增加;反之，徑流量減少[51-53]。王友生[54]通過對(duì)2個(gè)流域植被變化和降水徑流變化趨勢(shì)分析，闡述了植被和降水變化對(duì)徑流過程的影響，論證了闊葉林對(duì)徑流調(diào)蓄能力最強(qiáng)，灌木林最弱。

　　Rujner[55]利用MIKESHE降雨模式中的徑流模擬板塊，結(jié)合12個(gè)灌水區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)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MIKESHE模型對(duì)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(píng)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(duì)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MIKESHE模型對(duì)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(duì)MIKESHE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(duì)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(duì)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(bào)道，區(qū)域水文模型必須考慮林冠截留的可變性因素。

　　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MIKESHE[82]模型。其中SWAT模型與MIKESHE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]。

　　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(duì)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(duì)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(duì)生態(tài)過程或水文過程的單向作用，而對(duì)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(guó)內(nèi)外植被對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)流域水文過程的作用，完善不同植被種類及生長(zhǎng)階段對(duì)水文循環(huán)的影響，充分發(fā)揮植被因素對(duì)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)。

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　　作者：張寒，王琳