生态水文学的发展背景和需求

　　摘要：生态水文学是一门探索和揭示形成生态格局和过程的水文学机制的科学, 它的研究应用对解决涉水的生态环境问题及由此引发的水灾害问题有重要支撑作用。阐述了生态水文学的学科发展背景和需求, 给出了生态水文学的概念并总结了生态水文学的研究问题, 提出了生态水文学国际国内最新研究动向, 展望了学科的发展与战略。

　　关键词：生态水文学; 生态学; 水文学; 学科发展战略;

　　Advances and prospects of eco-hydrology research

　　Xia Jun Li Tiansheng

　　State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University The Research Institute for Water Security , Wuhan University

　　Abstract：

　　Eco-hydrology is a discipline that explores and reveals the mechanism of hydrology that forms the ecological pattern and process.The application of eco-hydrology has a positive effect on solving current problems which are related to water and ecology in China.In this paper, ecological hydrology development background and necessity are elaborately illustrated;the definition of ecological hydrology is proposed;the issues on eco-hydrology study are summarized.Moreover, the latest international research trends and domestic development strategy on eco-hydrology are introduced.

　　Keyword：

　　eco-hydrology; ecology; hydrology; disciplinary development strategy;

　　1 基本概念

　　1.1 生态水文学学科需求

　　我国是一个“人口—资源—环境”矛盾凸显、水问题和生态环境问题十分突出的发展中国家。随着全球气候变化和高强度人类经济发展, 国家水安全面临越来越严峻的水与生态问题的挑战, 如河道断流、湖泊干涸、湿地退化等。

　　无论城市还是农村, 触目惊心的水灾害问题的背后有生态环境变化的原因。以武汉市为例, 2016年汛期暴雨内涝灾害造成全市12个区75.5万人受灾, 直接经济损失达22.65亿元, 导致武汉“城市看海”的一个重要原因是湖泊、湿地的萎缩。据统计, 素有百湖之称的武汉市, 近30年湖泊面积减少了228.9 km2, 近10年减少了11.4 km2, 城区湖泊由19世纪50年代的127个缩减为目前的38个, 1991—2010年, 水域面积减少了38%。虽然武汉市较早实施海绵城市建设, 但因缺少基础的生态水文学知识与战略支撑, 现在仍然面临“年年看海”的困境。除了城市内涝, 我国的湿地面积也在不断缩减, 根据2014年1月公布的统计数据:2004—2014年间我国湿地面积减少了339.63万hm2。同时, 由于河流的开发和水体的污染, 我国的江河水生物物种快速退化, 如长江珍稀物种白鳍豚的绝迹, “四大家鱼”鱼卵和鱼苗的大幅减少等。诸如此类的水灾害和水生态退化的背后反映的就是水与生态问题。

　　基于上述水与生态问题的挑战, 我国非常重视水与生态的建设与健康发展。习总书记提出“绿水青山就是金山银山”, 生态问题在我国已经上升为关乎国家未来发展的战略问题。而生态水文学作为一门探索和揭示形成生态格局和过程的水文学机制的新兴学科, 为解决水与生态问题, 满足我国生态建设需求是必不可少的。

　　1.2 生态水文学定义

　　生态水文学是一门水文学和生态学交叉的新兴发展学科, 属于联合国教科文组织 (UNESCO) 国际水文计划 (IHP) 当前和未来20年重要的学科发展方向。生态水文学是一门从不同尺度 (全球、区域、流域) 探索和揭示形成生态格局和过程的水文学机理的一门学科。笔者在2003年曾经指出:在概念上生态水文学可以理解为生态学和水文学的交叉学科, 即水文过程对生态系统结构、分布、格局、生长状况的影响, 同时研究生态系统中植被类型、格局、配置等变化对水文循环的影响[1]。生态水文学服务于流域水管理与水治理。

　　2 生态水文学研究的问题

　　以水与生态的关系为核心, 经过多年研究与发展, 生态水文学研究的问题得到了较大的拓展和丰富。就目前学科发展体系来看, 生态水文学研究的问题主要包括:河湖生态水文、植被生态水文、湿地生态水文等多个方面, 还包括河流开发对水环境和生态的影响, 流域、河湖、城市生态重建与管理等问题。本节重点针对河湖生态水文和植被生态水文等展开讨论, 探讨生态水文学研究的问题和内容。

　　2.1 河湖生态水文

　　河湖生态系统是与人类居住环境最为密切的载体。针对河湖生态系统的生态水文研究, 主要致力于河湖水文过程中的生物过程和非生物过程。其中生物过程主要包括:湿地植物生长与区域水文循环之间的影响关系[2], 水体藻类与水环境的影响[3], 河湖底栖生物与水生态关系[4], 两栖类生物、鱼类、鸟类等和区域水生态之间的相互关系[5,6,7]。非生物过程主要包括:水体悬浮物的沉积、输送和再悬浮过程对水环境的影响[8], 水下光环境对水环境的影响[9], 水体化学特征与水生态的关系[10], 河湖水体分层对水生态环境的影响[11]等。

　　基于河湖中的生物水文过程和非生物水文过程, 探讨和研究河湖生态需水量和环境流量是一个重要课题。刘悦忆等[12]指出:广义的河流生态流量既包括维持河道内生态系统所需要的流量过程, 也包括与河道相连的湖泊、河口、湿地、地下水等系统的需水量。由于不同水体生态环境和地理条件的差异, 不同情境下相关环境流量的研究结果也差异较大, 因此, 满足流域不同河流指示性鱼类和河流生态目标的生态水文过程估计显得尤为重要。河湖生态环境需水量的估算是一个复杂的问题, 其以流量估算为目标, 通过流域综合管理、生态调度[13]等手段, 达到河湖的水生态可持续健康发展。

　　2.2 植被生态水文

　　植被作为区域生态系统重要组成部分, 通过蒸腾耗水维持地表水、土壤水和大气水之间的平衡, 通过光合作用平衡区域的碳循环, 同时给区域其他生物提供能量来源。所以, 植被在区域水生态平衡健康发展中起到至关重要的作用。植被生态水文学的研究主要关注包括森林、湿地、草地等在内的植被生态系统与区域水循环的相互作用机理。

　　充足的地表水和土壤水对植被生态系统的健康持续生长具有不可替代的作用。以中国西部塔里木河下游流域为例:由于当地农牧业的快速发展, 人类社会经济发展耗费了大量的水资源, 使得该区域的地下水位持续下降, 而地下水的变化直接影响植被生态系统的质量。当地下水埋深低于3 m时, 胡杨林的生长状况较好;当地下水埋深大于6 m时, 胡杨林开始凋萎, 接近死亡;当地下水埋深大于9 m时, 胡杨林不能得到水分补给, 无法存活。胡杨林作为内陆干旱区的指示性物种, 它的大面积死亡会加速该区域的沙漠化, 严重恶化当地的生态环境。另一方面, 植被生态系统对区域水循环有着至关重要的作用, 譬如降水的截留、土壤和营养物质的涵养、空气湿度的调节、河流健康水质的保持以及区域碳氮健康循环等都离不开良好的植被状况。基于此, 通过生态水文学在植被生态系统中的研究和应用, 科学合理管理区域水资源开发利用, 保护植被生态系统健康可持续是当前生态建设的重要课题。

　　2.3 河流开发对水环境和生态的影响

　　截至2013年, 我国大坝水库数量超过了9.8万座[14], 超过90%的河流都受到了人类活动的影响。河流的开发利用在给社会经济提供水源和能源供应的同时, 也给河流生态环境带来诸多负面影响。水库大坝建成后, 会对河流生物的栖息地产生不可逆的影响, 改变河流在自然状态下的流量、水文过程、水质状况等。大坝上游回水地区:水库回水会侵占土地, 迫使当地人民搬迁, 水库的建设会改变局部气候, 由于上游库区流速等变化, 库区水质会变差, 同时也会影响鱼类洄游。大坝下游地区:由于水位高差的变化, 会引起下游河道的水沙变化, 若是引水式电站, 则会减少河段, 同时也对下游地区洄游鱼类造成很大影响。

　　以三峡工程对鄱阳湖生态环境影响为例, 说明大坝建设对河流生态的影响。鄱阳湖是我国最大的淡水湖泊, 也是长江流域最大的通江湖泊, 在正常水文条件下, 鄱阳湖容积达到260亿m3, 年流入长江的水量超过黄、淮、海三河水量总和, 是长江水量的调节器, 并与全球19个湖泊组成了“世界生命湖泊网”。由于鄱阳湖是典型的季节性吞吐湖泊, 汛期长江洪水与鄱阳湖流域洪水遭遇, 极易发生洪涝灾害, 三峡水库建成运行以后, 汛末三峡开始蓄水, 下泄流量减少, 加之干旱等因素, 导致鄱阳湖湖口长江水位低于湖水位, 形成拉空湖水的态势, 进而极大地破坏了鄱阳湖的生态系统, 导致地区生态退化。由此可见, 在河流开发前期规划中, 缺少必要的生态水文论证, 会带来严重的水生态问题。为避免流域水生态环境退化, 建设文明生态流域, 以生态水文学为基础的河流开发统筹规划是必不可少的。

　　2.4 水生态重建与管理

　　国际生态重建协会指出, 生态修复是一个协助生态整体性恢复与管理的过程, 其中生态整体性包括一个在生物多样性、生态过程和结构、地区与历史范围与可持续化实践等变异性的严格范围[15]。水生态重建与管理主要关注流域、河湖、城市中已经遭到破坏区域重建中的水生态问题。

　　以北京市永定河生态修复为例进行说明。2010年以前永定河几乎是一条干河, 而且基本上是垃圾填埋场, 2010—2013年, 北京市实施了永定河“五湖一线一湿地”工程, 包括门城湖、莲石湖、晓月湖、宛平湖、园博湖、调水管线和园博园湿地等项目, 治理河长18.4 km, 恢复水面400 hm2, 建成绿地440 hm2。经过一系列水生态修复工程, 永定河又变成了美丽的母亲河, 为该区域的生态景观和水土涵养发挥着重要作用。

　　需要指出的是, 区域水生态的重建与管理需要着眼于科学的发展观, 不拘泥于当前的经济利益, 以生态水文学科学研究为基石, 基于生态水文学做整体规划, 用科学合理的手段进行重建, 达到区域水生态健康可持续发展。

　　3 生态水文学发展与展望

　　3.1 国内外研究进展

　　20世纪90年代前后, “生态—水文”主题的研究在欧洲逐渐兴起, 在这种背景下, 1992年在德国柏林举行的水与环境国际会议上, 生态水文学作为一门学科被独立出来, 生态水文学学科正式建立。1992—1995年, 生态水文学处于学科发展的初期阶段, 在基础理论和方法研究中均取得一定的进展, 如1993年Heathwaite等撰写的专著《Mires:process, exploitation and conservation》[16], 在此期间我国学者也在尝试引进生态水文学, 如1993年马雪华撰写的《森林水文学》就对森林生态水文学的研究做了初步的探索[17]。1996—2007年, 生态水文学进入快速发展阶段, 国内外有关生态水文学的研究成果及专著大量涌现, 如1997年Zalewski主导的“生态水文专集”[18];1999年Baird编著的《Eco-hydrology:Plants and Water in Terrestrial and Aquatic Environments》[19];2001年Acreman编著的《Hydro-Ecology:Linking Hydrology and Aquatic Ecology》[20]。在国内, 1999年刘昌明等编著《土壤—作物—大气界面水分过程与节水调控》[21];武强、严登华、崔保山等也在生态水文学方面积极探索和研究[22,23,24,25], 这一时期的研究为生态水文学的后期发展奠定了坚实的基础。2008年至今, 生态水文学一直处于逐渐完善并发展壮大的阶段。联合国教科文组织第七阶段 (UNESCO/IHP) -VII (2008—2013) 主题3以“面向可持续的生态水文学”为主题强调生态水文学的发展和研究, 在第八阶段 (UNESCO/IHP) -VIII (2014—2021) 主题5“生态水文——面向可持续世界的协调管理”同样将生态水文学的发展研究作为重中之重。《Ecohydrology》期刊也在这一时期成立。近年来, 生态水文学的研究成果极其丰富:2008年Wood等编著《水文生态学与生态水文学:过去、现在和未来》[26], Harper等编著《生态水文学:过程、模型和实例——水资源可持续管理方法》。2010年国内学者程国栋等编著《中国西部典型内陆河生态—水文研究》[27], 杨大文、郭劲松、张建云等也对生态水文学的发展做出了有益的贡献[28,29,30]。

　　生态水文学从孕育到提出, 从快速发展到逐渐完善, 经历了30年的探索发展, 已从一门新兴学科发展到如今的国内外重点关注研究的学科, 同时, 生态水文学也为地球水生态文明建设发挥着愈来愈重要的作用。

　　3.2 生态水文学体系发展展望

　　3.2.1 国际研究展望

　　21世纪地球环境主要影响要素是气候变化和人类社会经济发展。在这样的大背景下, 水生态环境原有的平衡发展被打破, 呈现出许多严重问题。2017年在波兰召开的国际生态水文学大会上, 提出旨在探索融合循环经济理念和基于自然生态系统的解决方案, 推进全球气候变化下的国际生态水文学研究与实践。会上来自世界各国的相关学者讨论了生态水文学当下面临的问题及未来发展方向。在生态水文学发展展望中, 大会提出以下5点内容, 作为未来生态水文学主要的探索方向。

　　(1) 健康河流的水文学基础。以生态水文学的方法理论为基础, 着眼于流域水环境持续恶化、生物种群数量急剧减少、岸边生态恶化等河流突出问题, 将生态水文学理论方法应用于河流健康建设。强调流域环境治理和生态治理并重, 通过加强河流及水库的碳、氮循环控制, 抑制水库温室气体排放, 保证流域物种多样性、生态服务功能和应对气候变化的能力。

　　(2) 面向循环经济的生态水文学研究。循环经济理念强调节能减排, 以最小的能源消耗得到最大的物质产出。水和生态环境是循环经济的重要组成部分, 水资源的循环利用和生态产品的积极推广是重点研究内容。在区域经济发展实践中, 将生态价值和整体发展利益最大化作为首要目标, 以生态效率指标作为区域水资源开发和经济发展的评价指标, 结合生态水文学知识, 引导区域向循环经济和生态友好型方向发展, 科学合理推进区域水生态文明建设。

　　(3) 应对全球变化影响的生态水文学。在全球气候变化和人类社会经济发展的大背景下, 有机结合生态水文学和湖沼学, 寻求基于自然生态的系统解决方案, 提高流域水资源适应气候变化能力是未来努力的方向。需要指出, 研究和探索“气候—水文过程—生态格局变化”之间的相互作用机理, 系统分析区域水生态变化的诱因和影响, 是应对气候变化影响下的生态水文重点关注的内容。

　　(4) 针对已开发河流的生态修复。本文2.3节提到河流开发对水生态的影响, 基于此, 近年来国际社会对已开发河流的生态修复做了许多有益的探索。由于已开发河流受到大坝等水工建筑物的阻隔, 在河流生态修复时, 河道联通是首要任务, 除此之外, 水电开发区域植被修复、已开发河流的水质和水生态健康状况的实时监测、对大坝等水工建筑物统一规划与适应性管理等都是已开发河流生态修复亟待研究的课题。

　　(5) 建设融合自然生态系统解决方案和循环经济的未来城市生态建设。城市作为人类社会的主要聚居地, 由于人口密度高等特点, 是水安全、水灾害、水生态恶化综合爆发的区域。基于此, 城市生态水文学提出了融合自然生态系统解决方案和循环经济的未来城市建设理念, 主要关注提高城市河流湖泊等水体的自我净化能力、城市污水隔离缓冲带建设以及城市自我调蓄洪水能力建设等。

　　3.2.2 国内发展战略布局

　　学科建设和发展是一项涉及多方面的复杂系统工程, 为了让生态水文学为我国的水资源可持续发展利用和生态文明建设发挥应有的作用, 笔者根据生态水文学当前的国际、国内研究动态和发展前沿, 提出了对“生态水文学学科发展战略”的若干建议。

　　2017年5月笔者的院士咨询项目“生态水文学学科发展战略”被批准, 其主旨是推动我国生态水文学的科学基础和战略研究、服务于国家生态文明建设和水与生态问题的重大需求, 主要包括以下4个方面的内容。

　　(1) 生态水文学国家需求的国际前沿问题分析。系统总结生态水文学知识、阐述生态水文学的发展历程、分析国内外研究现状和国际学科前沿问题、制定满足国家战略要求的学科发展思路。

　　(2) 生态水文学学科体系及理论方法总结。构建生态水文学学科体系, 阐述其理论方法。

　　(3) 生态水文学发展趋势分析及研究展望。罗列了生态水文学目前要解决的重要科学问题、生态水文学未来发展趋势、生态水文学发展重点和应用前景、中国生态水文学研究重点突破的方向、中国生态水文学研究战略布局等。

　　(4) 我国生态水文学发展战略制定及建议。从生态水文学学科战略发展的总体规划, 生态水文学重点分支战略规划等方面提出了学科战略发展具体方案和建议。

　　概括来说, 生态水文学的学科建设需要以我国的国家需求为出发点, 带动学科的建设和发展, 在理论、技术应用上取得新突破;以基础理论研究为根本, 构建科学合理的研究计划, 提出具有中国特色的生态水文学学科体系;依托重点研究项目, 针对不同的生态水文区域类型, 开展恢复自然生态水文体制的关键技术、模式和应用研究;通过广泛的国际合作, 了解学习国际学术前沿, 实现资源共享、人才培养和引进, 同时提高我国在生态水文学领域的声望。

　　4 结语

　　生态水文学是流域水管理、河流水治理和生态文明建设重要的水文科学基础。水与生态的关系、揭示形成生态格局和过程的水文学机制是生态水文学重要的科学问题。我国生态水文学的研究具有良好的基础, 也有新的发展, 特别是国家基金委员会提出的黑河流域生态—水文过程集成研究重大计划的完成。由于我国气候、降雨等因素的多样性, 急需进一步探索不同问题需求下的生态水文学的理论方法和学科体系。发展生态水文学学科需要加强水文学和生态学的学科交叉, 强化生态水文学新的理论、方法和技术的研究和实践, 紧跟国际发展前沿, 同时以社会水文学的发展作为辅助, 推动我国生态文明建设等国家重大需求的建设与发展。

　　参考文献
　　[1]夏军, 丰华丽, 谈戈, 等.生态水文学概念、框架和体系[J].灌溉排水学报, 2003 (1) :4-10.
　　[2]Nilsson C, Keddy P A.Predictability of change in shoreline vegetation in a hydroelectric reservoir, Northern Sweden[J].Canadian Journal of Fisheries&Aquaic Sciences, 1988, 45 (11) :1896-1904.
　　[3]Marco Cantonati, Nicola Angeli.New findings on the ecology and ultrastructure of cymbella ancyli cleve[J].Diatom Research, 2003, 18 (2) :377-384.
　　[4]Norris R H, Lake P S, Swain R.Ecological effects of mine effluents on the south river, northeastern Tasmania[J].Australian Journal of Marine and Freshwater Research, 1982, 33 (5) :789-809.
　　[5]Dukas R, Real L A.Effects of recent experience on foraging decisions by bumble bees[J].Oecologia, 1993, 94 (2) :244-246.
　　[6]Kinsolving A D, Bain M B.Fish assemblage recovery along a riverine disturbancegradient[J].Ecological Applications, 1993, 3 (3) :531-544.
　　[7]Desgranges J L, Ingram J, Drolet B, et al.Modelling wetland bird response to water level changes in the Lake Ontario-St.Lawrence River hydrosystem[J].Environmental Monitoring&Assessment, 2006, 113 (1-3) :329-365.
　　[8]Bilotta G S, Brazier R E.Understanding the influence of suspended solids on water quality and aquatic biota[J].Water Research, 2008, 42 (12) :2849-2861.
　　[9]Duin E H S V, Blom G, Los F J, et al.Modeling underwater light climate in relation to sedimentation, resuspension, water quality and autotrophic growth[J].Hydrobiologia, 2001, 444 (1-3) :25-42.
　　[10]Feuchtmayr H, Moran R, Hatton K, et al.Global warming and eutrophication:effects on water chemistry and autotrophic communities in experimental hypertrophic shallow lake mesocosms[J].Journal of Applied Ecology, 2009, 46 (3) :713-723.
　　[11]Paerl H W, Hall N S, Calandrino E S.Controlling harmful cyanobacterial blooms in a world experiencing anthropogenic and climaticinduced change[J].Science of the Total Environment, 2011, 409 (10) :1739-1745.
　　[12]刘悦忆, 朱金峰, 赵建世.河流生态流量研究发展历程与前沿[J].水力发电学报, 2016, 35 (12) :23-34.
　　[13]夏军, 赵长森, 刘敏, 等.淮河闸坝对河流生态影响评价研究--以蚌埠闸为例[J].自然资源学报, 2008 (1) :48-60.
　　[14]李宗坤, 葛巍, 王娟, 等.中国水库大坝风险标准与应用研究[J].水利学报, 2015, 46 (5) :567-573, 583.
　　[15]张新时.关于生态重建和生态恢复的思辨及其科学涵义与发展途径[J].植物生态学报, 2010, 34 (1) :112-118.
　　[16]Jarvis P J, Heathwaite A L, Gottlich K.Mires:process, exploitation and conservation[J].Geographical Journal, 1994, 160 (3) :341.
　　[17]马雪华.森林水文学[M].北京:中国林业出版社, 1993:11-39.
　　[18]Zalewski M, Janauer G A, Jolankai G, et al.Ecohydrology:A new paradigm for the sustainable use of aquatic resources[J].Encyclopedia of Earth Sciences, 1997, 60 (5) :823-832.
　　[19]Baird A, Wilby R.Eco-hydrology:plants and water in terrestrial and aquaticenvironments[M].London:Routledge, 1999.
　　[20]Acreman M C.Hydro-ecology:Linking hydrology and aquatic ecology[M].Wallingford:IAHS, 2001.
　　[21]刘昌明, 王会肖, 等.土壤-作物-大气界面水分过程与节水调控[M].北京:科学出版社, 1999.
　　[22]严登华, 何岩, 邓伟, 等.生态水文学研究进展[J].地理科学, 2001 (5) :467-473.
　　[23]严登华.应用生态水文学[M].北京:科学出版社, 2014:7.
　　[24]武强, 董东林.试论生态水文学主要问题及研究方法[J].水文地质工程地质, 2001 (2) :69-72.
　　[25]崔保山, 赵翔, 杨志峰.基于生态水文学原理的湖泊最小生态需水量计算[J].生态学报, 2005 (7) :1788-1795.
　　[26]Wood P J, Hannah D M, Sadler J P.水文生态学与生态水文学:过去、现在和未来[M].王浩, 严登华, 秦大庸, 等译.北京:中国水利水电出版社, 2009.
　　[27]程国栋, 肖洪浪, 陈亚宁, 等。中国西部典型内陆河生态-水文研究[M].北京:气象出版社, 2010.
　　[28]杨大文, 丛振涛, 尚松浩, 等.从土壤水动力学到生态水文学的发展与展望[J].水利学报, 2016 (3) :390-397.
　　[29]郭劲松, 黄轩民, 张彬, 等.三峡库区消落带土壤有机质和全氮含量分布特征[J].湖泊科学, 2012, 24 (2) :213-219.
　　[30]张建云, 宋晓猛, 王国庆, 等.变化环境下城市水文学的发展与挑战--Ⅰ:城市水文效应[J].水科学进展, 2014, 25 (4) :594-605.