論生態水的研究進展與發展趨勢

摘要:生態水文學是生態學與水文學的交叉學科,它研究不同時空尺度上水文過程與生物動力過程的耦合機制與規律,以期實現水資源的持續管理。它是在水資源問題日益嚴峻的形勢下,于1992 年在國際水與環境大會上正式提出的。雖然生態水文學的產生經歷了很長一段時期的孕育,有較為可靠的理論研究背景,但尚未形成完整的理論框架和方法體系,目前的研究仍然是處于基礎理論的探求階段,并且這個階段還將持續一段時間。當基礎理論完善以后,生態水文學可望得到較快的發展?！　?

一 前言

水資源問題是21 世紀人類面臨的重要資源問題之一,水業將是21 世紀最大的產業。從水資源問題產生的背景來看,主要是人類活動破壞了水資源的生態空間。為維護社會的穩定、經濟的健康發展,人類必須謀求水資源的持續利用。1992年國際水與環境大會上正式提出了生態水文學概念。生態水文學一經提出,就廣受人們的青睞,有的學者認為生態水文學是實現淡水資源持續利用的重要理論和有效工具,通過生態水文學的研究,人類有望走出水資源問題的困境；有的學者認為生態水文學將是今后幾年內水資源可持續開發利用研究中最有意義的前沿學科。聯合國教科文組織主持的國際水文計劃第V階段研究中也把生態水文學作為其重要的研究領域之一,并在26個國家和地區開展了39個項目的研究。我國臺灣學者正在開始從事該領域的研究工作,大陸學者在相關的研究中也涉及到生態水文學的研究,但目前在我國尚未正式提出生態水文學概念。

本文在對生態水文學的產生背景、研究內涵及研究概況的基礎上,探討了生態水文學研究的發展趨勢。一方面在國內引入生態水文學研究,另一方面為生態水文學理論體系的完善進行初步探索。

2 生態水文學產生的背景

末次冰期后,水資源問題的發展進入生文時期和人文時期。全球性的水資源危機在工業革命以后才初見端倪。隨著科學技術的發展,人類改造自然和征服自然的能力逐漸加強,水資源的需求量逐漸加大,污染的種類和過程也日益復雜化,人類賦予了水資源更多的社會屬性,水資源問題逐漸成為一個嚴重的基礎生存問題擺在人類的面前。聯合國教科文組織在1998 年《世界科學報告》中指出:在面臨全球環境日益惡化的前提下,保障淡水資源的可持續性是科學研究的首要目標在1992年Dublin和1998年Paris的聯合國水與環境會議上都強調要尋找一種新的解決水資源問題的方案。

近百年來,人類非理性活動導致水資源問題日趨惡化。人類活動改變了土地利用覆蓋格局,區域生態過程發生顯著變化,水文過程的演化也在時間和空間上發生重組。人類向環境中排放大量的污染物,使得生態系統的結構和功能遭到破壞,受損的生態系統限制了區域水文過程的良性發展。由此可見,水資源問題受到生態過程和水文過程的綜合影響,自然和人類的非理性活動導致生態破壞,使得區域水文過程發生紊亂。從水資源發展的本身來看,提高淡水生態系統抵御外界干擾的能力并維護其本身的結構和功能是實現淡水資源持續管理的基礎。淡水資源的持續管理模式必須是與環境友好、在經濟上可行、在社會上是可以接受的。成功的水資源管理,不但要削減對水資源所構成的各種危機(或壓力) ,而且還要為水資源的合理利用創造更多的機會。要實現這個目標,必需注重對淡水生態系統的功能與大尺度的水文過程的綜合研究,將流域、水和生物動力三個要素綜合到一個超有機體上,這也決定了水資源管理的原則—在一定的經濟條件下實現生物多樣性、水質、水量的和諧平衡。淡水生態系統的動力學和水文過程的綜合必將為淡水資源持續發展奠定基礎。然而在很長一段時間內,水資源調控的主導措施是基于水文機制的水利工程技術；近年來,采用生態措施對水資源進行調控成為研究的熱點,然而,單學科的研究很難逃脫其本身的局限性,即使人類采取了很多措施,卻沒有達到預期的成果。在這種背景下,生態水文學作為一門水資源綜合研究和管理的科學,于1992 年在Dublin水與環境國際會議上正式提出,1995 年被列為聯合國教科文組織國際水文計劃第V階段的研究項目之中（IHP- V）。

3 生態水文學研究內容

水資源規劃和持續管理必須以大尺度水文過程的研究為基礎。水環境(包括水質和水量)不但受到氣候變化的影響,同時還受到生物因素的制約。冰期以后生態系統的進化是一個連續的序列過程,每一步的演進都決定于氣候P水文態勢和營養物質的豐欠程度,同時還受到生物的制約；生物決定了系統內水和營養物質的獲取能力,所以生物過程調控著景觀內水和物質的流動。這樣水生生態系統中生物過程對水、營養物、沉積物和污染物的影響方式和程度的研究必將推動水文學和生態學向著相互耦合的研究方向發展。生態水文學是生態學與水文學的交叉學科,目前尚未有統一定義。Rodriguez認為生態水文學是研究生態格局和過程下的水文機制的科學,氣候植被土壤的相互作用是其控制性的因素,土壤濕度是其關鍵的研究因子。IHP- V列出的地表生態水文過程包括植被變化、土地利用和侵蝕過程、水庫和三角洲的沉積過程、河系、洪泛平原和濕地之間的關系及地表水過程,并認為生態水文學的實用性含義是研究在不同時空尺度上水文過程與生物動力過程相綜合的科學。

生態水文學研究是要獲得水資源持續管理的方案,有明確的學科研究目的,因而生態水文學是研究一定時空尺度上生態過程與水文過程的耦合演進規律及成因,探求協調的生態水文模式,應用于水資源持續管理實踐的科學。

生態水文學研究在生態學、水文學及環境學的相關研究中有所涉及,但總的來說,目前生態水文學是一門年輕學科。生態水文學研究的設想包括:①采用生態水文學方法提高河道的抗干擾和緩沖能力,實現水資源持續利用；②河流、水庫和河口的脆弱性決定于水文和生物過程的時間演化,這些演化會在人類的干預下發生變化；③營養物質進入到水體環境的方式和強度決定于人為因素對流域內的水文和生態特征的干擾；④洪水的強度及持續時間受到河道系統生物過程的改變，即水文變化受到生態格局的影響；⑤河流中營養物質富集狀況受到地表水和河道生物結構的影響；⑥污染物的轉移和變化受到水力- 水文格局和河流廊道生態特征的影響；⑦基于GIS 的生態水文學方法應用于由交錯帶和基本斑塊組成的流域,獲得在微觀尺度上的水文和生態信息,在高一級尺度上匯合,這種對水文信息的增加將會對流域水文格局做出更深刻的解釋；⑧對生態水文過程的的深刻理解和預測能力的提高是實現水資源和景觀高效管理的基礎；⑨交錯帶如河岸緩沖區、濕地和洪泛平原結構的理想化是降低污染物從流域進入河流和下游水體的一個主要工具。

4 生態水文學的研究概況

為修復遭到破壞的生態過程、水文過程以及協調兩者的相互制約機制,自20世紀中葉以來,人們就進行了不斷的探索。1957年Odum 研究了河源系統的能量預算問題,促進淡水河道生態系統模擬研究的發展。同時期,Margalef提出了生物演替概念,部分學者還參照河流水系的分布類型,提出了基于魚類種群分布的生物發生帶概念。1975年,Hawkes對河道及其分類進行了研究。在熱帶雨林和珊瑚礁的研究中發現:在許多自然系統中高級系統的穩定性往往建立在低級系統的不穩定之上,這對于微生境的許多概念來說是非常重要的,表明了高級系統的整體性與低級系統的高度分化特征。

20世紀80年代,開展了河流生態學研究中非常關鍵的理論探索,為生態水文學的產生奠定了較為扎實的基礎。1980年Vannote等提出了“河流連續體概念”(RCC),指出在天然河流系統中,生物種群形成一個從河源到河口的逐漸變化時空連續體。雖然這個概念在很多情況下都是從字面上來理解其意義,但在學術界產生了非常深遠的影響,即使在水利實踐中,這個概念也是被經常應用的。RCC在河流發育的初期表現得非常明顯,但在受到人為因素干擾的景觀中卻很少發現?；谌祟惢顒拥母蓴_作用,Ward和Stanford 在1983 年提出的“序列不連續體概念”(SDC)。在這個時期內,科學家開始意識到林木殘留物對河水的影響,同期也進行了一系列的研究。Cummins等在1984年對RCC這個對河流生態系統理論非常有價值的貢獻進行修改、完善和拓展,以提高其在具體領域中的應用效果。Minshall 在1985 年將RCC 理論用于一個生態修復的過程時進行了拓展,加大了其時空尺度。一些科學家在沿著RCC這根主線研究的同時,也試圖找到一些對原始概念的特殊應用和拓展。在對不同河流研究的學者來說,都希望對RCC 進行整體上的修正。如Statzner和Higler在1985 年對RCC 的理論背景進行了很大的調整。在對AM2AZON 河應用RCC理論研究過程中,Junk 等提出了另外一個對研究產生很大沖擊的概念—洪水脈動概念(FPL)。它考慮了河岸森林的生產力,完善了早期用RCC 理論預測的生態系統過程。隨著河流有機污染碳源研究的深入，Thorpe和Delong 在1994年提出河流生產力模型指出河流中有機碳的來源是綜合的,受到局地作用、河岸帶的直接排入和河流第一生產力等因素的制約。其中河流第一生產力這一因素在以前的研究中從來都沒有考慮到。上述的一些方法或多或少地著重于天然河流,實際上,特別是在發展中國家,人為活動強烈干擾著河道的發展,賦予了河道更多的社會屬性。在洪泛平原上主河道和水生生境之間的連續體很快被認為是在河流系統中所有過程的驅動因子。Ward和Stanford于1995年研究了因水流的調控而對連續體產生的干擾。Petts和Amoros在1996年指出河流發展過程中的不連續不但受到人類活動的干擾,還受到因地貌和生態演替而發生的沉積作用制約。Bornette 等在1998 年詳細描述了考慮到洪泛平原連續體的水生植物生命多樣性。以上這些方法可以概括成“連續體概念”。區域的淡水資源的持續利用不是一個自發的過程,需要對水文學、生物機制和區域經濟機制的深刻理解上,但這在許多國家只是談談而已,而沒有付諸實施。所以,必需對大尺度、長期水文過程和生物動力過程進行綜合研究。

5 生態水文學發展趨勢

由于在學科的產生和發展的過程中,生態學和水文學均為一獨立的學科,形成了各自的理論框架,具有為本門學科研究服務的概念和研究尺度體系。作為交叉學科的生態水文學研究首先要解決的關鍵問題就是要解決好生態學和水文學在水資源研究中的分歧,基礎理論研究必需直接研究在水文學和生態學中河流系統的基本概念,以及他們怎樣才能匹配,實現生態學與水文學的“無縫整合”,這將為發展統一的概念奠定一致的理論基礎。對于研究尺度來說,研究的術語不能再模糊不清,應該進行更為嚴格的定義。一個術語的數字方程的意義在每個學者的觀點中都必需得到承認。這將易于比較,并將會增加理論和方法的統一性。類型的組織,雖然經常與已經有的類型相矛盾,但這是一個核心問題。當前水文學家或生態學家所使用的尺度概念都必需嚴格定義。統一概念必需代替分化的工作設想，為達到這些目的,在交叉學科研究網絡中必需與各研究團伙一道進行綜合研究。在Lodz的研究組進行的生態水文學研究,就是順應著這個方向,它將是對生態水文學研究的又一次促進。

在基礎理論研究基本完成以后,生態水文學研究將進入生態水文規律的探求和應用上,這將是吸取水文學和生態學這兩門較為古老學科之長來發展生態水文學,生態水文學可望在這段時間內取得較快的發展。結合遙感與地理信息系統及相關理論的發展,可望實現對流域生態水文過程的實時觀測和調控。

6 結　論

生態水文學是一門年輕的學科,尚未形成完整的理論框架和方法體系,其產生具有強烈的現實需求和較為深厚的理論研究基礎。從其研究的現狀和發展趨勢來看,它是從生態水文過程著手,研究水環境系統的演化和演變,可望從全過程的角度管理流域的水環境問題。我國水環境問題十分嚴峻,研究生態水文過程對水環境系統的影響十分迫切。

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