導(dǎo)語：生態(tài)水文學(xué)發(fā)展趨勢(shì)與重點(diǎn)方向一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：生態(tài)水文學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科，發(fā)展和完善其理論體系和技術(shù)方法等對(duì)促進(jìn)中國(guó)山水林田湖草系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)，推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)和綠色發(fā)展具有重要理論和實(shí)踐意義。本文闡述了生態(tài)水文學(xué)發(fā)展歷程和挑戰(zhàn)性問題；結(jié)合學(xué)科前沿和國(guó)家需求，提出了生態(tài)水文學(xué)在中國(guó)的發(fā)展戰(zhàn)略，主要包括：生態(tài)水文綜合觀測(cè)的新技術(shù)新方法、生態(tài)水文學(xué)機(jī)理和基礎(chǔ)理論、以陸地和水生生態(tài)水文過程為核心的多尺度多要素綜合模擬與集成、以及生態(tài)水文與社會(huì)科學(xué)的融合等；在此基礎(chǔ)上，也提出了中國(guó)生態(tài)水文學(xué)具體發(fā)展方向，如多源信息融合與綜合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵要素的時(shí)空格局及其演變特征、綜合模型與不確定性、多學(xué)科交融研究等；最后提出了中國(guó)生態(tài)水文學(xué)在山水林田湖草及城市等共同體修復(fù)和保護(hù)中的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：生態(tài)水文學(xué)；理論和方法；綜合觀測(cè)；數(shù)值模擬；尺度問題

生態(tài)水文學(xué)是探討變化環(huán)境下水文過程對(duì)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能影響以及生物過程對(duì)水循環(huán)要素影響的交叉學(xué)科[1]。盡管生態(tài)與水文學(xué)科之間的交叉研究如森林水文、濕地水文等已有較長(zhǎng)歷史，但生態(tài)水文（學(xué)）一詞直到20世紀(jì)90年代才在都柏林（Dublin）召開的國(guó)際水與環(huán)境大會(huì)上被正式提出。作為一門學(xué)科，生態(tài)水文學(xué)的內(nèi)涵、外延、研究對(duì)象、理論和方法等學(xué)科體系的核心內(nèi)容還亟待進(jìn)一步完善。隨著國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃中水文循環(huán)的生物圈部分（IGBP/BAHC）、聯(lián)合國(guó)教科文組織主持的國(guó)際水文計(jì)劃（UNESCO/IHP2.3~2.4）等重大計(jì)劃的實(shí)施，生態(tài)水文學(xué)得到了迅速發(fā)展，已成為當(dāng)今水文學(xué)研究熱點(diǎn)之一。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外生態(tài)水文學(xué)發(fā)展歷程和存在問題，提出中國(guó)生態(tài)水文學(xué)未來發(fā)展趨勢(shì)、重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略和應(yīng)用前景。本文將為生態(tài)水文學(xué)的未來發(fā)展提供參考，也為中國(guó)山水林田湖草的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)、生態(tài)文明建設(shè)和綠色發(fā)展等重大戰(zhàn)略的實(shí)施等提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

1生態(tài)水文學(xué)的發(fā)展歷程與研究進(jìn)展

1961年，國(guó)際水文科學(xué)協(xié)會(huì)（IAHS）的國(guó)際水文十年計(jì)劃（1965—1974年）提出水文過程研究需要考慮來自生態(tài)等過程的影響，生態(tài)和水文過程的交叉研究開始起步。隨著研究的逐步深入，生態(tài)學(xué)或水文學(xué)單一學(xué)科已無法解釋完整的生態(tài)水文過程及其相互作用機(jī)制，由此衍生出了由生態(tài)學(xué)和水文學(xué)交叉的新興學(xué)科，即“生態(tài)水文學(xué)”。不少學(xué)者分別從生態(tài)和水文等不同方向探索了生態(tài)系統(tǒng)與水文過程的相互作用，如生態(tài)水力學(xué)[1]、土壤水文學(xué)[2]及河流生態(tài)學(xué)[3]等。“生態(tài)水文學(xué)”（Eco-hydrology）一詞首次由Ingram[4]在1987年作為專業(yè)學(xué)術(shù)詞匯使用，隨后在上世紀(jì)90年代得到廣泛使用，如Pedroli[5]、Bragg等[6]和Hensel等[7]應(yīng)用于以濕地為主的生態(tài)水文過程研究。生態(tài)水文學(xué)科也在1992年聯(lián)合國(guó)水和環(huán)境國(guó)際會(huì)議上正式確立。1993年第一本以生態(tài)水文學(xué)為主題的著作《Mires:Process,ExploitationandConservation》出版問世[8]。生態(tài)水文學(xué)科由此得到了不斷發(fā)展，但其研究重點(diǎn)仍然以“過渡帶”濕地生態(tài)系統(tǒng)為主，如Gieske等[9]針對(duì)植被格局、濕地生態(tài)系統(tǒng)等與水文過程的交互作用開展了研究。1996年Wassen等[10]對(duì)生態(tài)水文學(xué)給出了較為完善的定義，特別關(guān)注河流保護(hù)和修復(fù)中水文因素的功能價(jià)值。同年，UNESCO/IHP第五階段（1996—2001年）正式啟動(dòng)，生態(tài)水文學(xué)首次成為重要研究?jī)?nèi)容之一，由此生態(tài)水文學(xué)也進(jìn)入快速發(fā)展階段。Zalewski[11]出版了聯(lián)合國(guó)教科文組織國(guó)際水文計(jì)劃“生態(tài)水文學(xué)”專集，認(rèn)為生態(tài)水文研究實(shí)質(zhì)是不同時(shí)空尺度上的水文過程與生物過程的綜合科學(xué)，并提出生態(tài)水文研究應(yīng)進(jìn)一步推廣到流域水文過程的調(diào)節(jié)和綜合大尺度、長(zhǎng)時(shí)間水文過程的研究。1997年P(guān)off等[12]提出了自然水流范式理論（Natureflowparadigm），利用與河流生態(tài)相關(guān)的徑流情勢(shì)指標(biāo)（如流量、幅度、頻率、歷時(shí)、出現(xiàn)時(shí)間和變率）對(duì)自然徑流過程進(jìn)行全面描述，促進(jìn)了河流生態(tài)水文的發(fā)展。1999年Baird等[13]以植物和水為研究對(duì)象，總結(jié)20世紀(jì)80年代以來植被生態(tài)水文研究發(fā)展，并闡述旱地、濕地、溫帶、熱帶及河流湖泊等各種環(huán)境下植物與水之間的響應(yīng)關(guān)系，極大地促進(jìn)了植被生態(tài)水文學(xué)的全面發(fā)展。生態(tài)水文學(xué)研究已由“過渡帶”濕地生態(tài)系統(tǒng)研究逐步發(fā)展成為植被、河流湖泊等淡水資源[14]、森林[15]等多種系統(tǒng)的綜合研究。從2008年起，UNESCO/IHP連續(xù)兩個(gè)五年計(jì)劃將生態(tài)水文學(xué)作為一個(gè)獨(dú)立的主題進(jìn)行研究。Wood等[16]編著了《HydroecologyandEcohydrology:Past,PresentandFuture》，全面總結(jié)了生態(tài)與水文相關(guān)領(lǐng)域的研究進(jìn)展與方法。此后，Goldsmith、Buchanan等針對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤—植物—大氣連續(xù)體（Soil-Plant-AtmosphereContinuum,SPAC）開展生態(tài)水文過程及其效應(yīng)的深入研究[17-18]。同時(shí)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展對(duì)自然環(huán)境的影響愈加強(qiáng)烈，人類活動(dòng)影響下的流域生態(tài)水文[19]、城市生態(tài)水文學(xué)[20]等研究也得到了發(fā)展。此外，Ecohydrology、Ecohydrology&Hydrobiology等學(xué)術(shù)期刊也應(yīng)運(yùn)而生。目前陸地及水生綜合生態(tài)水文學(xué)科框架已基本確立，涵蓋了森林、草地、濕地、農(nóng)業(yè)、河流湖庫及城市等多種生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)水文學(xué)的研究也逐步從小尺度實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)向多尺度綜合性模型探索[21]，學(xué)科理論和方法等均取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。中國(guó)生態(tài)水文學(xué)研究起步于20世紀(jì)80年代，最初主要涉足于農(nóng)田的SPAC系統(tǒng)中水分運(yùn)移和能量平衡問題。基于SPAC理論，中國(guó)學(xué)者發(fā)展了一系列理論概念及計(jì)算模型，如邵明安等[22]確定SPAC系統(tǒng)中水流各項(xiàng)阻力計(jì)算公式；康紹忠[23]探究了SPAC水分傳輸?shù)牧δ荜P(guān)系，構(gòu)建了作物根系吸水模式及農(nóng)田蒸騰與蒸發(fā)分?jǐn)傆?jì)算模式；劉昌明[24]探究了從SPAC系統(tǒng)界面上控制水分消耗的方法，并提出了農(nóng)田SPAC系統(tǒng)的“五水轉(zhuǎn)化”概念。隨著生態(tài)水文學(xué)研究的不斷深入，中國(guó)陸地及水生系統(tǒng)的生態(tài)水文過程研究均取得了迅猛發(fā)展。目前，已在植被及其變化等對(duì)徑流、泥沙、土壤水分變化與耗散、水文循環(huán)等過程的影響研究方面取得了突出成果[25-27]。在水生系統(tǒng)生態(tài)水文研究方面，基于河流連續(xù)體、洪水脈沖、自然水流范式等理論，中國(guó)學(xué)者已在河流湖泊的徑流情勢(shì)和水質(zhì)過程對(duì)水生生物群落的影響機(jī)制、生態(tài)水文過程模擬等方面取得了顯著成果，并在太湖藍(lán)藻水華控制、徑流情勢(shì)變化下魚類棲息地模擬、三峽水庫生態(tài)調(diào)度等方面得到了實(shí)際應(yīng)用[28-30]。

2生態(tài)水文學(xué)存在問題與挑戰(zhàn)

雖然生態(tài)水文學(xué)已在濕地、河流湖庫、森林、草地、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)研究中取得了迅猛發(fā)展，但大都還關(guān)注于單一生態(tài)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)、機(jī)理探索、數(shù)值模擬等方面。隨著地球系統(tǒng)各圈層物質(zhì)和能量交換頻繁、氣候變化和人類活動(dòng)擾動(dòng)的加劇等，全球許多流域，特別是中國(guó)重點(diǎn)流域（如黃河、長(zhǎng)江、海河、淮河、遼河）均面臨著生態(tài)系統(tǒng)退化、洪澇、干旱、水土流失、水污染等諸多問題。對(duì)于單一系統(tǒng)小尺度生態(tài)水文過程而言，在探究以上問題的成因、辨識(shí)其關(guān)鍵影響因素并制定對(duì)策建議等方面仍存在諸多問題與挑戰(zhàn)，如生態(tài)水文多要素同步觀測(cè)與融合、點(diǎn)或田間尺度生態(tài)水文規(guī)律向流域或全球尺度的轉(zhuǎn)換機(jī)制、氣候變化和高強(qiáng)度人類活動(dòng)等對(duì)生態(tài)水文過程多重影響的檢測(cè)與歸因、流域尺度生態(tài)與水文過程要素雙向耦合和系統(tǒng)模擬等。另外，隨著全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)和城市化進(jìn)程的加快，傳統(tǒng)生態(tài)水文研究在關(guān)注物理過程的同時(shí)，亟需融入社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人類發(fā)展等人文過程的影響，特別是在城市生態(tài)水文研究領(lǐng)域。因此，隨著地球系統(tǒng)科學(xué)相關(guān)領(lǐng)域理論的不斷完善發(fā)展以及觀測(cè)、信息傳輸和計(jì)算能力等技術(shù)革新，未來亟待增強(qiáng)生態(tài)水文學(xué)科各生態(tài)系統(tǒng)之間、生態(tài)水文各過程間的緊密聯(lián)系和作用關(guān)系探索，在水土氣生多要素綜合觀測(cè)、生態(tài)水文多過程作用以及環(huán)境變化和人類活動(dòng)的影響機(jī)制、綜合模擬與系統(tǒng)集成、多學(xué)科交融等方面加強(qiáng)探索，最終完善生態(tài)水文學(xué)的基礎(chǔ)研究框架、理論體系和技術(shù)方法等。

3中國(guó)生態(tài)水文學(xué)發(fā)展趨勢(shì)

中國(guó)政府一直高度重視生態(tài)保護(hù)和生態(tài)文明建設(shè)，特別是多次強(qiáng)調(diào)生態(tài)的重要性，如“綠水青山就是金山銀山”“山水林田湖是一個(gè)生命共同體”等。縱觀生態(tài)水文發(fā)展歷程和挑戰(zhàn)，結(jié)合生態(tài)水文學(xué)建設(shè)和綠色發(fā)展等國(guó)家重大需求，總結(jié)主要發(fā)展趨勢(shì)如下。3.1探索生態(tài)水文監(jiān)測(cè)的新技術(shù)新方法，完善生態(tài)水文系統(tǒng)綜合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。野外觀測(cè)是生態(tài)水文過程研究的基礎(chǔ)[31]。生態(tài)水文要素包括氣象要素（如降雨、氣溫、風(fēng)速、輻射、蒸散發(fā)）、水文要素（如水位、流量、流速）以及不同類型生態(tài)系統(tǒng)中的環(huán)境要素（如水、碳、氮、磷）、生態(tài)要素（如植被、植被凈初級(jí)生產(chǎn)力、浮游生物、底棲生物和魚類物種及多樣性）等。各要素不同尺度的觀測(cè)技術(shù)和方法多樣，但目前重點(diǎn)仍在點(diǎn)或者田塊尺度碳通量、土壤水分運(yùn)移、蒸散發(fā)以及與土壤水相關(guān)參數(shù)的觀測(cè)。遙感手段是實(shí)現(xiàn)由點(diǎn)到面尺度擴(kuò)展的有效方法[32]。同位素作為土壤、植被、大氣和海洋間不同形式水分運(yùn)動(dòng)的良好示蹤劑，已成為大氣、水文和生態(tài)等多種學(xué)科的重要研究工具。因此，未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注通量與同位素連續(xù)測(cè)量、野外監(jiān)測(cè)與遙感、雷達(dá)多源信息多尺度綜合性監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法的發(fā)展。隨著對(duì)生態(tài)要素與水文要素之間相互作用機(jī)理認(rèn)識(shí)的深入，在全國(guó)范圍內(nèi)建立并完善綜合性生態(tài)水文觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)是十分必要的。全球已經(jīng)興起了多個(gè)長(zhǎng)期生態(tài)監(jiān)測(cè)計(jì)劃，如全球通量網(wǎng)（FluxNet）、美國(guó)生態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)計(jì)劃（NEON）和長(zhǎng)期生態(tài)學(xué)研究網(wǎng)絡(luò)（LTER）、歐洲通量計(jì)劃（EUROFLUX）等。目前，中國(guó)重點(diǎn)關(guān)注單一氣象、水文、水質(zhì)和生態(tài)要素的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，如氣象局的地面氣象觀測(cè)網(wǎng)和高空氣象觀測(cè)網(wǎng)、水利部的全國(guó)水文站網(wǎng)、環(huán)保系統(tǒng)的地表水水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、野外站點(diǎn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（CERN）和中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)（ChinaFLUX）等。以上觀測(cè)和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)極大地促進(jìn)了中國(guó)生態(tài)學(xué)和水文學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，但大多局限于氣象、水利、生態(tài)環(huán)境等單一部門，大尺度長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的完善和數(shù)據(jù)共享集成有待進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，中國(guó)生態(tài)水文觀測(cè)仍需綜合考慮自然地理、生態(tài)和水文水資源等分區(qū)，拓展水文、生態(tài)、氣候和土壤等多個(gè)領(lǐng)域指標(biāo)，優(yōu)化和完善已有監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各學(xué)科各部門生態(tài)水文相關(guān)數(shù)據(jù)的共享，發(fā)展中國(guó)多尺度下生態(tài)水文過程監(jiān)測(cè)體系，為中國(guó)綜合性生態(tài)水文學(xué)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。3.2加強(qiáng)生態(tài)水文學(xué)機(jī)理和完善基礎(chǔ)理論。解析陸地及水生生態(tài)水文過程中各要素的相互作用機(jī)制，探索水文過程與生態(tài)過程的耦合機(jī)制及其對(duì)全球變化的響應(yīng)，既是生態(tài)水文綜合理論中的關(guān)鍵與核心主題，也是認(rèn)識(shí)水循環(huán)演變規(guī)律的基礎(chǔ)。陸地生態(tài)水文過程研究重點(diǎn)關(guān)注農(nóng)田、森林植被等中生態(tài)水文要素間的響應(yīng)機(jī)制，大多基于SPAC理論、Budyko水熱平衡理論等分析土壤、植被、大氣界面之間能量和水分的交換機(jī)制[33]，對(duì)田間尺度生態(tài)水文轉(zhuǎn)換機(jī)理的探索及其在流域或全球尺度的拓展等研究仍有待進(jìn)一步加強(qiáng)。以河流、湖庫為研究對(duì)象的水生生態(tài)系統(tǒng)是自然生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，也是陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)間的物質(zhì)循環(huán)、能量轉(zhuǎn)換和信息交流的主要途徑。目前，針對(duì)河湖生態(tài)水文過程的研究大多處于野外實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和半定量研究階段[34]。結(jié)合野外監(jiān)測(cè)、室內(nèi)控制實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等，全面揭示河湖生態(tài)水文過程連續(xù)性特征與區(qū)域差異是未來水生生態(tài)水文機(jī)理研究的重要內(nèi)容之一。隨著生態(tài)水文學(xué)機(jī)理和基礎(chǔ)理論范式的不斷完善，未來仍亟待加強(qiáng)陸地與水生生態(tài)水文過程耦合機(jī)制與理論范式的探索；明確碳氮等生源要素、生物因素、環(huán)境因素及氣候因素等在土壤、植被、大氣以及水體等界面的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其演變特征。同時(shí)，隨著氣候變化與人類活動(dòng)對(duì)關(guān)鍵帶生態(tài)水文過程擾動(dòng)的不斷增強(qiáng)，探索生態(tài)水文要素對(duì)氣候變化、人類活動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制也已成為研究熱點(diǎn)之一。在探索變化環(huán)境下陸地—水生生態(tài)水文過程的機(jī)理基礎(chǔ)上，發(fā)展多尺度多要素陸地—水生綜合生態(tài)水文過程研究的理論體系。3.3研制陸地—水生生態(tài)系統(tǒng)多尺度綜合模擬與集成。中國(guó)“十三五”規(guī)劃綱要明確提出“以提高環(huán)境質(zhì)量為核心，以解決生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域突出問題為重點(diǎn)，加大生態(tài)環(huán)境保護(hù)力度”。自開展生態(tài)—水文過程耦合機(jī)制研究以來，以森林、植被和農(nóng)田等為對(duì)象的陸地生態(tài)水文過程研究重點(diǎn)關(guān)注垂直梯度的水分傳輸和植被生理生態(tài)過程，同時(shí)關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)對(duì)水文過程及下墊面的影響。以河流、湖泊為主的水生生態(tài)水文過程研究重在生物棲息地、生態(tài)系統(tǒng)組成等與徑流過程的作用關(guān)系。植被、土壤和水是陸域和河湖生態(tài)系統(tǒng)中各種生命活動(dòng)的關(guān)鍵載體，也是連接生物、物理和化學(xué)過程的主要反應(yīng)場(chǎng)所。傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境健康之間的矛盾日益增大，引起植被、生物群落結(jié)構(gòu)等格局的改變，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生明顯變化，進(jìn)而加劇生態(tài)環(huán)境惡化的風(fēng)險(xiǎn)，直接約束國(guó)家生態(tài)文明建設(shè)。因此，全力發(fā)展陸地—水生生態(tài)水文過程綜合性研究具有十分重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義[35]。隨著學(xué)科交叉的發(fā)展，生態(tài)水文過程研究融入了生態(tài)原理、生態(tài)模型與時(shí)空尺度等，正向“陸域—水生”綜合性研究方向發(fā)展。綜合考慮社會(huì)需求與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，融合衛(wèi)星遙感和站點(diǎn)等多源觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建站點(diǎn)、斑塊和流域等多尺度生態(tài)水文過程綜合模型，評(píng)估并調(diào)控生態(tài)水文各系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將成為生態(tài)水文應(yīng)用實(shí)踐、服務(wù)社會(huì)的必然趨勢(shì)，同時(shí)也將是中國(guó)合理調(diào)配水資源、保障陸地和水域生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與物種多樣性的重要手段。3.4開展生態(tài)水文與社會(huì)科學(xué)融合，推進(jìn)全球生態(tài)水文學(xué)綜合性研究。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、城市擴(kuò)張、水利工程建設(shè)和調(diào)控等社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的多個(gè)方面對(duì)生態(tài)水文過程造成強(qiáng)烈的擾動(dòng)，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)原有的平衡發(fā)展被打破。生態(tài)水文學(xué)綜合性研究是解決資源短缺、環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)退化等諸多水問題的關(guān)鍵途徑之一，也一直是全球重大研究計(jì)劃關(guān)注的核心內(nèi)容之一。2004年地球系統(tǒng)科學(xué)聯(lián)盟（ESSP）提出了“全球水系統(tǒng)計(jì)劃（GWSP）”，重點(diǎn)探討人類活動(dòng)對(duì)全球水系統(tǒng)過程（水循環(huán)物理過程、水質(zhì)水生態(tài)過程和人類經(jīng)濟(jì)過程）的作用。2013年IAHS正式啟動(dòng)了今后十年（2013—2022年）的科學(xué)計(jì)劃PantaRhei，主題是“變化中的水文科學(xué)與社會(huì)系統(tǒng)”，其中面向可持續(xù)世界的生態(tài)水文學(xué)是六大核心議題之一。2017年在波蘭召開的國(guó)際生態(tài)水文學(xué)大會(huì)上，也提出要推進(jìn)面向循環(huán)經(jīng)濟(jì)的生態(tài)水文學(xué)研究，倡導(dǎo)融合循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念和遵循自然生態(tài)過程的解決方案。開展生態(tài)水文和社會(huì)科學(xué)的集成研究，揭示人類活動(dòng)對(duì)生態(tài)水文過程的影響等，對(duì)分析生態(tài)水文要素演變特征、生態(tài)水文系統(tǒng)修復(fù)重建方案的制定等具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。在全球變化和經(jīng)濟(jì)一體化的大背景下，站點(diǎn)或流域尺度生態(tài)水文學(xué)研究亟待向全球尺度生態(tài)水文學(xué)綜合研究擴(kuò)展。全球?qū)Φ赜^測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)共享機(jī)制以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等的飛速發(fā)展，也為全球生態(tài)水文多過程綜合性研究提供了強(qiáng)有力的基礎(chǔ)支持。比如，已有大量全球尺度生態(tài)水文要素的時(shí)空分布產(chǎn)品，包括全球降水產(chǎn)品（NCEP/NCAR、CRUTS、CPC等）、全球徑流數(shù)據(jù)庫（GRDC）、全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)（GlobCover等）、全球土地利用數(shù)據(jù)（UMD、GLCC等）、全球蒸散發(fā)和土壤數(shù)據(jù)集（GLDAS等）。因此，在全球尺度上探索能量過程、水文、陸地和河湖生態(tài)、經(jīng)濟(jì)人文等多過程的耦合機(jī)制，實(shí)現(xiàn)全球生態(tài)水文多要素綜合模擬，評(píng)估氣候變化和大規(guī)模人類活動(dòng)的影響等已成為生態(tài)水文學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

4中國(guó)生態(tài)水文學(xué)重點(diǎn)發(fā)展方向

4.1生態(tài)水文多源信息融合與綜合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。多源信息監(jiān)測(cè)與綜合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建是發(fā)展多要素、多尺度綜合生態(tài)水文研究的基石。針對(duì)目前監(jiān)測(cè)技術(shù)及尺度受限等問題，未來應(yīng)大力推進(jìn)研制生態(tài)水文要素綜合監(jiān)測(cè)方法，進(jìn)一步改善大型蒸滲儀、渦度相關(guān)、穩(wěn)定同位素及定量遙感等技術(shù)對(duì)蒸發(fā)、土壤水運(yùn)移、碳水通量、植物蒸騰及土壤蒸發(fā)過程的觀測(cè)精度與尺度。促進(jìn)多種監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的多源信息綜合監(jiān)測(cè)，完善通量觀測(cè)與同位素的綜合連續(xù)測(cè)量技術(shù)；點(diǎn)尺度野外觀測(cè)與遙感測(cè)量等多種尺度觀測(cè)數(shù)據(jù)的融合；研發(fā)生態(tài)水文要素自動(dòng)監(jiān)測(cè)的信息采集—實(shí)時(shí)傳輸—遠(yuǎn)程監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；制定國(guó)家生態(tài)水文長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及系統(tǒng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的觀測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。進(jìn)一步構(gòu)建生態(tài)水文要素綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，整合已有氣象、水文、水質(zhì)以及生態(tài)系統(tǒng)等觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，形成陸地—水生系統(tǒng)綜合生態(tài)水文監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（圖1）。同時(shí)，綜合考慮生態(tài)、水文水資源、綜合自然地理等分區(qū)進(jìn)一步完善監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為中國(guó)生態(tài)水文的研究提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)支撐。4.2生態(tài)水文系統(tǒng)關(guān)鍵要素的時(shí)空格局及其演變特征。生態(tài)水文關(guān)鍵要素的時(shí)空格局及其演變特征是生態(tài)水文機(jī)理研究的核心內(nèi)容，對(duì)揭示生態(tài)水文關(guān)鍵過程演變機(jī)制和基礎(chǔ)理論的發(fā)展有十分重要的意義。水文要素時(shí)空演變的生態(tài)水文特征表現(xiàn)為：自然徑流變異被認(rèn)為是河道景觀發(fā)生變化的驅(qū)動(dòng)力；徑流情勢(shì)（流量、幅度、頻率、歷時(shí)、出現(xiàn)時(shí)間和變率等）時(shí)空變化及其與地下水的相互作用將引起河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的改變，徑流情勢(shì)指標(biāo)分析已成為水體生態(tài)水文系統(tǒng)景觀格局等研究的重要方法[36]；蒸散發(fā)是生態(tài)水文過程的重要環(huán)節(jié)，蒸散發(fā)特征的變化如蒸散發(fā)加強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致生態(tài)水文格局紊亂、濕地景觀退化等。水質(zhì)作為水環(huán)境的重要指標(biāo)，其類型和濃度是對(duì)生態(tài)水文系統(tǒng)的響應(yīng)。生態(tài)要素時(shí)空演變的生態(tài)水文特征表現(xiàn)為：植被類型及其結(jié)構(gòu)變化直接影響水循環(huán)各個(gè)環(huán)節(jié)（如截流、產(chǎn)流、蒸散發(fā)），關(guān)乎流域或地區(qū)“生態(tài)—水文—社會(huì)經(jīng)濟(jì)耦合系統(tǒng)”健康運(yùn)行[37]；植被凈初級(jí)生產(chǎn)力作為重要的生態(tài)指標(biāo)，直接影響蒸散發(fā)和水分利用效率等時(shí)空格局，可用于調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)過程的影響和能量存儲(chǔ)等；浮游生物作為水生生態(tài)系統(tǒng)的重要組成，其物種的時(shí)空分布特征可以反映生態(tài)水文系統(tǒng)的健康狀況；魚類或大型無脊椎生物是監(jiān)測(cè)生態(tài)水文系統(tǒng)健康的重要指標(biāo)，通過運(yùn)用棲息地、物種類型及其分布等指標(biāo)評(píng)估河流生態(tài)健康狀況，揭示河流生態(tài)系統(tǒng)的主要問題及成因。在了解流域內(nèi)上述各要素時(shí)空格局的基礎(chǔ)上，綜合分析生態(tài)水文演變特征與驅(qū)動(dòng)機(jī)制是開展各項(xiàng)生態(tài)水文學(xué)研究的基礎(chǔ)。4.3陸地—水生多尺度多要素生態(tài)水文綜合模型與不確定性量化分析。陸地生態(tài)水文模型是在傳統(tǒng)降雨—徑流關(guān)系模型基礎(chǔ)上耦合植被生長(zhǎng)模型、土壤生物地球化學(xué)過程模型等，定量描述植被、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與水文過程的相互作用，以及水文過程和生態(tài)過程間的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。目前常見模型有針對(duì)林冠截流、林地土壤水入滲的Rutter模型、Massman模型和Philip模型等；適合不同生態(tài)類型的大尺度生態(tài)水文過程SVAT模型；考慮植被動(dòng)態(tài)過程的流域水文模型，如DHSVM、VIC、SWAT、HEQM模型；針對(duì)地下水與植被群落關(guān)系開發(fā)的MXW和IRM模型等。未來應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合氣候變化和人類活動(dòng)的影響，深入探索植被過程、水—營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)過程的作用機(jī)制，加強(qiáng)陸地生態(tài)水文模型物理機(jī)制。河流生態(tài)水文模型以水文、水力或水質(zhì)模型為基礎(chǔ)，綜合考慮水生生物生長(zhǎng)狀況，定量分析徑流情勢(shì)及水質(zhì)要素與水生生物群落間的響應(yīng)機(jī)制，其空間維度可從一維到三維，如Mike、EFDC、HSPF模型等。在中國(guó)，許多學(xué)者結(jié)合河流生態(tài)水文過程機(jī)制及各類模型的優(yōu)勢(shì)，提出相應(yīng)的河流生態(tài)水文概念模型，如徑流情勢(shì)與魚類需求關(guān)系的概念模型、河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能整體性概念模型、水文—生態(tài)響應(yīng)概念模型[30,38-39]。未來水生生態(tài)水文模型應(yīng)重點(diǎn)探究如何利用高精度地形數(shù)據(jù)、營(yíng)養(yǎng)物濃度、水生生物生長(zhǎng)周期、人類活動(dòng)（如閘壩調(diào)控、取用水和排污）等多種信息，構(gòu)建詳盡描述人類活動(dòng)影響下河流水文—水質(zhì)過程以及生態(tài)系統(tǒng)變化的綜合性數(shù)學(xué)模型。另外，隨著單一生態(tài)水文過程模擬功能的逐漸成熟，陸地—水生多尺度多要素生態(tài)水文過程綜合模型和集成系統(tǒng)也逐漸涌現(xiàn)，已成為未來生態(tài)水文模型發(fā)展的重要方向。如RHESSys模型在流域尺度上耦合分布式水文模型TOPMODEL和森林碳循環(huán)模型Forest-BGC，實(shí)現(xiàn)了生態(tài)水文過程雙向耦合[40]；中國(guó)學(xué)者開發(fā)的VIP模型[41]、ChinaAgroSys模型[42]等，實(shí)現(xiàn)了流域/區(qū)域尺度作物產(chǎn)量、蒸散發(fā)、產(chǎn)匯流等關(guān)鍵生態(tài)水文過程的綜合模擬。另外，夏軍等以流域或城市為基本單元，探究了以水循環(huán)為紐帶的水文、生態(tài)和人文三大過程之間的聯(lián)系及其反饋機(jī)制，構(gòu)建了水系統(tǒng)模擬平臺(tái)，如長(zhǎng)江模擬器、城市水系統(tǒng)等[43-44]。不同生態(tài)水文過程的時(shí)間和空間尺度不匹配一直是生態(tài)水文過程綜合模擬和集成面臨的難點(diǎn)問題之一。如何將小尺度觀測(cè)分析所得到的規(guī)律與結(jié)論推廣到流域尺度，也是困擾生態(tài)水文模擬的技術(shù)難點(diǎn)（圖2）[45]。理論上來說，尺度越小，模擬過程越精細(xì)，其結(jié)果也越接近真實(shí)的自然環(huán)境。但由于小尺度的空間差異性，導(dǎo)致已獲得的規(guī)律很難推廣到更大的尺度。水文模型一般以日、甚至小時(shí)尺度在子流域或者網(wǎng)格上對(duì)水文過程進(jìn)行模擬；生態(tài)模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)觀測(cè)一般為站點(diǎn)或田間尺度，同時(shí)對(duì)植被生化過程以小時(shí)尺度進(jìn)行模擬。目前針對(duì)此問題，學(xué)者們普遍采用多尺度嵌套方法等。但如遇小尺度過程需要大尺度的輸出結(jié)果時(shí)，通常會(huì)將大尺度內(nèi)的環(huán)境變量視為常數(shù)，會(huì)影響最終模擬結(jié)果空間分辨率。通過降尺度或升尺度等途徑實(shí)現(xiàn)模塊之間的尺度轉(zhuǎn)化和交換變量的動(dòng)態(tài)計(jì)算，是未來生態(tài)水文模型發(fā)展的一個(gè)重要方向。此外，復(fù)雜模型各過程的不確定性和累積影響也是生態(tài)水文模型研究的熱點(diǎn)問題之一[46]。模型不確定性來源大致可以分為輸入資料、模型結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及率定資料等不確定性[47]。目前，模型不確定性的研究局限于單一來源不確定性的估計(jì)及其對(duì)參數(shù)和模擬結(jié)果的影響；但對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)模型不確定性來源研究還處于起步階段，Zhang等[46,48]采用Bootstrap和多目標(biāo)優(yōu)化算法等對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)模型的不確定性及其影響進(jìn)行了量化，提出了多過程多要素均衡率定方法，解決了不確定性傳遞的影響（圖3）。發(fā)展模型不確定性量化理論體系和方法，建立科學(xué)可靠的不確定性評(píng)價(jià)平臺(tái)或集成工具等均有待進(jìn)一步研究與探討。4.4多學(xué)科交融的生態(tài)水文學(xué)研究。IGBP、UNESCO/IHP、IAHS十年科學(xué)計(jì)劃（2013—2022年）（PantaRhei）、未來地球科學(xué)計(jì)劃（FutureEarth）等都將陸地植被生態(tài)過程、河流生態(tài)系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)和水文過程的相互作用機(jī)制和耦合研究作為核心內(nèi)容。結(jié)合全球重大科學(xué)計(jì)劃前沿，進(jìn)一步促進(jìn)環(huán)境科學(xué)、大氣科學(xué)等自然科學(xué)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、人類活動(dòng)等社會(huì)科學(xué)的交融將成為未來生態(tài)水文學(xué)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。比如，氣候變化在改變水文循環(huán)和地表生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、植被生理生態(tài)等方面發(fā)揮著重要作用[49]，探索氣候變化對(duì)生態(tài)水文相關(guān)過程的作用機(jī)制與反饋也是未來生態(tài)水文學(xué)的前沿問題之一。另外，伴隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，水利工程的修建和調(diào)控、農(nóng)藥化肥的大量施用、污染物過度排放、植被破壞和森林砍伐、城鎮(zhèn)化等諸多人類活動(dòng)對(duì)流域生態(tài)水文系統(tǒng)的影響日益加劇[50]。以上諸多問題的解決也亟待生態(tài)水文學(xué)多學(xué)科的交融。涉及生態(tài)水文相關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問題如：水利工程調(diào)控對(duì)河流生態(tài)水文系統(tǒng)影響機(jī)制和珍稀物種保護(hù)、SPAC系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)及其污染特征、點(diǎn)源和面源的環(huán)境效應(yīng)及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響、人類活動(dòng)引起的下墊面變化對(duì)生態(tài)—水文變化格局的影響、城市生態(tài)水文演變機(jī)制與海綿措施的調(diào)控特征等。中國(guó)政府提出了美麗中國(guó)、長(zhǎng)江大保護(hù)、黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展、海綿城市、海岸帶生態(tài)建設(shè)等重大戰(zhàn)略，許多重大科技專項(xiàng)也應(yīng)運(yùn)而生，如國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“典型脆弱生態(tài)修復(fù)與保護(hù)研究”和“水資源高效開發(fā)利用”、中國(guó)科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“美麗中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)科技工程”等。國(guó)家自然科學(xué)基金委也長(zhǎng)期重視生態(tài)水文學(xué)的發(fā)展，特別是在用水矛盾突出、生態(tài)環(huán)境惡劣的干旱半干旱區(qū)，專門設(shè)立“黑河流域生態(tài)—水文過程集成研究”重大研究計(jì)劃、“干旱區(qū)生態(tài)水文學(xué)”等創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目等[51]，其中黑河流域生態(tài)水文研究不僅建立了先進(jìn)的流域觀測(cè)系統(tǒng)和生態(tài)水文過程集成模型，而且實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用的決策支持[52]；針對(duì)流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)，設(shè)立國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶水循環(huán)變化與中下游典型城市群綠色發(fā)展互饋影響機(jī)理及對(duì)策研究”等。另外，在中國(guó)“十三五”規(guī)劃中也明確提出發(fā)展“生態(tài)—水文—經(jīng)濟(jì)”的集成研究等。以上重大國(guó)家需求和學(xué)科前沿將進(jìn)一步推動(dòng)中國(guó)自然、社會(huì)等多學(xué)科交融的生態(tài)水文學(xué)研究，以及生態(tài)水文過程中經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人類活動(dòng)的影響和反饋等研究。此外，作為中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的關(guān)鍵內(nèi)容之一，生態(tài)系統(tǒng)水流動(dòng)調(diào)節(jié)及其價(jià)值估算是生態(tài)系統(tǒng)和自然資本可持續(xù)管理的重要手段，也是生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)、環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)等交叉領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

5中國(guó)生態(tài)水文學(xué)應(yīng)用前景

生態(tài)水文學(xué)科經(jīng)過幾十年的發(fā)展，在森林生態(tài)、草地生態(tài)、河流湖庫生態(tài)、濕地生態(tài)、農(nóng)業(yè)生態(tài)、城市生態(tài)等各個(gè)分支領(lǐng)域從基礎(chǔ)理論、技術(shù)方法和應(yīng)用實(shí)踐等方面已開展了深入研究并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，為生態(tài)水文學(xué)提供廣闊的應(yīng)用前景。特別是在中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，生態(tài)水文學(xué)也將廣泛應(yīng)用于山水林田湖草及城市等共同體的修復(fù)和保護(hù)等方面。在森林和草地生態(tài)領(lǐng)域，植被生態(tài)修復(fù)、退耕還林還草及水土流失防治等是中國(guó)“十三五”規(guī)劃、生態(tài)文明建設(shè)中的重要決策和技術(shù)手段[53]。植被生態(tài)修復(fù)方面，需開展針對(duì)不同區(qū)域、植被類型、水分補(bǔ)給情況等條件限制下的植被生理和生態(tài)耗水規(guī)律研究，探索植被對(duì)水文循環(huán)的響應(yīng)關(guān)系，估算符合植被生理生態(tài)規(guī)律的生態(tài)需水等，從而提高植被的水分有效利用率。退耕還林還草方面，重點(diǎn)研究植被類型、功能、結(jié)構(gòu)及其空間分布格局，揭示其變化水文效應(yīng)等，為退耕還林還草提供技術(shù)支撐和決策依據(jù)。水土流失防治方面，需探索不同水土保持措施對(duì)生態(tài)水文過程的影響機(jī)制，實(shí)現(xiàn)小流域侵蝕時(shí)空耦合模擬向大中尺度流域的擴(kuò)展，為中國(guó)水土流失防治提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。在河流湖庫和濕地生態(tài)領(lǐng)域，以保持河流健康為目標(biāo)的生態(tài)水利工程、河湖生態(tài)修復(fù)、濕地恢復(fù)重建等將在生態(tài)水文系統(tǒng)的保護(hù)與治理方面有著更為廣泛和深入的應(yīng)用[54-55]。在生態(tài)水利工程設(shè)計(jì)和建設(shè)方面，需探索水利工程建設(shè)對(duì)關(guān)鍵保護(hù)物種棲息地、水力學(xué)要素和徑流情勢(shì)、物種群落等的影響特征，促進(jìn)水利工程從傳統(tǒng)防洪興利調(diào)度向生態(tài)調(diào)度的轉(zhuǎn)變。在河湖生態(tài)修復(fù)方面，開展生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀調(diào)查，制定修復(fù)目標(biāo)和措施；探索生態(tài)修復(fù)過程中水生生物對(duì)河流生境變化的影響機(jī)制問題，完善生態(tài)修復(fù)的效果評(píng)價(jià)體系等。在濕地生態(tài)恢復(fù)重建方面，應(yīng)開展大江大河流域濕地生態(tài)需水估算和“水文—生態(tài)—社會(huì)”系統(tǒng)的綜合管控研究；探索面向濕地生態(tài)保護(hù)和恢復(fù)的水系連通理論和關(guān)鍵技術(shù)等。在農(nóng)業(yè)生態(tài)領(lǐng)域，將重點(diǎn)探究作物不同尺度需水探測(cè)和估算方法、作物需水對(duì)變化環(huán)境的響應(yīng)與適應(yīng)機(jī)制[56]；關(guān)注從理論和技術(shù)上提高農(nóng)作物水資源利用率、減少田間的無效蒸發(fā)，進(jìn)一步推進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水。在城市生態(tài)水文領(lǐng)域，將重點(diǎn)關(guān)注城市化的生態(tài)水文效應(yīng)及海綿城市建設(shè)問題[57]，包括探索林地植被蒸散發(fā)、綠色基礎(chǔ)設(shè)施等對(duì)城市熱雨島、徑流效應(yīng)等的緩解機(jī)制；通過渠系整治、黑臭水體治理和河湖生態(tài)修復(fù)等，改善城市河湖的水環(huán)境質(zhì)量、恢復(fù)水生態(tài)功能等。本文通過全面回顧生態(tài)水文學(xué)科發(fā)展歷程，闡明了學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)；基于生態(tài)水文學(xué)研究熱點(diǎn)與國(guó)家需求，提出了中國(guó)生態(tài)水文學(xué)主要發(fā)展趨勢(shì)，即在重視生態(tài)水文要素綜合監(jiān)測(cè)和多過程相互作用機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，發(fā)展大尺度多過程生態(tài)水文模型，推進(jìn)多學(xué)科交融下的生態(tài)水文學(xué)發(fā)展。此外，進(jìn)一步明確了生態(tài)水文學(xué)未來發(fā)展方向，即構(gòu)建多源信息融合的綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)、明晰生態(tài)水文關(guān)鍵要素的時(shí)空格局與演變特征、發(fā)展陸地—水生多尺度多要素綜合模型、以及“水文—生態(tài)—社會(huì)”等多學(xué)科交叉研究等，為中國(guó)生態(tài)文明建設(shè)順利實(shí)施、“山水林田湖”保護(hù)等提供理論支持。

作者:夏軍 張永勇 穆興民 左其亭 周宇建 趙廣舉