黄土高原生态水文过程研究进展

以黄土高原水文过程为主线,围绕水资源短缺、水量分布不均衡、水文过程的复杂性和非稳态等特性,梳理了黄土高原水文过程的主要现状及研究进展,包括水资源分布、水量平衡和水文循环等过程;融合生态水文尺度效应,从土壤、微生物、植物冠层、坡面、流域和景观等方面归纳和总结了黄土高原生态水文过程;针对该区生态水文过程的时空异质性,提出未来更需要通过多学科交叉与融合手段,加强宏观与微观过程的集成与联网研究;采用多尺度、多要素、多时空的综合观测与模拟手段,定量重要生态功能区水分承载力及生态阈值;从生态学和水文学方面揭示不同时空尺度下水分转移与分配特征;为解决黄土高原水资源的宏观调控与最优分配模式提供理论基础。     

水文过程及其尺度响应

水文循环机制涉及到各个尺度界面的水文过程关系.水文变量(降雨、径流等)随时间和空间变化很大,是与尺度响应的非线性过程.尺度转换是建立合适的参数去描述这些过程, 涉及到如何穿越不同尺度约束体系(水文过程)的限制.基于对水文响应及其尺度转换认识所建立起来的现行水文模型的主流是还原分析方法,采用小尺度演绎方法,过度参数化成为习以常规,导致无资料流域预测结果的很大不确定性.因此,尺度转换是水文过程研究所面临的主要难点和热点问题.水文模型只有建立在对尺度相关的水文过程深刻理解基础上,对于预测水文响应才是有效的.预测径流在时间和空间的结果是根据径流系统穿越尺度过程的动态分析得出的,把尺度分析转变于水文变量的谱分析,即通过水文变量的谱相分析,认识发生在不同尺度范围内潜在的秩序和规律,研究他们形成的机制,寻求决定水文过程规则的通用表达方式,开发尺度转换的方法.     

大尺度生态水文模型的构建及其与GIS集成

基于过程模拟手段揭示森林植被的生态水文功能和变化机制,已经成为生态水文学研究的重要手段。由于陆地生态水文过程的非线性和尺度问题的广泛性,基于过程的坡面或小流域尺度的分布式水文模型不适合大流域的水文过程的分析和预测;另外,传统的水文模型主要侧重水文物理过程,只有充分耦合植被生态过程,才能从机制上揭示森林植被参与水文循环的调控作用。依据大流域的水文过程特点,从5个方面阐述了大尺度生态水文模型构建过程中的主要问题：①大尺度生态水文模型的概念和结构;②尺度的界定与匹配;③离散化数据集的建立,着重分析了植被覆盖、土壤质地、山地气候等主要数据集的建立方法;④分布式与集总式模型,这两类模型可以从他们的基本空间单元上进行区分,数字流域的建立和空间分析手段使得集总式模型和分布式模型得到了很好的结合;⑤生态水文模型与GIS的集成。分析了4种不同的集成方式,“松散型”的集成方式因其编程工作量小而被广泛采用。集成的目的不仅是要提高模拟的技术水平,更要提高系统整体的概念化水平。     

山地生态水文过程与降水资源调控研究进展

生态水文学是一个可定义和发展的学科, 是在不同时空尺度和一系列环境条件下探讨生态水文过程。山地的生态格局和水文过程对下游景观有重大的影响。针对山区干旱缺水、水生态退化以及水灾害等一系列生态问题, 从林草地水文生态效应角度, 探讨山地生态水文过程的研究进展, 山地降水资源调控技术措施和山地生态水文过程与降水资源调控的相关关系。结果表明: 植被生态需水量的计算方法包括面积定额法、潜水蒸发法、植物蒸散发量法、水量平衡法、生物量法、基于遥感技术的计算法等, 各种方面在不同区域的适用性不同; 生态水文模型有SWAT模型、SWIN模型、EcoHAT模型等, 不同的模型应用领域不一; 降水资源的高效利用措施包括降水资源的就地利用—入渗水利用, 如坡改梯工程、集水造林种草工程以及适时深耕技术等; 降水资源的叠加利用—径流水利用, 如淤地坝工程和坡面集水造林种草工程等; 以及降水资源的间接利用—蒸发水利用三个方面, 如黑色覆盖技术、砾石覆盖技术和土壤覆盖技术等。以河北太行山区为例, 分析得出造林坡地的径流系数明显低于裸岩坡地。山地水旱灾害形成机制与水资源调控利用技术的研究、坡地与流域的降雨径流关系研究等方面应是未来山地生态水文过程的研究重点。     

森林流域生态水文过程动力学机制与模拟研究进展

水文过程是联系气候变化和森林生态系统时空变化的关键因素．未来的气候变化和人类大尺度活动将影响森林流域生态系统与水文过程的变化,森林流域生态与水文过程耦合、生态系统水文过程动力学机制研究在认识和调控生态资源及其合理利用、区域生态恢复,以及社会经济可持续方面均具有重要意义．森林流域生态系统中的水文过程可分为降雨截留、蒸散和产汇流过程．森林流域生态与水文耦合过程边界条件的确定,土壤表面特定水文过程的参数化,降雨、土壤水分运动和植被的动态耦合作用,分布式模型的应用以及森林生态水文过程动力学机制与调控等将是今后生态水文动力学过程研究的重点,综述了森林流域生态水文过程动力学机制与调控的研究进展。     

黄土高原流域水沙变化研究进展

人类活动和气候变化是影响流域水文过程的两大驱动因素,径流输沙是流域水文过程的总体反映,变化环境下径流输沙的变化规律与成因分析是水文学和全球变化研究的热点问题。黄土高原是我国水土流失最严重的地区。20世纪50年代以来,黄土高原地区开展了大规模的生态环境建设和水土流失综合治理,显著改变了流域土地利用和植被覆盖。下垫面条件改变与气候变化综合作用,使得流域水沙情势发生剧变。围绕黄土高原流域水沙变化的时空尺度特征与驱动机制,总结了径流输沙和水沙关系变化特征的研究结果,归纳了径流输沙变化的归因分析方法与人类活动和气候变化影响的贡献分割结果,探讨了气候变化、植被恢复、水土保持工程措施以及流域景观格局对水沙变化的影响机制。未来应加强流域水沙演变的时空尺度特征特别是水沙关系非线性特征的定量研究,阐明极端事件对水沙动态的影响与贡献;开展水沙变化影响机制的多要素综合解析,发展耦合地表覆被动态特征和气候变化的降雨-径流-输沙模型,揭示生态恢复与水沙演变过程互馈机制;开展未来气候变化、社会经济发展和生态建设工程情景下水沙动态的趋势预测,为黄土高原生态综合治理和水资源管理与黄河水沙调控提供策略建议。     

基于SWAT模型的祁连山区最佳水源涵养植被模式研究——以石羊河上游杂木河流域为例

以西北干旱区祁连山系杂木河流域为研究区,应用分布式水文模型(SWAT)对该流域的径流进行模拟研究,探讨了流域尺度和微地形尺度7种不同植被组合模式下水文响应特征。结果表明:流域尺度上,单一植被模式在水分收支各分支中能够明显加大流域总蒸散发量,减少流域出山径流量,增加流域的水分蓄变量,为水资源的可持续供给带来时间变异;组合模式明显改善流域水分收支比例,适度减弱流域蒸散发量,增加流域出山径流,为水资源可持续供给提供恒量保证,减弱局地的水资源时间变异程度;微地形尺度上,各种景观类型的水文效应随着海拔高度变化基本一致,径流深随着海拔高度的增加而减小,蒸散发随着海拔高度的增加而增加。不同高度分级中,植被组合模式的不同导致在不同坡度条件下水文效应差异显著,40°坡度是水文效应变化规律发生变化的一个拐点。基于上述分析,提出祁连山区最佳水源涵养效应的生态模式。     

干旱半干旱区坡面覆被格局的水土流失效应研究进展

植被恢复与建设是控制水土流失的重要措施.在干旱半干旱地区,植被在空间上的分布呈现离散特征,在坡面上形成的裸地-植被镶嵌和植被条带分布等覆被格局对水土流失过程具有重要影响.覆被格局与水土流失关系研究是景观生态学格局与过程研究的重要内容.从植被斑块、坡面覆被格局对水土流失的影响与耦合覆被格局与水土流失的手段和方法三个方面对国内外相关研究进行总结分析.从中发现,植被类型、层次结构和形态特征是植被斑块尺度上影响径流泥沙的关键因素;不同覆被类型的产流产沙特征与覆被格局的准确描述是研究覆被格局水土流失效应的重要基础;坡面覆被格局对水土流失的影响关键在于其改变了径流泥沙运移和汇集的连续性,应重点关注径流泥沙源汇区的连通性和空间分布在水土流失中的作用;以坡面的精确覆被制图为基础,建立基于水土流失过程的覆被格局指数和耦合格局信息的径流与侵蚀模型是定量研究覆被格局影响的有效手段.今后应加强以下研究:以动态系统的观点研究覆被格局的变化对水土流失的影响,系统理解覆被格局与水土流失之间的相互联系与反馈机制,探讨两者间动态关系随尺度变化的规律性并发展尺度上推方法;构建过程意义明确且简单实用的格局指数,将覆被格局与水土流失过程有机联系起来;发展覆被格局的动态信息与产流产沙过程相结合的水文模型,加强对格局与径流泥沙反馈系统的耦合,建立真正意义上的覆被格局-水土流失过程耦合模型.     

城市化对流域生态水文过程的影响研究综述

了解流域水文过程(水量和水质)是流域综合管理的基础。城市化引起的生态环境问题已成为目前和未来一段相当长的时期内人类社会面临的重大问题。然而,城市化(土地利用/覆被变化、新污染物产生)、水文(降水、入渗、蒸散、径流过程)和生态系统服务(产水服务、调节气候、土壤保持、初级生产力、维持生物多样性等)在不同时空尺度之间的相互作用还存在知识空白。从城市化对流域生态系统结构和功能的影响、城市化对地表能量平衡与水量平衡的影响、城市化对水质和水生生物的影响、以及城市土地利用/覆被变化的大气环境效应等多方面系统总结了城市化影响流域生态水文过程的研究进展。研究发现,城市"热岛"、"干岛"、暴雨径流引起的城市内涝、水污染等环境现象都与生态水文过程密切相关。强调现代城市规划需要遵循生态水文学规律,从全流域生态系统角度认识近年来新出现的不同尺度的城市环境效应。城市最佳管理措施应以流域为单元实施,以调节土地利用/覆被、保护湿地(包括自然与人工湿地)为手段,充分发挥自然生态系统调节功能(如植被蒸散和净化水质)。未来城市生态水文学应围绕"低影响开发"以及"基于自然的解决方案"等城市流域管理措施,在稳定城市小气候、缓解洪涝干旱等极端水文气象灾害风险以及减轻城市水污染等方面开展多尺度综合研究。     

生态水文过程研究进展

生态水文学是研究生态格局和生态过程变化水文学机制的科学。它的一个重要研究方向是在不同时空尺度上和一系列环境条件下探讨生态水文过程。生态水文过程是指水文过程与生物动力过程之间的功能关系 ,它包括生态水文物理过程、生态水文化学过程及其生态效应。在探讨以上基本概念和总结生态水文过程研究特点的基础上 ,着重探讨生态水文物理过程、生态水文化学过程及其生态效应等生态水文过程核心内容的研究进展 ,并简要分析了生态水文过程研究中存在的主要问题和未来的研究热点。     

Interactions Across Spatial Scales among Forest Dieback,Fire, and Erosion in Northern New Mexico Landscapes

Abstract Ecosystem patterns and disturbance processes at one spatial scale often interact with processes at another scale, and the result of such cross-scale interactions can be nonlinear dynamics with thresholds. Examples of cross-scale pattern-process relationships and interactions among forest dieback, fire, and erosion are illustrated from northern New Mexico (USA) landscapes, where long-term studies have recently documented all of these disturbance processes. For example, environmental stress, operating on individual trees, can cause tree death that is amplified by insect mortality agents to propagate to patch and then landscape or even regional-scale forest dieback. Severe drought and unusual warmth in the southwestern USA since the late 1990s apparently exceeded species-specific physiological thresholds for multiple tree species, resulting in substantial vegetation mortality across millions of hectares of woodlands and forests in recent years. Predictions of forest dieback across spatial scales are constrained by uncertainties associated with: limited knowledge of species-specific physiological thresholds; individual and site-specific variation in these mortality thresholds; and positive feedback loops between rapidly-responding insect herbivore populations and their stressed plant hosts, sometimes resulting in nonlinear “pest” outbreak dynamics. Fire behavior also exhibits nonlinearities across spatial scales, illustrated by changes in historic fire regimes where patch-scale grazing disturbance led to regional-scale collapse of surface fire activity and subsequent recent increases in the scale of extreme fire events in New Mexico. Vegetation dieback interacts with fire activity by modifying fuel amounts and configurations at multiple spatial scales. Runoff and erosion processes are also subject to scale-dependent threshold behaviors, exemplified by ecohydrological work in semiarid New Mexico watersheds showing how declines in ground surface cover lead to non-linear increases in bare patch connectivity and thereby accelerated runoff and erosion at hillslope and watershed scales. Vegetation dieback, grazing, and fire can change land surface properties and cross-scale hydrologic connectivities, directly altering ecohydrological patterns of runoff and erosion. The interactions among disturbance processes across spatial scales can be key drivers in ecosystem dynamics, as illustrated by these studies of recent landscape changes in northern New Mexico. To better anticipate and mitigate accelerating human impacts to the planetary ecosystem at all spatial scales, improvements are needed in our conceptual and quantitative understanding of cross-scale interactions among disturbance processes.     

干旱半干旱区斑块状植被格局形成模拟研究进展

斑块状植被格局是世界上干旱半干旱区常见的景观类型,它们的形成、组成结构和演替过程研究,对于揭示区域生态系统变化的关键过程具有重要意义。鉴于基于地面调查和遥感技术的方法难以全面刻画斑块状植被格局的形成过程及机制,借助于模型模拟成为解决这一问题的有效方法。自20世纪90年代初至今,斑块状植被格局形成的连续和离散模拟研究不断涌现,然而,连续模拟侧重于植被格局形成的一般机理,缺乏与现实格局的对比和验证,离散模拟单元选择与规则制定等仍需不断研究。在简要回顾斑块状格局形成的反馈机制基础上,重点综述了斑块状植被格局形成的连续和离散模拟的最新研究进展,并指出了现有研究的不足。干旱半干旱区小尺度上植物和水的反馈作用决定了大尺度的斑块状植被格局,充分揭示植被-土壤水分相互作用机理是模型模拟研究的关键,放牧强度和降水格局等外部环境对干旱半干旱区斑块状植被格局特征具有重要影响。在未来研究中,应加强模型模拟结果与实际观测的植被格局比较和验证,重视局域环境条件、生态系统功能在模型中的表达,构建综合连续和离散模型各自优点的混合模型,注重斑块状植被格局形成过程中的标准子模型及模型开发和集成平台的研发,同时强调面向格局模拟和构建空间显式的斑块状植被格局形成模型。     

植被格局对侵蚀产沙影响的研究评述

土壤侵蚀是人类可持续发展的重要挑战,植被重建则是防控侵蚀产沙的有效手段。在当前水土资源日益稀缺的新形势下,优化植被布局将成为黄土高原等生态脆弱地区未来阻蚀减沙、改善环境的重要途径,有关植被格局对侵蚀产沙影响的科技需求更加急迫、意义更加重要。为此,从坡面与流域两个尺度,总结评述了侵蚀产沙研究中的植被格局表征、侵蚀产沙对植被格局的变化响应两个议题的研究进展。分析认为,目前主要存在缺乏反映侵蚀产沙过程的植被格局表征指数、较少考虑植被与地形叠置格局对侵蚀产沙的耦合影响、尚未建立侵蚀产沙对植被格局的直观响应关系等问题。为促进有关研究,今后在格局指数和耦合关系的构建中应重视植被和地形对侵蚀产沙过程的耦合影响,并选用具有良好应用精度的分布式物理成因模型,以获得反映植被格局影响的流域侵蚀产沙结果。同时,可通过采用GIS空间分析技术,设计获得更多的典型植被格局及对应情景的侵蚀产沙,以丰富基础资料,减少信息干扰。     

Form and function of grass ring patterns in arid grasslands: the role of abiotic controls

Ring-shaped growth patterns commonly occur in resource-limited arid and semi-arid environments. The spatial distribution, geometry, and scale of vegetation growth patterns result from interactions between biotic and abiotic processes, and, in turn, affect the spatial patterns of soil moisture, sediment transport, and nutrient dynamics in aridland ecosystems. Even though grass ring patterns are observed worldwide, a comprehensive understanding of the biotic and abiotic processes that lead to the formation, growth and breakup of these rings is still lacking. Our studies on patterns of infiltration and soil properties of blue grama (Bouteloua gracilis) grass rings in the northern Chihuahuan desert indicate that ring patterns result from the interaction between clonal growth mechanisms and abiotic factors such as hydrological and aeolian processes. These processes result in a negative feedback between sediment deposition and vegetation growth inside the bunch grass, which leads to grass die back at the center of the grass clump. We summarize these interactions in a simple theoretical and conceptual model that integrates key biotic and abiotic processes in ring formation, growth and decline.     

Effects of hydromorphological integrity on biodiversity and functioning of river ecosystems

River channels tend to a dynamic equilibrium driven by the dynamics of water and sediment discharge. The resulting fluctuating pattern of channel form is affected by the slope, the substrate erodibility, and the vegetation in the river corridor and in the catchment. Geomorphology is basic to river biodiversity and ecosystem functioning since the channel pattern provides habitat for the biota and physical framework for ecosystem processes. Human activities increasingly change the natural drivers of channel morphology on a global scale (e.g. urbanization increases hydrological extremes, and clearing of forests for agriculture increases sediment yield). In addition, human actions common along world rivers impact channel dynamics directly, e.g. river regulation simplifies and fossilizes channel form. River conservation and restoration must incorporate mechanisms of channel formation and ecological consequences of channel form and dynamics. This article (1) summarizes the role of channel form on biodiversity and functioning of river ecosystems, (2) describes spatial complexity, connectivity and dynamism as three key hydromorphological attributes, (3) identifies prevalent human activities that impact these key components and (4) analyzes gaps in current knowledge and identifies future research topics.     

Scale matters: fire–vegetation feedbacks are needed to explain tropical tree cover at the local scale

At a broad (regional to global) spatial scale, tropical vegetation is controlled by climate; at the local scale, it is believed to be determined by interactions between disturbance, vegetation and local conditions (soil and topography) through feedback processes. It has recently been suggested that strong fire–vegetation feedback processes may not be needed to explain tree‐cover patterns in tropical ecosystems and that climate–fire determinism is an alternative possibility. This conclusion was based on the fact that it is possible to reproduce observed patterns in tropical regions (e.g. a trimodal frequency distribution of tree cover) using a simple model that does not explicitly incorporate fire–vegetation feedback processes. We argue that these two mechanisms (feedbacks versus fire–climate control) operate at different spatial and temporal scales; it is not possible to evaluate the role of a process acting at fine scales (e.g. fire–vegetation feedbacks) using a model designed to reproduce regional‐scale pattern (scale mismatch). While the distributions of forest and savannas are partially determined by climate, many studies are providing evidence that the most parsimonious explanation for their environmental overlaps is the existence of feedback processes. Climate is unlikely to be an alternative to feedback processes; rather, climate and fire–vegetation feedbacks are complementary processes at different spatial and temporal scales.