流域径流泥沙对多尺度植被变化响应研究进展

植被变化与流域水文过程构成一个反馈调节系统,是目前生态水文学研究的重点对象.由于植被自身的生长发育以及受自然因素和人为干扰的作用,植被变化具有多尺度性;由于受流域水文环境的异质性和水文通量的变化性的影响,流域水文过程也同样具有多尺度性.因此,只有通过对不同尺度生态水文过程分析,才能揭示流域径流泥沙对植被变化的响应机理.从不同时空尺度回顾了植被生长、植被演替、植被分布格局变化、造林以及森林经营措施等对流域径流泥沙影响的主要研究成果;概括了目前研究采用的3种主要方法,即植被变化对坡面水流动力学影响的实验室模拟、坡面尺度和流域尺度野外对比观测实验以及水文生态模型模拟方法;分析了植被变化与径流泥沙响应研究要考虑的尺度问题,从小区尺度上推至流域尺度或区域尺度时应考虑不同的生物物理控制过程.研究认为,要确切理解植被与径流泥沙在不同时空尺度的相互作用,必须以等级生态系统的观点为基础,有效结合生态水文与景观生态的理论,从地质-生态-水文构成的反馈调节入手,系统地理解植被变化与径流泥沙等水分养分之间的联系及反馈机制,建立尺度转换的基础.同时,作为有效的研究工具,今后水文模型的发展应更加注重耦合植被生理生态过程以及景观生态过程,从流域径流泥沙对多尺度植被变化水文响应的过程与机制入手,为植被恢复与重建、改善流域水资源状况和流域生态环境奠定基础.     

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。     

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。     

湿地生态水文模型研究进展

建立湿地生态因素和水文因素之间的响应模型是当前湿地研究的一个新领域,可为湿地的保护、评价和管理提供科学依据。本文依据湿地生态水文过程特征,将湿地生态水文模型分为湿地生态水分循环估算模型、湿地生态水文化学过程模拟模型和湿地生物对水文过程的响应模型,综述了当前湿地生态水文模型的研究进展,并在此基础上探讨了湿地生态水文模型的研究重点和发展趋势。     

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。     

高山峡谷地区森林流域分布式降雨-径流模型的构建与验证

根据岷江上游杂谷脑河流域典型的高山峡谷地区主要水文特点,选择通用性较强的水文过程模式,构建高山峡谷地区森林流域分布式降雨-径流过程模型,避免过多复杂的区域性模型参数率定,保证模型在相似地区的可移植性;并选择杂谷脑水文站上游地区进行降雨-径流过程模拟,得到1999年和2000年模拟时段长度为1000 h的两个径流过程,对模拟与实测的径流过程、累积径流量、洪峰流量与峰现时间等进行比较,其拟合效果较好.该模型结构简单,引入的经验参数较少,可推广应用到其它尺度流域.     

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。     

WASSI-C生态水文模型响应单元空间尺度的确定——以杂古脑流域为例

模型基本单元空间尺度的确定是大尺度生态水文模型应用的前提, 也是提高模型模拟精度的关键。该文以长江流域岷江上游的杂谷脑河上游流域为例, 通过设置最小流域面积阈值, 构建不同的水文响应单元划分方案, 探讨生态水文模型WASSI-C响应单元的最佳空间响应尺度。结果表明: 模型响应单元空间尺度的变化对模型精度有显著影响, 模拟效果存在随响应单元划分面积阈值增加先提高再稳定的趋势, 面积阈值小于85 km²时, 模型的模拟效果较好。此外, 面积阈值小于85 km²时, 模型模拟的水、碳循环变量验证的拟合相关性系数和效率系数均趋于稳定, 因此可以将模型水文响应单元流域划分的面积阈值确定为85 km²。基于这一尺度的模拟与验证研究, 分析了WASSI-C模型中关键变量设置对模拟结果的影响。     

水文尺度转换探讨

水文尺度问题是当今水文学研究的热点和前沿.水文尺度包括过程尺度、观测尺度和模拟尺度三方面含义.主导过程尺度作为尺度的特征量,是水文研究中的重点.水文尺度转换工作包括了对水文模式、参数、状态变量和输入的尺度转换四方面,每一方面都有其特殊的研究方法.水文系统的有组织复杂性、时空变异性和数据不足是当前水文研究的难点所在.自然河网的自相似特性使其成为水文尺度研究的重要组成部分.进一步深入研究水文尺度问题需要多种研究思路、技术手段和理论工具的结合.     

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。     

The Influence of Soil Biodiversity on Hydrological Pathways and the Transfer of Materials between Terrestrial and Aquatic Ecosystems

The boundaries between terrestrial and aquatic ecosystems, known as critical transition zones (CTZ), are dynamic interfaces for fluxes of water, sediment, solutes, and gases. Moreover, they often support unique or diverse biotas. Soils, especially those of riparian zones, have not been recognized as CTZ even though they play a critical role in regulating the hydrologic pathways of infiltration and leaching, or runoff and erosion, which can cumulatively affect biogeochemical processes and human livelihoods at landscape scales. In this review, we show how the processes that regulate hydrologic fluxes across and through soil CTZ are influenced by the activities of soil biota. Our message is fourfold. First, there are a variety of ways in which soil biodiversity, in terms of richness and dominance, can influence hydrological pathways in soil and thus the transfer of materials from terrestrial to aquatic ecosystems. Second, the influence of soil organisms on these hydrological pathways is very much interlinked with other environmental, soil biophysical, and vegetation factors that operate at different spatial and temporal scales. Third, we propose that the influence of soil biodiversity on hydrological pathways is most apparent (or identifiable), relative to other factors, in situations that lead to the dominance of certain organisms, such as larger fauna. Fourth, soils are buffered against environmental change by biophysical properties that have developed over long periods of time. Therefore, the effects of changes in soil biodiversity on hydrological processes at the ecosystem scale might be delayed and become most apparent in the long term. Received 25 February 2000; accepted 11 December 2000.     

长江流域生态系统水文调节服务空间特征及影响因素:基于子流域尺度分析

水文调节服务是流域生态系统所提供的重要服务之一,认识流域生态系统水文调节服务空间变异规律及其驱动力,对于流域生态系统保护与恢复、合理开发利用水资源具有重要意义。以洪涝灾害频发的长江流域为对象,运用变异系数法和多元统计方法,在子流域尺度上研究了长江流域生态系统水文调节服务空间特征及影响因素。结果表明,长江流域子流域生态系统水文调节服务呈现出明显的空间异质性,水利工程密集、自然植被覆盖率高达71%的金沙江和汉江水系各子流域水文调节服务最强,降雨与径流变异系数差为0.477;农田和人口密集的嘉陵江水系各子流域水文调节服务最弱,降雨与径流变异系数差为-0.474,其他子流域水文调节服务作用不明显。影响水文调节服务的主要因素是:水库库容、自然植被面积比例、农田面积比例、单位面积人口数,其中:水库库容和自然植被面积比例对水文调节服务具有正向促进作用,农田面积比例和单位面积人口对水文调节服务的作用正好相反。水库库容对子流域生态系统水文调节服务空间异质性的贡献最大(58.85%)。上述结果有助于科学认识长江流域生态系统水文调节服务空间分异规律,可为制定不同子流域生态保护与恢复措施、提升子流域生态系统水文调节服务提供科学依据。     

生态学中的尺度问题——尺度上推

尺度推绎是生态学理论和应用的核心。如何在一个异质景观中进行尺度推绎仍然是一个悬而未决的科学难题,是对当今生态学家在全球变化背景下研究环境问题的重大挑战。就目前的研究,一般可分为四大类尺度推绎途径:空间分析法(如分维分析法和小波分析法)、基于相似性的尺度上推方法、基于局域动态模型的尺度上推方法、随机(模型)法。基于相似性的尺度上推方法来源于生物学上的异量关联,可将其思想延伸至空间上,研究物种丰富度、自然河网、地形特征、生态学格局或过程变量和景观指数等。基于局域动态模型的尺度上推方法需要首先确定是否进行跨尺度推绎,以及是否考虑空间单元之间的水平相互作用和反馈,然后再应用具体的方法或途径,如简单聚合法、有效值外推法、直接外推法、期望值外推、显式积分法和空间相互作用模拟法等。随机(模型)法以其它尺度上推方法为基础,根据研究的是单个景观,还是多个景观,采用不同的途径。理解、定量和降低尺度推绎结果的不确定性已经变得越来越重要,但相关研究仍然极少。以上所有有关尺度推绎的方法、途径和结果分析共同构成了尺度推绎的概念框架。     

农村多水塘系统水环境过程研究进展

农村多水塘系统由于其不可替代的水资源蓄积和营养物去除功能,广泛分布于我国东部和南部地区。在分析多水塘系统水环境过程研究进展的基础上,指出了目前多水塘系统水环境过程研究中的不足及未来发展趋势。关于多水塘系统的研究主要从两个尺度展开,分别是生态系统尺度和景观尺度。(1)基于生态系统尺度的多水塘系统水环境过程研究主要表现在两方面。首先,多水塘系统在改变区域水文情势上发挥着重大作用。多水塘系统能有效降低流速,且增加地表径流的滞留时间;其次是对多水塘系统水质的研究,主要包括水塘对污染物截留降解能力的研究、水塘底泥和水体之间营养物形态转化和输移机制的研究。(2)基于景观尺度的多水塘系统水环境过程模型研究主要包括构建经验模型和机制模型两方面。经验模型主要是利用统计分析方法分析景观格局与水环境之间关系;适用于农村多水塘系统的水环境机制模型主要包括国外的SWAT、HSPF、DRAINWAT和TOPMODEL模型。农村多水塘系统的研究可以为建设生态新农村提供科学依据。     

Scaling biodiversity responses to hydrological regimes

Of all ecosystems, freshwaters support the most dynamic and highly concentrated biodiversity on Earth. These attributes of freshwater biodiversity along with increasing demand for water mean that these systems serve as significant models to understand drivers of global biodiversity change. Freshwater biodiversity changes are often attributed to hydrological alteration by water‐resource development and climate change owing to the role of the hydrological regime of rivers, wetlands and floodplains affecting patterns of biodiversity. However, a major gap remains in conceptualising how the hydrological regime determines patterns in biodiversity's multiple spatial components and facets (taxonomic, functional and phylogenetic). We synthesised primary evidence of freshwater biodiversity responses to natural hydrological regimes to determine how distinct ecohydrological mechanisms affect freshwater biodiversity at local, landscape and regional spatial scales. Hydrological connectivity influences local and landscape biodiversity, yet responses vary depending on spatial scale. Biodiversity at local scales is generally positively associated with increasing connectivity whereas landscape‐scale biodiversity is greater with increasing fragmentation among locations. The effects of hydrological disturbance on freshwater biodiversity are variable at separate spatial scales and depend on disturbance frequency and history and organism characteristics. The role of hydrology in determining habitat for freshwater biodiversity also depends on spatial scaling. At local scales, persistence, stability and size of habitat each contribute to patterns of freshwater biodiversity yet the responses are variable across the organism groups that constitute overall freshwater biodiversity. We present a conceptual model to unite the effects of different ecohydrological mechanisms on freshwater biodiversity across spatial scales, and develop four principles for applying a multi‐scaled understanding of freshwater biodiversity responses to hydrological regimes. The protection and restoration of freshwater biodiversity is both a fundamental justification and a central goal of environmental water allocation worldwide. Clearer integration of concepts of spatial scaling in the context of understanding impacts of hydrological regimes on biodiversity will increase uptake of evidence into environmental flow implementation, identify suitable biodiversity targets responsive to hydrological change or restoration, and identify and manage risks of environmental flows contributing to biodiversity decline.     

黄河三角洲横向水文结构连结空间尺度变异性分析

水文连通是影响滨海湿地生态和水文过程的基础要素之一。引入无标度网络模型改进已有横向静态水文连通参数化方法,将其应用于较大尺度(100 hm²)量化黄河三角洲滨海湿地的水文连通,并结合已有研究结果分析3个尺度(1 m²,100 m²和100 hm²)水文连通的空间变异性。研究结果显示,潮间区和生态补水区的水文连通较强,3个尺度的空间变异性主要来自于水文连通指数较高的样点;盐沼区和河滨区相对较弱,空间变异性主要来自于水文连通指数较小的样点,且大尺度水文连通空间变异性相对中尺度和小尺度更高。小尺度和中尺度方法描述了一个样地与周边较小范围的空间区域土壤水分连通状况,在大的潮汐或补水条件下不同区域各个样地倾向于保持一致;而大尺度方法则侧重于描述区域内的水文过程,这是导致尺度差异的根本原因。     

Scales of association: hierarchical linear models and the measurement of ecological systems

A fundamental challenge to understanding patterns in ecological systems lies in employing methods that can analyse, test and draw inference from measured associations between variables across scales. Hierarchical linear models (HLM) use advanced estimation algorithms to measure regression relationships and variance–covariance parameters in hierarchically structured data. Although hierarchical models have occasionally been used in the analysis of ecological data, their full potential to describe scales of association, diagnose variance explained, and to partition uncertainty has not been employed. In this paper we argue that the use of the HLM framework can enable significantly improved inference about ecological processes across levels of organization. After briefly describing the principals behind HLM, we give two examples that demonstrate a protocol for building hierarchical models and answering questions about the relationships between variables at multiple scales. The first example employs maximum likelihood methods to construct a two-level linear model predicting herbivore damage to a perennial plant at the individual- and patch-scale; the second example uses Bayesian estimation techniques to develop a three-level logistic model of plant flowering probability across individual plants, microsites and populations. HLM model development and diagnostics illustrate the importance of incorporating scale when modelling associations in ecological systems and offer a sophisticated yet accessible method for studies of populations, communities and ecosystems. We suggest that a greater coupling of hierarchical study designs and hierarchical analysis will yield significant insights on how ecological processes operate across scales.     

岷江上游水文气象因子多尺度周期性分析

采用Dmey小波变换法对岷江上游杂谷脑流域1959年至2006年月径流量、月平均气温和月降水量不同时间尺度下的变化周期进行分析,探讨三者在长时间序列周期性变化中的相互响应,并根据主周期预测未来气温、降水和径流的变化趋势,结果表明:气温、径流和降水存在多尺度周期性变化,在不同的尺度周期中,表现出不同的冷暖、丰枯和干湿的振荡规律,总体表现为由小尺度无明显规律的剧烈振荡向大尺度有明显规律的振荡变化。3个要素同以8—12个月的小尺度为周期剧烈振荡,在较大时间尺度上,具有明显规律振荡变化的周期分别为气温500个月、径流150个月和降水120个月。受森林砍伐的影响,研究区域在1962—1988年期间径流对降水变化的周期性响应迟钝,而在1988—2006年期间基本同步。根据大尺度周期性波动趋势预测,未来十几年研究区域处于偏暖的年代际背景下,未来6—7a为多雨期,但径流量偏少。     

微地形改造的生态环境效应研究进展

干旱缺水和生境不良使世界上许多地区的植被恢复和生态改善面临困难。为了提高植被成活率、遏制土壤侵蚀和土地退化态势,国内外许多重点地区都开展了多种微地形改造与下垫面整地措施,使得地表生境和植被状况得到一定改善。但微地形改造对生态环境影响的基础研究仍严重滞后于实践的客观需求,许多关键效应和科学机理不明。本文系统梳理和总结了国内外学者在不同生态系统类型区和自然地理单元上开展的相关研究。认为微地形改造对土壤属性和微生境、降雨入渗和水蚀过程、植被恢复的效果及其生态服务功能发挥等多个方面都有重要影响,并综述了相关研究进展。同时指出当前微地形改造研究中存在的突出问题。包括科学分类标准有待系统化、实地量化技术相对滞后、微地形改造的水文效应有待强化、影响植被恢复的机理不明等若干重要局限。建议应进一步加强微地形改造的分类体系研发、发展微地形改造方式的定量刻画技术;设立野外定位站,跟踪监测其长期效应,并加强不同微地形改造措施的生态环境效应对比,为科学筛选和优化下垫面改造技术、服务区域生态改善和应对气候变化提供科学依据。