生态水文过程观测与模拟的发展与展望

中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心是管理CERN陆地生态系统台站水环境长期监测的专业分中心,也是从事生态水文学研究的一个学术团队.长期以来,CERN水分分中心致力于先进的生态水文观测方法和技术的引进与研究,先后在大型蒸渗仪、涡度相关技术、实验遥感方法、大孔径闪烁仪和同位素技术应用于生态水文过程的观测方面做了许多卓有成效的工作,对生态水文过程野外观测方法先进技术的应用在国内起到引领作用.CERN水分分中心也开展了以陆面蒸散过程机理与模拟的研究,围绕华北农田作物蒸散过程模拟方法,从早期的经验模型,到具有物理基础的模型,发展到基于水碳耦合机理的蒸散过程模拟方法.未来的发展,需要进一步深入推进新技术新方法在生态水文过程观测中的应用,并构建不同生态系统生态水文过程机理模型,为流域和区域水资源管理及生态系统管理提供科学数据和科学工具.     

湿地生态水文过程及其模拟研究进展

在明确生态水文学相关概念的基础上,概述了湿地生态水文的研究历程和目前的研究热点。总结和分析相关文献发现,湿地关键水文过程在不同时空尺度的变化规律、湿地生态过程和水文过程的耦合作用机制、多尺度湿地生态水文过程的模拟与调控是目前湿地生态水文学的热点研究内容。总体而言,湿地生态水文研究已经由关注单一类型湿地水文过程向研究多类型湿地之间的水文连通维持机制转变,重点在于揭示不同时空尺度湿地水文与湿地生态系统之间的相互作用规律,阐明水文情势与生物群落、生态系统之间的作用与动态反馈原理;发展多维时空尺度的水文情势与湿地生态系统格局与过程交互作用的生态水文模型,旨在为湿地生态系统结构与功能修复提供理论与技术支撑。     

流域生态水文模型研究进展

流域生态水文模型是全球变化下流域生态水文响应研究的重要工具,通过定量刻画植被与水文过程的相互作用及全球变化对流域生态水文过程演变的影响机制,为流域水资源管理和生态恢复提供科学支撑,是生态水文研究的前沿和热点.基于植被与水文过程相互作用规律,流域生态水文模型一方面要充分描述植被与水文过程相互作用和互为反馈机制,另一方面要...     

稳定同位素在湿地水文研究中的应用现状与前景

湿地水文过程对湿地形成、发育和演化起到了至关重要的作用,也是湿地保护和修复的关键。稳定同位素技术是湿地水文研究的有效工具,探讨了稳定同位素技术在湿地水资源性质与来源识别以及湿地水文循环研究等方面的应用,指出了当前应用中存在的问题,如缺乏湿地水文过程的系统性机理研究等,展望了稳定同位素在湿地水文中取样方法上的创新改进与人类干扰对湿地水文过程影响研究的应用前景。     

干旱区土壤植被系统恢复的生态水文学研究进展

干旱区约占地球陆表面积的40%以上,所支撑的复杂多样的生态系统是全球陆地生态系统的重要组成,水是干旱区诸多生态系统过程的驱动力和关键的非生物限制因子。生态水文学作为新兴的交叉学科,为客观、全面地诠释干旱区植被与土壤系统相互作用与反馈机理提供了新的理念和途径,同时,也为干旱区以植被建设为主的生态恢复实践提供了理论基础。以沙坡头沙漠研究试验站在腾格里沙漠东南缘荒漠化草原和草原化荒漠过渡带的长期定位监测研究为例,分析、综述了我国在干旱区生态水文学研究领域所取得的主要成绩和相关进展,重点讨论了沙地植被从组成、结构和功能群演变等多层次上对土壤生态水文过程的响应,以及植被对土壤环境和水循环的长期反馈作用和调控机理;将生物土壤结皮首次作为影响植被-土壤系统水文过程的重要环节来考虑,对其发挥的生态水文功能的相关研究进行了总结;归纳了基于水量平衡的干旱区生态恢复理论模式及其在实践中的应用。     

湿地水文过程与植被响应研究进展与案例分析

生态水文学是20世纪90年代兴起的一门研究生态过程和生态格局水文机制的新学科。湖泊湿地作为中国5大类天然湿地类型之一,湖泊湿地生态水文学的研究业已成为生态水文学的研究的一个重要对象和分支,其核心在于研究湖泊湿地生态系统中多时空尺度的水文与生物格局、过程的耦合特征及其相互作用。论文首先概述了湖泊湿地生态水文学的研究进展,包括其基本理论,内涵、外延及其主要研究内容;凝练了湖泊湿地生态水文学研究的方法体系、思路及框架;针对目前湖泊湿地生态水文学研究中存在的问题及薄弱环节,提出了湖泊湿地生态水文学未来研究的发展趋势和亟需加强研究的重点方向。在此基础上,以长江中游的典型通江湖泊湿地——鄱阳湖湿地为例,通过开展的湖泊湿地生态水文过程与模拟研究的典型案例,阐述了鄱阳湖湖泊湿地生态水文过程的变化及其植被响应研究的最新进展和研究成果。论文对于构建涵盖湖泊湿地水资源、湖泊湿地生态景观格局与流域管理、湖泊湿地生物多样性保育以及湿地资源可持续利用与生态管理等方向在内的战略研究体系,完善湿地生态水文研究与流域生态与管理的技术支撑体系具有重要的指导意义和实践价值。     

稳定性同位素在干旱区生态水文过程中的应用特征及机理研究

本文重点阐述了稳定性同位素18O和D在生态-水文过程研究中的研究进展,主要包括植物水分来源与比例、土壤水分动态变化与植物根系吸水、干旱区水分转化与补给等方面的研究成果。并针对我国干旱区生态水文过程研究中的具体问题,指出在今后应加强利用稳定性同位素技术在荒漠植被不同水分来源识别、植物水-地下潜水-土壤水-大气降水的转化过程、干旱区降水对不同尺度范围土壤水分和地下潜水的转化补给、具有水力提升和逆水力提升功能植物识别等方面研究中的应用。     

基于网络分析的湿地水文关系研究——以美国奥克弗诺基流域为例

湿地与周边水文系统通过复杂的水文过程相互联系和影响,具有整体性和复杂性.研究湿地与周边水文系统相互作用过程和机理,对湿地保护和恢复起着重要的作用.以美国奥克弗诺基(Okefenokee)流域为案例,构建包含沼泽地表水、沼泽地下水、高地地表水和高地地下水4个水文子系统的流域水文网络模型,采用生态网络分析方法中的效用、控制和单位元分析研究水文单元间作用关系.控制分析的结果显示,高地地表水和地下水两个子系统对沼泽地表水和地下水子系统的支持程度达到100％.无论是沼泽还是松林高地,其地表水和地下水之间存在高度的相互依赖和互补性.效用分析结果表明,沼泽地表水和高地地下水之间存在着互利的水文关系.而单位元分析结果显示,沼泽地下水深层渗漏和高地松树生态系统的蒸散过程是袭夺流域湿地系统水资源的重要一环.上述结果表明,生态网络分析方法可以有效地分析水文单元之间的作用过程、描述水文单元之间直接和间接的水文关系,可以用于流域湿地水资源管理.     

基于生态水文学的地下水资源管理研究——以延庆盆地为例

传统的地下水资源管理往往只关注地下水位的变化,而很少考虑变化的水位会对区域生态系统产生什么样的影响。本文在生态水文模拟的基础上提出了一种基于生态水文学的地下水资源管理新方法。该方法耦合土壤水分与地下水位,考虑植物在水分胁迫下的蒸腾抑制机理,通过土壤水分亏缺与植物水分胁迫耦合水文过程与植物响应,进行基于过程的分布式生态水...     

中国沙漠（地）生态系统水文调控功能及其服务价值评估

荒漠生态系统是整个生物圈中分布较广的一个系统,是陆地生态系统中一个重要的子系统。开展荒漠生态系统服务价值研究和评价,对荒漠生态系统重要性认识和管理具有重要的现实意义。本文基于中国沙漠（地）生态系统的生态水文过程、水平衡机理和水文调控功能等,对其在淡水提供、原盐生产、水源涵养和气候调节方面的物质流——水资源进行了核算,结合不同类型生态服务价值通量,初步评估了中国荒漠生态系统在水文调控方面的服务价值。结果表明:中国沙漠（地）生态系统水文调控方面的生态服务价值为每年5 510.05亿元,其中供给服务价值370.42亿元,调节服务价值5 139.63亿元,分别占总服务价值的6.72%和93.28%。     

Runoff separation and eco-hydrological function in the typical landscape zones combining hydrochemical and isotopic tracers: a review

The study on the coupling relationship and hydrology mechanism between ecosystem and hydrological process in a basin has recently become the international research frontier in hydrology.Runoff separation is still an important subject and possibly cutting edge process in hydrology.This paper summarizes the progress of national and international research,and comments on the advantages and disadvantages of recent,diverse base flow separation methods.This paper also presents research on hydrological process and eco-hydrological function in different landscape zones,combining isotopic technology with hydrochemical methods.Based on the runoff separation of different water bodies,this paper probes into the coupling relationship and hydrology mechanism between ecosystem pattern and eco-hydrological process,and makes analysis on water conservation,regulation and storage mechanism,and eco-hydrological function in different landscape zones.This report also examines future trends in research on hydrological process and eco-hydrological function in mountainous areas.     

Research advances in eco-hydrological process and function

Present studies on the coupling relationship and hydrology mechanism between basin ecosystem and hydrological process has become an international research frontier in hydrology. This paper investigates this coupling relationship, and also summarizes research and presents a method of combining isotopic technology with hydro-chemical methods, for the study of eco-hydrological process and function in different landscape zones. We then examine research trends for future direction and development of this field.     

流域生物地球化学循环与水文耦合过程及其调控机制

流域生态系统的水文和生物地球化学循环通过水文通量的物理作用紧密耦合,其时空尺度的物质和能量耦合为流域生物地球化学过程的物质平衡和能量流动提供重要基础。通过研究流域尺度生物地球化学循环—水文耦合过程,将更加深刻揭示水循环驱动下陆地—水生生态系统碳氮循环与人类活动及气候系统的生物学、物理学和化学过程的耦合机制。本文综合阐述了流域生态系统的时间、空间以及时间—空间尺度的生物地球化学循环与水文耦合特征,揭示营养元素循环在时间—空间尺度上的耦合特征,通过大气、陆地、河流、河口和海洋系统形成了一个连续体并由水、气体和气溶胶通量进行物理连接;分析流域营养物质的生物地球化学循环与水文耦合过程随着时空尺度在大气—陆地界面、陆地—河流界面以及河口—海洋界面的耦合变异性;最后通过流域生态化学计量特征及水陆交错带对营养物质输出的调控分析耦合过程的生物学调控机制,以提高对流域景观水平的生态水文、生物地球化学和生态动力学的理解。     

中国生态水文学发展趋势与重点方向

生态水文学是一门新兴的交叉学科,发展和完善其理论体系和技术方法等对促进中国山水林田湖草系统保护与修复,推进生态文明建设和绿色发展具有重要理论和实践意义。本文阐述了生态水文学发展历程和挑战性问题;结合学科前沿和国家需求,提出了生态水文学在中国的发展战略,主要包括：生态水文综合观测的新技术新方法、生态水文学机理和基础理论、以陆地和水生生态水文过程为核心的多尺度多要素综合模拟与集成、以及生态水文与社会科学的融合等;在此基础上,也提出了中国生态水文学具体发展方向,如多源信息融合与综合观测网络、关键要素的时空格局及其演变特征、综合模型与不确定性、多学科交融研究等;最后提出了中国生态水文学在山水林田湖草及城市等共同体修复和保护中的应用前景。     

陆面水文—气候耦合模拟研究进展

陆面水文过程是全球/区域气候模式十分重要而又十分薄弱的环节。本文通过科学文献计量法,分析了陆面水文—气候耦合研究的发展状况及研究热点和趋势,并进一步对研究中存在的问题和挑战进行综述和探讨。现有多数气候模式中的陆面模式主要基于一维垂向结构设计,缺乏对流域尺度水文过程的精细描述,尤其缺乏下垫面人类活动影响的描述。因此,为了科学认识水文过程与气候变化的相互反馈作用机制,大量研究主要通过耦合流域水文模型与气候模式,研究不同时空尺度下水文过程变化的气候反馈效应。陆面过程模式中水文过程的改进和大尺度水文模型发展为陆面水文—气候耦合模拟奠定基础,在此基础上,陆面水文—气候耦合研究正从传统的单向耦合研究逐步发展为考虑气候—水文反馈的双向耦合研究。然而,双向耦合研究远未成熟,其问题集中表现为陆面水文—气候模型耦合过程如何匹配并提高系统稳定性、研制有效的尺度转换方案、完善参数化方案并评估参数不确定性、研制有效参数移植方法并提高模型适用性以及高分辨率甚至超分辨率模拟等方面,逐步解决上述问题并提高模拟精度是未来水文—气候耦合模拟研究的重要发展方向。     

扎龙河滨湿地水系统脆弱性特征及影响因素分析

在总结分析国内外水资源脆弱性研究成果的基础上，提出了湿地水系统脆弱性概念，湿地水系统脆弱性表征了在湿地水文-生态系统耦合演化背景下水系统的生态水文功能满足程度，并以著名湿地-扎龙湿地为靶区，分析了湿地水系统脆弱性内涵和特征，详细讨论了降水量、气温、土地开发、水利工程建设及工农业污染对扎龙河滨湿地水系统脆弱性的影响，相应提出了减轻脆弱性程度的扎龙湿地水系统恢复措施和管理建议。     

森林水文学研究综述

本文从近年森林作用讨论入手,回顾了20年代以来森林水文各领域所取得的成果。     

湿地水文学研究进展及科学前沿问题

湿地水文过程控制湿地的形成与演化,湿地水文情势制约着湿地环境的生物、物理和化学特征,从而影响到湿地类型分异、湿地结构与功能,湿地水文研究是认识湿地生态系统的结构、过程与功能的主要内容。湿地水文情势分析涉及湿地的降雨-径流、湿地蒸散发、湿地地下水运移等主要过程。湿地水循环及水量平衡是湿地水文情势和过程研究的综合,关系到湿地水文循环过程的各个方面。湿地水文过程、边际效应和参数特征及对不同尺度水周期的响应与功能差异等是现代湿地水文研究的重要科学问题。