地球科学学科前言丛书·生态水文学

第一章  学科特点与战略地位

以生物圈和水文圈相互作用关系与机理为研究对象的生态水文学，在不同尺度和层次融合了生态学和水文学的理论与方法。现阶段，国际上生态水文学的主要研究领域分为三方面：①流域或区域水文循环中的生物作用，研究陆面生态过程如何影响流域或区域的水文循环过程；②生物（生态）过程的水文作用，包括流域或区域水文过程变化对生态系统分布（格局）与功能的影响；③关注生态系统稳定和安全的水分阈值，研究区域内各种生态系统的水资源需求和水消耗规律。生态水文学学科发展需要解决三方面难题：①围绕生态水文学科学的本质认知、统一的研究技术方法，拓展理论体系与学科范式；②系统解决水文与生态变化的互馈作用，以及水与生态系统相互关系的尺度问题；③充分发挥水资源管理决策中的生态水文学作用。本章主要介绍了现阶段生态水文学的学科特点与主要内容、生态水文学的学科需求、生态水文学学科的战略地位。目前生态水文学学科体系正在蓬勃发展中。作为一门应用性很强的交叉学科，生态水文学学科发展对实现我国社会经济可持续发展战略目标具有广泛而深远的意义与价值。

第一节 生态水文学的学科特点与主要内容

一、生态水文学的内涵与范畴

生态水文学的概念尚未形成统一的界定。Hatton 等（1997）给出的生态水文学定义是指，在一系列环境条件下探讨诸如干旱地区、湿地、森林、河流和湖泊等对象中的生态与水文相互作用过程的科学。联合国环境规划署（UnitedNations Environment Programme，UNEP）给出的定义为：生态水文学是生态学和水文学交叉的次一级学科，研究分析水文过程对生态系统分布格局、结构和功能的影响和生物过程对水文循环要素的作用（Zalewski，2003）。从更加广泛的角度来说，生态水文学可以认为是研究有关生物圈与水文圈之间的相互作用及由此产生的水文、生态、环境问题的一门新兴学科。因其内涵和研究思想很好地融合了当前人类社会可持续发展中面临的诸多生态安全、环境安全、水安全等方面的学科需求，近年来迅速发展，在多种生态气候和地貌类型区域开展了应用研究，并在应用中不断完善和发展（王根绪等，2001；夏军等，2003）。由于缺乏对生态水文学范式和结构的统一认定，现阶段大多数研究者认为需要关注下列五点：①重视生态 - 水文相互作用的双向机制和反馈机制；②强化对基础过程的理解，避免简单建立没有因果关系的函数（或统计学上） 关系；③在学科领域方面涵盖全部（自然或受人类影响的）水生、陆生生物及其生境，乃至动植物群落和整个生态系统，关注水、碳循环这两个关键过程对植物个体、群落乃至生态系统的影响研究；④加强水与生态交互作用过程的时空尺度研究，包括水文学和生态学的尺度，但要比水文学和生态学更强调对尺度问题的依赖性；⑤完善跨学科的技术方法研究，进一步集成与发展水文学、生态学、植物学、地理学和环境科学等学科的理论与方法体系（Hannah et al.， 2007a）。

从学科发展的历程看，生态水文学是生态学和水文学的新兴交叉学科，侧重于研究陆地表层系统生态格局与生态过程变化的水文学机理，揭示陆生环境和水生环境植物与水的相互作用关系，回答与水循环过程相关的生态环境变化的原因与调控机理（Rodríguez-Iturbe，2000）。在淡水资源短缺、水质恶化和生物多样性减少等全球环境问题的背景下，它试图寻求环境友好、经济可行、行之有效的淡水资源可持续利用方式。整体上讲，生态水文学以水文学和生态学为理论基础，包含生态水文过程与生态水资源两个方面，是一个理论与实践相结合的学科体系。因此，其学科体系就有了生态学和水文学两方面兼顾的特色：①依据生态系统分类及其对应的生态水文学问题，生态水文学分为森林、草地、农田、荒漠、湿地、水域等生态类型的生态水文分支学科，如森林生态水文、草地生态水文、农田生态水文和湿地生态水文等；②依据水文学领域的水循环关键水体分类，分为河流、湖泊（水库）、海洋（滨海）、地下水等生态水文学分支学科，如河流生态水文学、湖泊生态水文学、滨海生态水文学及生态水文地质学等；③从水文与水资源利用与管理角度，还有流域生态水文学、生态水力学等分支学科。生态水文学理论在生态学和水文与水资源学科领域的不断渗透，新型交叉边缘的生态水文学分支学科不断涌现，推动着生态水文学学科内涵不断丰富和发展。因此，综合联合国教育、科学及文化组织（简称联合国教科文组织）- 国际水文计 划（United Nations Educational, Scientic and Cultural Organization- International Hydrological Programme，UNESCO-IHP）、国际水文科学协会 （International Association of Hydrological Sciences，IAHS）及相关国内外学者们的定义与概念认为：生态水文学是一门研究水与生态关系及水生态安全和水管理的应用基础学科，它研究水文与生态系统相互作用关系，揭示生态格局和过程的水文学机理；通过对水、生物多样性、生态服务、气候变化弹性和文化等多维管理，增加全球及陆海生态系统的弹性，达到维系生态和人类发展的可持续性的目的。因此，生态水文学也是一门以自然过程作为管理工具加强广义景观生态服务（如海岸、城市、农村等）的综合交叉学科（夏军等， 2018）。

二、生态水文学研究的主要内容

21 世纪以来，国际上生态水文学的研究范畴可以归纳为四个主要方向：①流（区）域水文循环过程中生态与水文相互作用与影响，包括河道内水生生态系统及河道外陆地生态系统对河流水文过程的作用；②水文过程变化对生态系统分布（格局）与功能的影响，包括水分条件制约下陆地和水生植物群落的结构、时空格局与功能变化，河流水文情势控制下河湖水生生态系统的结构、格局与功能变化等；③陆面生态水文过程对陆 - 气耦合关系与大气过程的影响，包括陆气相互作用及陆地系统对气候的改变和气候对陆地系统的改变两个方面；④流域生态水资源管理，包括不同水供给情况下生态水分胁迫的响应机理，关注生态系统稳定和水分安全阈值，以确定生态需水量和生态安全的水分条件为主要内容，是现代流域管理的核心。生态水文学主要研究内容与分支学科如图 1-1 所示。

（一）生态系统变化对水文过程的影响

1.生态 - 水相互关系

生态 - 水相互关系包括植物个体的水分行为（水碳耦合过程、水分利用策略）、群落尺度的水分分配与利用、生态系统尺度的水碳关系与水循环作用、景观或流域尺度的水文过程影响等。随着人们对大气 - 植被 - 土壤系统水分交换和传输过程的深入理解，认识到陆地生态与水循环之间存在复杂的能水交互影响。植被生态系统不仅仅是简单的水分再分配和蒸散发，而是通过影响地表能量物质循环，对气候系统具有反馈作用，并对区域水循环具有一系列连锁作用。随着全球变化研究不断深入，人们逐渐发现陆面- 植被 - 水 - 大气系统中的反馈互为相关，不仅决定流域、区域能水平衡，还与全球气候系统密切关联，是全球气候变化中不可忽略的重要影响因素。陆面- 大气相互作用通过两条错综复杂的途径（生物物理途径和生物地球化学途径）发生。动量、辐射能量和感热代表了生物物理传输，而CO2 和多种微量气体则与发生在植物或土壤表面的生物地球化学活动相关联。

图 1-1 生态水文学主要研究内容与分支学科据 Turner 等（2006）改绘

2.陆地生态系统水循环及其流域水文影响

陆地生态系统参与水循环过程的多个方面，在垂直方向上的大气 - 植被 - 土壤水分交换过程，如蒸散发和入渗环节，尚未在基于植物水分机理的蒸散发准确量化与模拟方面取得突破，也无法准确识别流域尺度生态系统在降水入渗及其向土壤水和地下水转换中的作用。这是水文学与陆面过程研究前沿领域最具挑战性的难点之一（Jasechko et al.，2013；Coenders-Gerrits et al.，2014）。在流域产汇流过程方面，生态系统对坡面或流域尺度产流和流域汇流过程等的作用，由于其复杂性和高度的时空变异性，始终是流域水文分析、精确预报与模拟的不确定性根源和理论瓶颈（Ivanov et al.，2015）。目前认为森林对水循环的影响因地域、森林类型及森林管理方式等的不同而存在差异，一个地区所得的结果不能作为森林生态系统水文功能的普遍规律应用到其他条件不同的地区。生态 - 水文互馈作用过程的复杂性，其实质就是如何正确辨析和量化生态系统碳固持量的变化对水循环的影响方式、程度及其动态过程，也就是生态系统关键的水碳耦合循环过程。大多数宏观结果认为，追求过多的生态系统碳储存就促使大范围高效固碳植物的分布和保持或增加木本植物生产力，但这种土地覆盖结果往往导致流域的水供应（产流量）下降。这是一个基于统计得出的规律，全球普遍性尚有待进一步的检验。

3.土地利用与覆盖变化的水文效应

土地利用与覆盖变化的直接结果是改变了生态空间分布格局，不仅对陆地水循环通量产生较大影响，还改变了水循环路径。同时，这种变化也被认为是导致陆地生态系统营养物质大量流入水体，从而产生水体富营养化的主要因素。城市化形成特殊的城市生态格局与水循环下垫面，产生特殊的自然- 人工水循环过程，同时产生城市内涝等不良水文问题，也由此引发了“海绵城市” 的城市生态水文理论和实践问题。

（二）水文过程变化对生态系统的作用

大量观测与研究表明，从区域到全球范围，降水都深刻影响着植物群落的空间分布和时间动态。通常降水越丰沛的地带，其物种越丰富，群落组成的空间变异越显著（Hawkins et al.，2003）。沿纬度梯度的水分、热量与物种多样性数据分析表明，水分可利用性是植物物种丰富度的关键驱动因子，其中在热量充足的温暖地区，物种丰富度对水分的依赖尤为显著。而在热量输入较低的寒冷地带，物种丰富度则由水热共同决定（van der Maarel，2012）。在北方荒漠植被带，物种丰富度与降水量和土壤水分呈显著正相关关系，也证实了在水资源限制的生态系统，群落物种组成与多样性对降水的年际变异更为敏感（Jones et al.，2016）。除平均形态（如年均降水量）的变化，降水的季节和年际变率增强、极端降水事件增加等也对生态系统有较大影响（Bai et al.，2008；於琍等，2012）。

河流及河岸带生态系统统称为河道内生态系统，包括淡水湖泊和湿地生态在内，是淡水生态系统的主要组成部分，它们与水文过程的关系最为直接和显著。水文情势决定了河流可以输运泥沙的类型和数量，也决定了河道沉积物的侵蚀或堆积程度，控制着泥沙、有机物及水化学组分在水体中的通量，进一步影响河流、河岸带、河口湿地生态系统的生物类型、丰富程度及生物量生产力。河流的渠道化和裁弯取直工程彻底改变了河流蜿蜒型的基本形态，急流、缓流相间的格局消失，而横断面上的几何规则化，也改变了深潭、浅滩交错的形态，生境异质性降低，水域生态系统的结构与功能随之发生变化，特别是生物群落多样性随之降低，导致流域淡水生态系统退化。过去 30 年间，部分河流本土水生生物种群数量减小甚至消失，缘于大坝修建或大规模引水等人类活动引起的河流水文过程变化。这是生态水文学研究最早涉及的领域。

河流水利工程导致的水文情势及水化学性质变化，是河口湿地生态系统发生显著退化的主要根源之一。我国在 20 世纪 80 年代以前入海泥沙总量年均近20 亿吨，至 20 世纪末降至不足 10 亿吨，河口三角洲海岸岸滩在新的动力泥沙环境条件下发生新的冲淤演变调整，过去淤涨型河口海岸大多出现淤涨速度减缓或转化成平衡型甚至侵蚀后退型，湿地面积大幅度减少（Li et al.，2009）。流域中上游水资源利用对下游水文过程的剧烈改变，也会导致下游出现区域性生态环境退化，典型案例之一是我国西北干旱区在 20 世纪 70 年代以后出现了重大环境问题：伴随中上游发展，下游天然生态系统持续大幅度退化、土地沙漠化现象加速（陈亚宁等，2003；王根绪等，2005）。

（三）水 - 生态 - 社会耦合与流域水管理

人类活动正在成为或已经成为驱动水循环、水平衡的主要动力，全球范围内已经很难找到不受人类活动影响的流域，传统社会经济发展往往挤占了生态与环境用水，不同程度上引起流域生态系统格局、过程与功能发生变化；自然生态与环境变化反过来对流域人类社会发展产生负反馈。流域水循环与水文过程在量与质两方面，受生态系统过程及其服务、人类社会发展的深刻影响；反过来，流域水文过程是生态系统格局与服务、人类社会发展状态的主导因素（图 1-2）。在流域尺度上，生态安全维持 - 经济社会发展两者间的水关系协调是流域管理的重点。过去把人类生产和经济活动对流域水文过程的影响视作人类活动影响的主体，因而在一段时间内强调了流域水- 生态- 经济复合体的系统性研究和三者间水资源的综合分析，并认为流域水- 生态- 经济协调发展的耦合关系以建设流域生态经济带为目标，以协调流域生态建设、经济社会发展、水土资源优化配置为重点（方创琳等，2004）。随着人类社会可持续发展对生态安全的需求不断加强，构建流域水 - 生态 - 经济社会耦合与协调发展模式，成为流域管理的基础。流域生态系统功能，特别是其服务功能的实现，取决于生态系统的水文效应或是生态系统的水功能是否得以体现；而流域淡水资源的形成与可持续利用也取决于流域内生态系统的健康和稳定。流域生态水文调控强调系统性（山水林田湖草）、完整性（生态系统）和连续性（河流），其目标是达到流域尺度生态水文系统与经济社会系统协调、健康可持续，人与自然和谐。

图 1-2 流域尺度水 - 生态 - 社会耦合系统与水资源管理

（四）陆 - 气耦合与反馈中的生态水文过程

陆地系统下垫面与气候的反馈作用是生态水文学学科研究的重要基础与内容，包括陆地系统对气候的改变及气候对陆地系统的改变两个方面。从陆地系统改变影响气候方面，植被的蒸散发会增加大气的湿度、加速大气中水汽的迁移，进而增加当地及顺风方向地区的降水量并最终增加径流量。森林的蒸腾作用（增加大气的水汽）及降温作用（cooling effect）会增加大气的相对湿度，Ellison 等（2012）认为应从降水来源的角度（“供给”或 supply side）来认识蒸散发，而不是把它作为径流量的一种损失（demand side）。然而这种由蒸散发增加的大气水汽，何时、何地、用何方式变成降水就有非常高的不确定性， 但普遍认为它们可能与流域大小、地形、风向及风速等因素有关。尽管下垫面的改变与气候的反馈影响产流量，但世界范围内的配对流域实验一致证明森林砍伐会增加径流量，而造林会降低径流量这一结论，说明这种反馈还不足以在小流域尺度上改变水量平衡中各主要项的关系。

相反，从气候改变陆地系统方面来讲，气候也可以改变下垫面植被进而影响水文过程。气候变化使物种向北迁移，植被结构组成、生物多样性改变，林线上移，进而改变了陆地系统的蒸散能力，并最终影响生态水文过程及其时空格局（Koeplin et al.，2013；Duan et al.，2017）。例如，Koeplin 等（2013）在阿尔卑斯山的研究发现，林线的上移增加了森林覆被率，其对蒸发与土壤湿度有季节性的影响，但对年径流量影响很小。然而，Hemp（2005）发现气候变化导致的冰川消融（retreat）的加速能增加森林火灾并使林线下移。针叶林林线的升高会影响水资源及气温并进一步使林线上移（Grace et al.，2002）。总之，有关陆地下垫面植被改变与气候的相互作用及反馈的研究，虽然在近些年来受到更大的关注，但许多科学问题并未得到解决，是未来生态水文的重要研究方向之一。

第二节 生态水文学的学科需求与科学意义

一、生态水文学理论体系与学科范式的发展需求

生态水文学发展所面临的重要挑战在于缺乏一个体系化的理论范式来聚焦学术界的认识（Newman et al.，2006；Wood et al.，2007）。现阶段还缺乏生态学与水文学理论体系的融合与提高，特别是水文学的发展需要更多基于生态学认知的推动。例如，发展基于生态系统碳循环来表征水文过程的量化范式，对于提高水文模型的识别精度是一个值得探索的途径；森林水文学中有关径流影响的问题，部分原因可以归咎于对森林水文循环缺乏系统和全面的认识。水文学家往往从水文学视角来认识并习惯于用水文学已有的理论体系去尝试分析和解释观测到的森林水文现象。推动生态水文学理论体系的发展，并不是简单地把水文学和生态学叠加，而是交叉性学科范式更高层次的凝练。只有形成自成体系的理论、方法，才能有效地用于解决人类社会发展中面临的诸多生态水文问题。因此，生态水文学所面临的重要发展问题，就是要推动其理论体系和研究范式的形成与发展，这需要一种真正的跨学科（而不是多学科）的研究方式，通过集成生态学和水文学两方面已有的认识和理论体系，围绕生态水文学科学本质的认知和统一的研究技术方法，开展水生态之间相互关系机理的系统研究和综合理论集成。

一些生态水文过程研究存在技术和方法论上的困难，如缺乏陆面生态过程要素中水文关键数据与信息积累，包括植被的结构如何影响其对降雨和降雪的截留作用、土壤水分的有效性和水汽压差如何控制不同植物功能性组分的蒸腾作用、植被 - 土壤 - 大气界面水分交换等。另外，还需要面对水文与生态多过程的尺度问题，推进生态水文学学科建设与发展。因此，需要探索和研究以下几方面的难题：①生态系统对水文变化的敏感性和适应性及二者的相互作用与反馈，解决这一相互依赖问题的程度决定着生态过程与水文过程的融合程度；②从群落到全球等不同尺度上水与生态系统的相互关系，将水文过程的尺度依赖性与生态过程的尺度统筹起来，是揭示生态水文学诸多现象本质的重要途径；③生态与水文耦合系统对变化环境（如气候变化、人类活动）的响应及其对生态与水文过程的作用，即识别环境、生态、水文三者间的互馈机制，揭示大气圈、生物圈和水圈间的相互关系；④流域生态水资源管理与区域生态恢复的生态水文学范式，这是生态水文学理论必须要解决的人类圈问题。

二、水文与生态变化的互馈作用

在生态学领域，有关水分胁迫的生态响应问题的研究较多，但是在水分胁迫的脆弱性和适应性机理方面，认知还十分缺乏。水分的生态胁迫具有来自水分运动所产生的随机性和不确定性，具有高度的时空变异性，如何在水分胁迫生态过程中考虑这种作用，是该领域需要关注的关键科学问题之一。响应生态系统变化的水文敏感性，可以视为上述问题的逆过程，是近年来水文学领域非常活跃的方向。在水文学领域，宏观尺度上对于土地利用与土地覆盖变化的水文过程影响研究相对较多，在几乎所有的现代分布式流域水文模型中，对植被覆盖与土地利用情景都给予了参数化表达。但植被覆盖对区域尺度的降水格局是否有影响尚无定论。有一种观点认为，植被退化导致空气湿度减小、反照率增大及可能形成的强风等都会减少降水量（Ryszkowski et al.，1997），长期效应会导致总降水量和降水格局变化。另外也有研究认为，在中低降水量和高温地区，森林植被减少将会导致水循环不稳定，增加干旱和洪水发生频率，还会引起荒漠化和水资源减少（Harper et al.，2008）。

植物的水碳交换是其生理活动最基本和最重要的过程，从植物叶片、植物个体、群落乃至生态系统，不同尺度上的水与生态过程存在十分密切的相互作用关系，这种作用关系的宏观表达决定了区域和流域尺度水文与生态过程的互馈作用（Law et al.，2002；赵风华等，2008），这种关系既奠定了生态水文学的学科理论基础，又存在基于学科体系解决二者复杂互馈关系的迫切需求。准确评估水文过程对生态过程变化的敏感性及其在不同尺度上的反应，既存在时空尺度的限制，也存在不同水文地理和水文气候条件下生态水文作用过程可比性观测数据的限制，同时对大部分生态系统水循环过程尚缺乏相对精确的观测技术手段和数值分析方法。上述问题促使水文及生态学家认识到水文过程与生态过程间存在密切的互馈作用。尤其是辨析水文循环中的生物作用机理，对于推动水文科学理论和精确模型的发展至关重要。

三、水与生态系统相互关系的尺度匹配及意义

尺度问题广泛存在于水文学和生态学领域。为了有效地将水文过程、生态过程及大气过程联结起来，需要对各自的参数、变量的表征尺度进行合理协调，使之能在大致相同的或可以耦合的一种尺度下进行分析。Meisel 等（1998） 认为，流域尺度对于生态水文学而言是一个非常重要的协调尺度，流域研究应该提供两种尺度的过程变量或参数及其耦合方式，一种尺度是基于景观尺度以内的生态过程和水文过程变化观测与模拟，如水文过程通常以坡面尺度和集水单元尺度为核心，实现以精准观测为依据的过程模拟和预测；另一种尺度是以流域尺度为基础，用于生态过程和水文过程相集成的观测和模拟，核心在于把景观尺度的耦合过程在流域尺度上进行集成和综合。生态过程特征，大多数情况下可以依据生物个体、群落水平与基于试验样地或样带的生态系统尺度来揭示；而大部分水文过程特征则依赖于样地、坡面、集水区或小流域（亚流域）尺度来识别。因此，基于试验样地的坡面、集水单元或亚流域是连接生态学和水文学研究的理想尺度，是进行生态水文研究可以观测和模拟的尺度范围。问题的关键是如何将基于植物个体甚至叶片尺度的水分行为与生物生理学机制在样地、坡面或亚流域尺度整合（赵风华和于贵瑞，2008；Kool et al.，2014）。但在更大尺度上，如流域尺度或区域尺度，将水文过程与生态过程进行耦合分析，并与气候变化相关联，缺乏可行的观测手段和模拟方法。采用同位素化学分析方法及基于区域气候模式驱动的大尺度生态模型等，可以近似估算大流域或区域尺度的蒸散发过程，但其存在的较大不确定性限制了其有效性和实用价值（Jasechko et al.，2013；Coenders-Gerrits et al.，2014）。

水文学和生态学的尺度都包括过程尺度、观测尺度和模拟尺度，只有当 3 种尺度相对应时，生态过程与水文过程才可以在观测和模型中得到理想反映， 两者间的耦合关系才能够被准确揭示。现阶段，基于生态或陆面过程模型模拟是在较大尺度上实现生态过程与水文过程耦合分析的唯一可行方法，这种大尺度陆面生态水文过程模型和宏观尺度的天气动力学模型的结合使预测气候变化对区域水文水资源、生态系统的影响成为可能。但如何在流域、区域或全球尺度上把陆 - 气- 生系统间相互作用有效结合起来，发展多尺度融合的陆气和生态水文耦合的模型，成为陆面过程研究、生态及水文学急需解决的关键问题之一。

四、流域水资源管理与可持续利用

在全球范围内，平衡人类和生态环境对水资源的需求是一个非常紧迫的任务。人类对淡水资源的开发利用产生了日益严重的环境和生态问题，如何科学管理淡水资源并维持流域的健康可持续水资源利用与水安全成为人类社会发展面临的重要问题。流域内水文过程控制着流域水文动态、水力情势、生物地球化学循环、沉积物和营养物质的传输与迁移转化等过程，不仅决定了流域河流系统水生生态系统的结构与格局，还主导着河口与洪泛区生态系统的演化过程。只有定量确定流域或区域尺度或流域某一河段范围内生态系统维持其基本健康和安全的水资源最低需求量与适宜水资源配置，才能推进流域水资源在生态、社会和经济等需求间的平衡与可持续管理（Wood et al.，2007；Harper et al.，2008）。

河流系统的生态维护与水资源可持续管理是一个复杂的系统工程。在传统以单一或少数关键物种作为河流生态管理目标的基础上，现阶段人们更加关注以地域特异性为基础的生物群落的高度多样性，并尝试建立多种有价值的河流生境适宜性变化曲线，为流域科学管理提供决策依据（Harper et al.，2008）。流域或区域水资源可持续利用与管理，不仅需要发展流域尺度上可以覆盖大部分生态系统的复杂生态响应模型和更加完整的流域水文模型，还需要将生态过程的物质与能量传输、水文与水环境状态及区域或流域经济社会发展三者有机结合起来。同时，考虑经济社会发展与流域水文生态系统的相互关系，建立水文 - 生态 - 经济耦合的流域生态水文响应决策支持系统，是未来流域水资源管理决策领域重要的发展方向（Wood et al.，2007；Harper et al.，2008）。

第三节 生态水文学的学科战略地位

生态水文学涉及多学科融合，是一门联结生态学和水文学的交叉学科，并将环境科学的不同分支联系起来（Eagleson，2002；Rodríguez-Iturbe et al.，2007）。研究范围上，从最开始局限于水生生态系统，逐渐转向陆地生态系统，特别是近几年对于脆弱地区，如干旱地区、高山地区等，生态水文学专家都给予了极大的关注；研究尺度上，生态水文学越来越重视全球变化下的生态水文整合研究；研究对象上，生态水文学逐渐从径流水资源的“蓝”水（“blue”water）研究转向探索生态水文及其蒸散发联系的“绿”水（“green”water）研究，生态需水量的计算越来越受到人们的重视。因此，生态水文学作为日趋完善的独立学科，正在不同尺度上对人类社会发展产生重要的科学影响。

一、生态水文学在水文学发展中的地位与作用

水文循环过程准确认知的关键是对水循环生物圈方面作用机理的深入理解，一切基于物理机制的水文模型面临的最大挑战也在于对水循环生物圈方面过程的定量刻画。水文模型在过去 20 年间得到了迅猛发展，尤其是分布式水文模型的不断发展，为水文科学的准确模拟和预测提供了基础。然而，迄今， 水文模型发展中面临两大难题：①植被过程参数化和尺度效应；②陆地植被及其密切相关的土壤性质的空间高度异质性，导致水循环生物圈方面的空间变异性。近来大量研究结果进一步揭示，陆地生态系统与大气间复杂的物质与能量交换，不仅仅是简单的单一物质循环，碳、氮和水在陆 - 气间存在复杂的耦合作用关系，而且这种关系在很大程度上决定了水循环的基本规律和演变趋势（Zalewski，2003）。明确区域水循环和其他反馈与耦合因素（如植被和碳氮循环）的相互作用机制，以修正水文模型中对于水循环过程驱动机制的描述和驱动要素的进一步完善，这是将来水文模型发展中需要解决的重要问题之一，其将使传统的水文模型的发展与提高产生革命性的变化。

二、生态水文学在生态学发展中的地位与作用

在植物叶片、个体、群落及生态系统等不同尺度上，存在大致相同的碳- 水耦合的基本作用机制（Anderson-Teixeira et al.，2011）。20 世纪 90 年代中期以来，叶片尺度和冠层尺度的大量研究证明了降水、土壤水分对碳吸收的影响（Anderson-Teixeira et al.，2011）。这些研究的一个最显著进展就是认识到陆地生态系统的碳循环和水循环通过土壤 - 植物 - 大气系统的一系列能量转化、物质循环和水分传输过程紧密地耦联在一起，制约着土壤和植物与大气系统之间的碳 - 水交换通量及二者间的平衡关系。受到水分条件（包括土壤水分）的空间高度异质性影响，碳 - 水耦合关系与作用强度在不同区域的不同生态系统间存在差异（Luo et al.，2008；Hu et al.，2010）。因此，无论是从植物群落、生态系统乃至区域尺度，植被或生态系统生产力与碳循环和水文过程有着十分密切的耦合关系。要解决生态学上的一系列能量、物质形成与循环过程面临的诸多前沿挑战，需要立足于生态水文学理论与方法实现其突破。最近科学研究表明，在群落尺度上，将降水、土壤水、地下水等不同水源利用和物种功能响应指示相结合，可以实现对给定物种群落个体间对气候变化适应性的深入认识。生态系统碳排放的复杂性是由于其具有很多的来源，如树干CO2 通量、根际和微生物贡献、凋落物分解、土壤有机碳分解等。但每个环节的共性在于与水分动态的密切关联性（Gamnitzer et al.，2011），如何准确划分和区别不同源的贡献及其随环境变化的响应，是现阶段生态系统碳汇功能形成与维持机制研究所关注的核心问题之一，这同样取决于生态水文学理论的发展。实际上，这些需求既是生态水文学产生与发展的源泉，也是生态学发展的重要方向。

从生态学学科分类的多个子学科体系的发展来看，生态水文学在大部分生态学的亚学科体系中起着重要作用。例如，生态系统生态学中的湿地生态系统生态学、生态学中重要的分支学科水生生态学与湖泊生态学等是生态水文学诞生的学科基础，但生态水文学在多尺度上生态系统 - 水之间相互作用关系等方面的发展，反过来已经成为推动这些学科发展的重要驱动力。特别是在陆地 - 水域界面物质与能量传输、变化环境的水生生态系统响应与湖沼生态健康维持等生态水文学理论方面，对于推动这些学科发展起到了重要作用。在生态工程学领域，近年来日趋活跃的污水处理和资源化生态工程、林农综合经营生态工程、城镇发展生态工程与城市生态工程、海岸带防护与海滩生态工程及荒漠化防治生态工程等，无一例外都是生态水文学中重要物质（如污染物、生源要素、泥沙等）和能量转换理论技术体系的实践应用。同时，生态工程学的发展也不断丰富着生态水文学在生态水力学、生态水环境学等分支学科的理论内涵。在恢复生态学领域，有一个普遍性的生态退化过程负反馈理论：环境变化（自然因素或人为活动）延缓植被覆盖表土结皮损失→降低水分渗透并增加径流→降低土壤可供植物生长的水分和土壤养分→减少植物生产→减少土壤有机物输入→降低土壤肥力和土壤微生物活性→土壤结构退化→增强土壤侵蚀和水土流失→进一步加剧生态系统退化（任海等，2008）。由此可见，生态水文之间的互馈作用贯穿始终。因此，恢复和保存生物多样性、维持或提高生态系统生产力与自然资本，关键在于构建适于稳定生态功能组群的非生物环境条件， 这是生态水文学最具优势的领域。总之，生态水文学源于生态学的一些重要学科分支，但在生态学及其多个分支学科发展中具有独特且核心的驱动作用，占据十分重要的地位。

三、生态水文学在全球变化研究中的作用

全球变化研究中涉及气候变化与反馈、大气成分变化与影响、土地利用与覆盖变化、荒漠化等领域，生态水文学理论与方法在其中起到关键的作用。气候变化广泛影响陆地生态系统。一方面，大气降水格局变化直接改变由生态水文耦合关系制约的生态系统结构、分布与时空动态；另一方面，陆地生态系统结构与格局变化通过改变水循环路径（如截留、蒸发等）影响陆地水文过程， 并通过改变陆气能量与水分交换而反馈于大气过程。陆地生态系统碳氮循环与水循环紧密关联，共同构成生物地球化学循环的主体。水循环过程的主要环节，如降水、土壤水分动态、径流过程及蒸散发，无一例外主导着陆地系统碳氮磷的循环过程。陆面过程释放的粉尘等也与生态水文过程有关联，干旱与半干旱地区干旱和地表裸露形成的扬尘就是主要途径。因此，生态水文过程是大气成分变化的主要驱动力之一。土地利用与覆盖变化是人类活动的主要表征， 也体现着气候变化对陆地植被覆盖的驱动，但土地利用与覆盖变化格局的形成和动态变化与水分供给有关，且同时反作用于水分循环，改变区域或流域尺度的水文过程。

陆地下垫面的变化或土地利用与覆盖变化、气候变化等通常被看作是影响水资源变化的两个最关键的因子。最近的政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）报告中在讨论未来全球变化对水资源的影响时也建议要考虑下垫面改变的影响，而下垫面改变对水文的影响未纳入气候变化对全球水资源的预估中。有研究者综述世界范围内大尺度流域中陆地下垫面改变与气候变异对水资源变化的影响，发现两者的相对贡献相当（Wei et al.，2017；Li et al.，2017）。这说明，在研究与管理全球气候变化对未来水资源的影响时，须考虑下垫面的改变（或植被改变）对水资源的影响（Zhou et al.，2015）。另外，陆地下垫面的变化与气候变异的相互作用及二者在水资源的改变上都有方向性（增加或减少），因此二者在量上和变异方面对水资源变化产生重要协同影响或相互抵消作用（Liu et al.，2014），也有叠加的作用（Zhang et al.，2017；Wei et al.，2017）。但无论哪种作用，对未来水资源的预估及管理都有十分重要的指导性意义。

四、生态水文学与地质灾害防治

山地是地球淡水资源的主要发源地，因其具有较大的绝对高差和相对高度，还是地球上生物多样性最丰富的陆地单元和全球生物多样性保护的重点区域。然而，山地特有的环境和能量梯度使之成为泥石流、滑坡、崩塌、雪崩、土壤侵蚀、山洪等自然灾害的高度发育区。我国是山地大国，同时也是国际上山地灾害最严重的国家之一。山区气候、生态、水文等过程的耦合关系及其变化，是驱动山地表生灾害过程（如泥石流、滑坡、崩塌、土壤侵蚀、山洪等） 的关键因素（崔鹏，2014）。大量研究表明，过去基于均质岩土体的稳定性和灾变理论与方法，不能适用于山区不同生态系统作用下的岩土体稳定性分析， 急需明确山地复杂植被与水循环、岩土体相互作用下的岩土体平衡状态的形成和维持机制。只有从机理上认识生态水文过程及其变化对山坡岩土体力学性质及其稳定性的作用，才能正确辨识山地水文过程和山地灾害过程的变化规律。开展生态 - 水 - 土耦合的山地灾害动力学过程、山地灾害与生态和气候的关系等的系统研究，被认为是发展山地灾害理论与动力学成因机理模型、构建山地灾害风险防控理论与方法的基础（崔鹏，2014）。因此，阐明山区生态 - 水文过程对山地灾害的驱动机制及其分异规律，发展生态 - 水文耦合过程主导的非均质岩土力学理论，是提升山地灾害区域规律研究水平、准确评估山地灾害易发性亟待突破的方向。

五、生态水文学在我国新时期可持续发展中的地位

全球范围内，人类可持续发展面临的最严峻的挑战是环境和发展问题，如水污染、生物多样性减少和土地荒漠化等，其实质都与生态退化和水过程变化密切相关，是生态环境过程与水过程的某种平衡状态改变后向另一种平衡状态转换的外在反映。这种平衡状态的变化既存在于河流 - 湖泊水系统的生态 - 水的界面之间，也存在于陆地生态 - 土壤界面和陆地生态 - 水域界面。如何从机理上认知陆地生态 - 水域界面相互作用，揭示不同尺度上生态 - 水之间的物质和能量交换与传输规律，据此寻求控制水污染、保护淡水生态系统、遏制土地荒漠化等的有效途径，以促进人与自然和谐、保障全球范围内人类社会可持续发展，已经成为区域乃至国家层面可持续发展所关注的核心科学问题。

（一）新时期生态文明建设

我国正处于全社会各方面高速发展的阶段，发展与生态环境保护的矛盾长期存在且日益尖锐。为此，国家从保障可持续发展角度先后制定了一系列政策与措施，如生态屏障保育与建设、重要河流湖泊水域水环境综合整治、黄土高原与长江上游水土保持工程、天然林保护工程及北方“三北”防护林建设、荒漠化防治工程及重要海岸带生态保护工程等。近 5 年来，进一步提出了生态文明建设、海绵城市建设及山水林草河田湖生命共同体绿色发展思路等，其目的是构建可持续发展的生态与环境安全保障体系，实现新时期我国社会主义发展目标。所有这些生态与环境保护工程和可持续发展战略实现的科学基础是生态水文学理论。

水土保持是黄河流域和长江流域长期面临的重要环境与生态问题。经过数十年持续植被恢复与保护、退耕还林还草等生态工程的实施，两大流域输沙量均呈现显著递减态势，特别是黄河流域的水沙锐减成为新的流域管理课题，决定着我国未来治黄方略的制定。两大流域出现的水沙变化具有一定的共性，如大面积退耕还林还草、森林保护和梯田淤地坝及水库建设等，人类活动导致的下垫面剧变是其主导因素。从流域可持续科学管理与水资源合理利用角度来看，迫切需要明确流域生态工程、水利工程与流域水文循环及水沙变化的关系，诠释流域水沙变化的气候、生态和人类活动的不同贡献。这就需要明确流域林草植被与梯田耦合的减水减沙过程中的水文学机制。我国的土地荒漠化以西北干旱内陆地区的沙漠化和西南喀斯特地区的石漠化为两大主要类型。其共有的特征表现在：2000 年之前，两类荒漠化土地大范围扩张；2000 年以后， 特别是 2005 年以来，出现荒漠化显著遏制与局部逆转局面。在气候持续变暖背景下，出现荒漠化正向演替现象，生态工程建设与降水量增加被认为是最主要的驱动因素。然而，现阶段均面临如何稳定维持和不断提高人工及天然生态系统结构与功能的问题，需要明确认识可持续荒漠化防治的生态系统结构与维持机制，针对不同荒漠化地区的生态水文特点，探索生态屏障构建中的生态水文学新理论、新技术和新方法，促进生态、经济可持续发展。

（二）水污染防治

在我国可持续发展中，除了南方湖泊工业污水排放与面源污染导致的河湖水环境问题之外，长期面临的两个核心水安全问题分别是西北地区与华北地区的水资源短缺和华南地区的水污染。近 30 年来，我国华南地区和华北地区大量河流下游、湖泊和水库均出现不断加剧的水体富营养化污染问题，绝大部分与流域土地利用变化导致的大规模非点源污染、村镇点源污染有关。我国长江口营养盐入海通量和污染物排海量大幅增加，导致长江口及邻近海域成为我国沿海劣质水分布面积最大、富营养化多发的区域；长江口水质低于Ⅳ级是由于水质恶化，沿海赤潮频发。陆 - 水界面的污染物传输所产生的水体污染问题， 是生态水文学的核心研究内容之一，其实质就是探索如何将陆地生态系统养分循环过程尽可能回归到自然循环状态，即基于自然法则的求解；对于已经污染的水体，寻求有效的生态治理措施也是十分关键的水污染治理任务之一。

（三）流域生态安全与可持续管理

干旱地区和半干旱地区流域水资源开发利用的生态环境影响，一直是包括中国西北地区、非洲及澳大利亚等在内的众多区域研究的重要科学问题。在中国西北干旱地区的石羊河、黑河、塔里木河等流域，由于过去长期的流域土地开垦和水资源无节制利用，大部分河流下游形成天然荒漠生态系统及这些地区非地域性独特的植被（如胡杨林和灰杨等树种）严重退化。生态退化导致区域土地荒漠化加剧，大片绿洲消失。这种现象迫使中国在过去 20 多年采取了多种不同措施来恢复下游生态，稳定区域绿洲经济，其中最重要的措施就是寻求建立基于流域“经济 - 生态 - 水”一体化的流域整体管理机制和水资源分配方案（Cheng et al.，2014）。生态水文学理论和方法在我国干旱内陆地区流域水资源合理开发利用与保护中扮演了十分重要的角色。我国在干旱内陆地区流域水资源管理方面成功的案例也极大地推动了生态水文学的发展。

我国是世界上水电资源最丰富的国家，也是水资源分布不均、时空矛盾最突出的国家之一。因此，河流开发利用中的水利工程建设一直是我国可持续发展中最重要的基础建设之一。然而，水利工程对河道内生态系统的影响是一个具有较长关注历史的问题。大坝，尤其是梯级水电工程的屏障效应，显著地调节了上下游河道的水流时空特征，影响到大量河流物种的分布格局。水库的径流调节使得河道水流特性（如流速、水位等）发生较大变化，显著地影响或限制了生物体继续生存在生境条件大幅改变的河流区段中的能力（UNEP-IETC，2003）。河流水生生态系统和河岸带陆地生态系统具有十分密切的相互关系，河岸带或河道内的植被群落结构与功能变化直接导致水生动物（如鱼类）的生物量和多样性发生显著变化，形成系统关联密切的连锁反应。

（四）河口与海岸带生态保护

河流水利工程导致的水文情势变化，是河口湿地生态系统发生显著退化的主要根源。我国的入海泥沙从 20 世纪 80 年代以前的总量近 20 亿吨，到 20 世纪末降至不足 10 亿吨，河口三角洲海岸岸滩在新的动力泥沙环境条件下发生新的冲淤演变调整，过去淤涨型河口海岸大多出现淤涨速度减缓或转化成平衡型甚至侵蚀后退型，湿地面积大幅度减少，长江和黄河河口三角洲变化尤为剧烈（陈吉余等，2007；Li et al.，2009）。河口、海岸带水文过程剧烈变化导致的河口湿地滨海生态系统退化与生物多样性减少是人类社会面临的最严重的生态问题之一。上述问题是生态水文学得以产生和发展的部分核心内容，也是生态水文学长期关注的焦点。未来，伴随着我国深化发展，上述问题将更加复杂多变，从河流源头到河流中下游，再到河口和海洋大系统的水循环问题及生态过程，迫切需要创新的生态水文学理论与方法应对上述制约我国流域资源可持续开发利用与保护中的一系列挑战。

（五）海绵城市建设

我国改革开放进程的加速、城镇化的发展速度加快，导致了城市内涝、水体黑臭、河湖生态退化等一系列城市病。构建海绵城市的良性水循环系统，是解决“城市看海”、水体黑臭、热岛与雾霾、湖泊水体退化等生态问题的重大举措，是目前及今后我国城市发展的主要途径。海绵城市建设的目的在于围绕城市可持续发展，减少洪涝灾害，维持生态健康，坚持人与自然和谐，打造基于城市水循环的新型宜居城市（群），其中发挥生态系统的水循环和水环境调节功能，实现绿色城市和海绵城市的双赢格局，是海绵城市建设的核心，包含了一系列生态水文相关的前沿问题，既需要生态水文学创新理论与技术来解决这些挑战性问题，这些问题也为生态水文学的发展创造了新的机遇。现阶段面临的主要挑战性问题有 3 个：①城市生态水文理论体系尚未形成，存在诸多未知领域， 需要有效支撑海绵城市建设的理论；②基于城市生态水文机理的海绵城市构建技术体系，需要开展系统集成与优选，如何与城市总体发展规划和已有构筑物相联系，需要多学科交叉和协同攻关；③城市相关生态水文数据基础不足，有待加强观测。这些问题既是未来新型海绵城市建设对生态水文学发展的需要，也是生态水文学在人类社会发展中不断提升其战略地位的具体表现。