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

摘要：生態(tài)水文學是一門新興的交叉學科，發(fā)展和完善其理論體系和技術方法等對促進中國山水林田湖草系統(tǒng)保護與修復，推進生態(tài)文明建設和綠色發(fā)展具有重要理論和實踐意義。本文闡述了生態(tài)水文學發(fā)展歷程和挑戰(zhàn)性問題；結合學科前沿和國家需求，提出了生態(tài)水文學在中國的發(fā)展戰(zhàn)略，主要包括：生態(tài)水文綜合觀測的新技術新方法、生態(tài)水文學機理和基礎理論、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)水文與社會科學的融合等；在此基礎上，也提出了中國生態(tài)水文學具體發(fā)展方向，如多源信息融合與綜合觀測網(wǎng)絡、關鍵要素的時空格局及其演變特征、綜合模型與不確定性、多學科交融研究等；最后提出了中國生態(tài)水文學在山水林田湖草及城市等共同體修復和保護中的應用前景。

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

生態(tài)水文學是探討變化環(huán)境下水文過程對生態(tài)系統(tǒng)結構與功能影響以及生物過程對水循環(huán)要素影響的交叉學科[1]。盡管生態(tài)與水文學科之間的交叉研究如森林水文、濕地水文等已有較長歷史，但生態(tài)水文（學）一詞直到20世紀90年代才在都柏林（Dublin）召開的國際水與環(huán)境大會上被正式提出。作為一門學科，生態(tài)水文學的內涵、外延、研究對象、理論和方法等學科體系的核心內容還亟待進一步完善。隨著國際地圈生物圈計劃中水文循環(huán)的生物圈部分（IGBP/BAHC）、聯(lián)合國教科文組織主持的國際水文計劃（UNESCO/IHP2.3~2.4）等重大計劃的實施，生態(tài)水文學得到了迅速發(fā)展，已成為當今水文學研究熱點之一。本文總結了國內外生態(tài)水文學發(fā)展歷程和存在問題，提出中國生態(tài)水文學未來發(fā)展趨勢、重點發(fā)展戰(zhàn)略和應用前景。本文將為生態(tài)水文學的未來發(fā)展提供參考，也為中國山水林田湖草的生態(tài)保護與修復、生態(tài)文明建設和綠色發(fā)展等重大戰(zhàn)略的實施等提供堅實的理論基礎和技術支持。

1生態(tài)水文學的發(fā)展歷程與研究進展

1961年，國際水文科學協(xié)會（IAHS）的國際水文十年計劃（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)學或水文學單一學科已無法解釋完整的生態(tài)水文過程及其相互作用機制，由此衍生出了由生態(tài)學和水文學交叉的新興學科，即“生態(tài)水文學”。不少學者分別從生態(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[1]、土壤水文學[2]及河流生態(tài)學[3]等。“生態(tài)水文學”（Eco-hydrology）一詞首次由Ingram[4]在1987年作為專業(yè)學術詞匯使用，隨后在上世紀90年代得到廣泛使用，如Pedroli[5]、Bragg等[6]和Hensel等[7]應用于以濕地為主的生態(tài)水文過程研究。生態(tài)水文學科也在1992年聯(lián)合國水和環(huán)境國際會議上正式確立。1993年第一本以生態(tài)水文學為主題的著作《Mires:Process,ExploitationandConservation》出版問世[8]。生態(tài)水文學科由此得到了不斷發(fā)展，但其研究重點仍然以“過渡帶”濕地生態(tài)系統(tǒng)為主，如Gieske等[9]針對植被格局、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]對生態(tài)水文學給出了較為完善的定義，特別關注河流保護和修復中水文因素的功能價值。同年，UNESCO/IHP第五階段（1996—2001年）正式啟動，生態(tài)水文學首次成為重要研究內容之一，由此生態(tài)水文學也進入快速發(fā)展階段。Zalewski[11]出版了聯(lián)合國教科文組織國際水文計劃“生態(tài)水文學”專集，認為生態(tài)水文研究實質是不同時空尺度上的水文過程與生物過程的綜合科學，并提出生態(tài)水文研究應進一步推廣到流域水文過程的調節(jié)和綜合大尺度、長時間水文過程的研究。1997年Poff等[12]提出了自然水流范式理論（Natureflowparadigm），利用與河流生態(tài)相關的徑流情勢指標（如流量、幅度、頻率、歷時、出現(xiàn)時間和變率）對自然徑流過程進行全面描述，促進了河流生態(tài)水文的發(fā)展。1999年Baird等[13]以植物和水為研究對象，總結20世紀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關系，極大地促進了植被生態(tài)水文學的全面發(fā)展。生態(tài)水文學研究已由“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)兩個五年計劃將生態(tài)水文學作為一個獨立的主題進行研究。Wood等[16]編著了《HydroecologyandEcohydrology:Past,PresentandFuture》，全面總結了生態(tài)與水文相關領域的研究進展與方法。此后，Goldsmith、Buchanan等針對不同生態(tài)系統(tǒng)的土壤—植物—大氣連續(xù)體（Soil-Plant-AtmosphereContinuum,SPAC）開展生態(tài)水文過程及其效應的深入研究[17-18]。同時，隨著經濟社會快速發(fā)展對自然環(huán)境的影響愈加強烈，人類活動影響下的流域生態(tài)水文[19]、城市生態(tài)水文學[20]等研究也得到了發(fā)展。此外，Ecohydrology、Ecohydrology&Hydrobiology等學術期刊也應運而生。目前陸地及水生綜合生態(tài)水文學科框架已基本確立，涵蓋了森林、草地、濕地、農業(yè)、河流湖庫及城市等多種生態(tài)系統(tǒng)。生態(tài)水文學的研究也逐步從小尺度實驗觀測和數(shù)據(jù)分析轉向多尺度綜合性模型探索[21]，學科理論和方法等均取得了長足的進步。中國生態(tài)水文學研究起步于20世紀80年代，最初主要涉足于農田的SPAC系統(tǒng)中水分運移和能量平衡問題?；赟PAC理論，中國學者發(fā)展了一系列理論概念及計算模型，如邵明安等[22]確定SPAC系統(tǒng)中水流各項阻力計算公式；康紹忠[23]探究了SPAC水分傳輸?shù)牧δ荜P系，構建了作物根系吸水模式及農田蒸騰與蒸發(fā)分攤計算模式；劉昌明[24]探究了從SPAC系統(tǒng)界面上控制水分消耗的方法，并提出了農田SPAC系統(tǒng)的“五水轉化”概念。隨著生態(tài)水文學研究的不斷深入，中國陸地及水生系統(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，中國學者已在河流湖泊的徑流情勢和水質過程對水生生物群落的影響機制、生態(tài)水文過程模擬等方面取得了顯著成果，并在太湖藍藻水華控制、徑流情勢變化下魚類棲息地模擬、三峽水庫生態(tài)調度等方面得到了實際應用[28-30]。

2生態(tài)水文學存在問題與挑戰(zhàn)

雖然生態(tài)水文學已在濕地、河流湖庫、森林、草地、農田等生態(tài)系統(tǒng)研究中取得了迅猛發(fā)展，但大都還關注于單一生態(tài)系統(tǒng)的實驗觀測、機理探索、數(shù)值模擬等方面。隨著地球系統(tǒng)各圈層物質和能量交換頻繁、氣候變化和人類活動擾動的加劇等，全球許多流域，特別是中國重點流域（如黃河、長江、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、辨識其關鍵影響因素并制定對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與融合、點或田間尺度生態(tài)水文規(guī)律向流域或全球尺度的轉換機制、氣候變化和高強度人類活動等對生態(tài)水文過程多重影響的檢測與歸因、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，隨著全球社會經濟和城市化進程的加快，傳統(tǒng)生態(tài)水文研究在關注物理過程的同時，亟需融入社會經濟、人類發(fā)展等人文過程的影響，特別是在城市生態(tài)水文研究領域。因此，隨著地球系統(tǒng)科學相關領域理論的不斷完善發(fā)展以及觀測、信息傳輸和計算能力等技術革新，未來亟待增強生態(tài)水文學科各生態(tài)系統(tǒng)之間、生態(tài)水文各過程間的緊密聯(lián)系和作用關系探索，在水土氣生多要素綜合觀測、生態(tài)水文多過程作用以及環(huán)境變化和人類活動的影響機制、綜合模擬與系統(tǒng)集成、多學科交融等方面加強探索，最終完善生態(tài)水文學的基礎研究框架、理論體系和技術方法等。

3中國生態(tài)水文學發(fā)展趨勢

中國政府一直高度重視生態(tài)保護和生態(tài)文明建設，特別是多次強調生態(tài)的重要性，如“綠水青山就是金山銀山”“山水林田湖是一個生命共同體”等。縱觀生態(tài)水文發(fā)展歷程和挑戰(zhàn)，結合生態(tài)水文學建設和綠色發(fā)展等國家重大需求，總結主要發(fā)展趨勢如下。3.1探索生態(tài)水文監(jiān)測的新技術新方法，完善生態(tài)水文系統(tǒng)綜合觀測網(wǎng)絡。野外觀測是生態(tài)水文過程研究的基礎[31]。生態(tài)水文要素包括氣象要素（如降雨、氣溫、風速、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、植被凈初級生產力、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技術和方法多樣，但目前重點仍在點或者田塊尺度碳通量、土壤水分運移、蒸散發(fā)以及與土壤水相關參數(shù)的觀測。遙感手段是實現(xiàn)由點到面尺度擴展的有效方法[32]。同位素作為土壤、植被、大氣和海洋間不同形式水分運動的良好示蹤劑，已成為大氣、水文和生態(tài)等多種學科的重要研究工具。因此，未來應重點關注通量與同位素連續(xù)測量、野外監(jiān)測與遙感、雷達多源信息多尺度綜合性監(jiān)測技術與方法的發(fā)展。隨著對生態(tài)要素與水文要素之間相互作用機理認識的深入，在全國范圍內建立并完善綜合性生態(tài)水文觀測網(wǎng)絡是十分必要的。全球已經興起了多個長期生態(tài)監(jiān)測計劃，如全球通量網(wǎng)（FluxNet）、美國生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)計劃（NEON）和長期生態(tài)學研究網(wǎng)絡（LTER）、歐洲通量計劃（EUROFLUX）等。目前，中國重點關注單一氣象、水文、水質和生態(tài)要素的監(jiān)測網(wǎng)絡建設，如氣象局的地面氣象觀測網(wǎng)和高空氣象觀測網(wǎng)、水利部的全國水文站網(wǎng)、環(huán)保系統(tǒng)的地表水水質監(jiān)測網(wǎng)絡、野外站點監(jiān)測網(wǎng)絡、中國生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡（CERN）和中國陸地生態(tài)系統(tǒng)通量觀測研究網(wǎng)絡（ChinaFLUX）等。以上觀測和網(wǎng)絡建設極大地促進了中國生態(tài)學和水文學等學科的發(fā)展，但大多局限于氣象、水利、生態(tài)環(huán)境等單一部門，大尺度長期監(jiān)測網(wǎng)絡的完善和數(shù)據(jù)共享集成有待進一步發(fā)展。同時，中國生態(tài)水文觀測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)、氣候和土壤等多個領域指標，優(yōu)化和完善已有監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)各學科各部門生態(tài)水文相關數(shù)據(jù)的共享，發(fā)展中國多尺度下生態(tài)水文過程監(jiān)測體系，為中國綜合性生態(tài)水文學的發(fā)展提供堅實的數(shù)據(jù)基礎。3.2加強生態(tài)水文學機理和完善基礎理論。解析陸地及水生生態(tài)水文過程中各要素的相互作用機制，探索水文過程與生態(tài)過程的耦合機制及其對全球變化的響應，既是生態(tài)水文綜合理論中的關鍵與核心主題，也是認識水循環(huán)演變規(guī)律的基礎。陸地生態(tài)水文過程研究重點關注農田、森林植被等中生態(tài)水文要素間的響應機制，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制[33]，對田間尺度生態(tài)水文轉換機理的探索及其在流域或全球尺度的拓展等研究仍有待進一步加強。以河流、湖庫為研究對象的水生生態(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)間的物質循環(huán)、能量轉換和信息交流的主要途徑。目前，針對河湖生態(tài)水文過程的研究大多處于野外實驗觀測和半定量研究階段[34]。結合野外監(jiān)測、室內控制實驗、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)水文機理研究的重要內容之一。隨著生態(tài)水文學機理和基礎理論范式的不斷完善，未來仍亟待加強陸地與水生生態(tài)水文過程耦合機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化規(guī)律及其演變特征。同時，隨著氣候變化與人類活動對關鍵帶生態(tài)水文過程擾動的不斷增強，探索生態(tài)水文要素對氣候變化、人類活動的響應機制也已成為研究熱點之一。在探索變化環(huán)境下陸地—水生生態(tài)水文過程的機理基礎上，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“十三五”規(guī)劃綱要明確提出“以提高環(huán)境質量為核心，以解決生態(tài)環(huán)境領域突出問題為重點，加大生態(tài)環(huán)境保護力度”。自開展生態(tài)—水文過程耦合機制研究以來，以森林、植被和農田等為對象的陸地生態(tài)水文過程研究重點關注垂直梯度的水分傳輸和植被生理生態(tài)過程，同時關注生態(tài)系統(tǒng)對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)中各種生命活動的關鍵載體，也是連接生物、物理和化學過程的主要反應場所。傳統(tǒng)的經濟社會發(fā)展與生態(tài)環(huán)境健康之間的矛盾日益增大，引起植被、生物群落結構等格局的改變，導致生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生明顯變化，進而加劇生態(tài)環(huán)境惡化的風險，直接約束國家生態(tài)文明建設。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價值和現(xiàn)實意義[35]。隨著學科交叉的發(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。綜合考慮社會需求與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，融合衛(wèi)星遙感和站點等多源觀測數(shù)據(jù)，構建站點、斑塊和流域等多尺度生態(tài)水文過程綜合模型，評估并調控生態(tài)水文各系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將成為生態(tài)水文應用實踐、服務社會的必然趨勢，同時也將是中國合理調配水資源、保障陸地和水域生態(tài)系統(tǒng)結構與物種多樣性的重要手段。3.4開展生態(tài)水文與社會科學融合，推進全球生態(tài)水文學綜合性研究。農業(yè)生產、城市擴張、水利工程建設和調控等社會經濟發(fā)展的多個方面對生態(tài)水文過程造成強烈的擾動，導致生態(tài)系統(tǒng)原有的平衡發(fā)展被打破。生態(tài)水文學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鍵途徑之一，也一直是全球重大研究計劃關注的核心內容之一。2004年地球系統(tǒng)科學聯(lián)盟（ESSP）提出了“全球水系統(tǒng)計劃（GWSP）”，重點探討人類活動對全球水系統(tǒng)過程（水循環(huán)物理過程、水質水生態(tài)過程和人類經濟過程）的作用。2013年IAHS正式啟動了今后十年（2013—2022年）的科學計劃PantaRhei，主題是“變化中的水文科學與社會系統(tǒng)”，其中面向可持續(xù)世界的生態(tài)水文學是六大核心議題之一。2017年在波蘭召開的國際生態(tài)水文學大會上，也提出要推進面向循環(huán)經濟的生態(tài)水文學研究，倡導融合循環(huán)經濟理念和遵循自然生態(tài)過程的解決方案。開展生態(tài)水文和社會科學的集成研究，揭示人類活動對生態(tài)水文過程的影響等，對分析生態(tài)水文要素演變特征、生態(tài)水文系統(tǒng)修復重建方案的制定等具有重要的科學意義和現(xiàn)實價值。在全球變化和經濟一體化的大背景下，站點或流域尺度生態(tài)水文學研究亟待向全球尺度生態(tài)水文學綜合研究擴展。全球對地觀測技術、數(shù)據(jù)共享機制以及計算機技術等的飛速發(fā)展，也為全球生態(tài)水文多過程綜合性研究提供了強有力的基礎支持。比如，已有大量全球尺度生態(tài)水文要素的時空分布產品，包括全球降水產品（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)、經濟人文等多過程的耦合機制，實現(xiàn)全球生態(tài)水文多要素綜合模擬，評估氣候變化和大規(guī)模人類活動的影響等已成為生態(tài)水文學領域的研究熱點。

4中國生態(tài)水文學重點發(fā)展方向

4.1生態(tài)水文多源信息融合與綜合觀測網(wǎng)絡構建。多源信息監(jiān)測與綜合網(wǎng)絡構建是發(fā)展多要素、多尺度綜合生態(tài)水文研究的基石。針對目前監(jiān)測技術及尺度受限等問題，未來應大力推進研制生態(tài)水文要素綜合監(jiān)測方法，進一步改善大型蒸滲儀、渦度相關、穩(wěn)定同位素及定量遙感等技術對蒸發(fā)、土壤水運移、碳水通量、植物蒸騰及土壤蒸發(fā)過程的觀測精度與尺度。促進多種監(jiān)測技術相結合的多源信息綜合監(jiān)測，完善通量觀測與同位素的綜合連續(xù)測量技術；點尺度野外觀測與遙感測量等多種尺度觀測數(shù)據(jù)的融合；研發(fā)生態(tài)水文要素自動監(jiān)測的信息采集—實時傳輸—遠程監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)技術；制定國家生態(tài)水文長期監(jiān)測及系統(tǒng)觀測網(wǎng)絡的觀測技術標準與規(guī)范。進一步構建生態(tài)水文要素綜合監(jiān)測網(wǎng)絡，整合已有氣象、水文、水質以及生態(tài)系統(tǒng)等觀測網(wǎng)絡系統(tǒng)，形成陸地—水生系統(tǒng)綜合生態(tài)水文監(jiān)測網(wǎng)絡（圖1）。同時，綜合考慮生態(tài)、水文水資源、綜合自然地理等分區(qū)進一步完善監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)，為中國生態(tài)水文的研究提供堅實的基礎支撐。4.2生態(tài)水文系統(tǒng)關鍵要素的時空格局及其演變特征。生態(tài)水文關鍵要素的時空格局及其演變特征是生態(tài)水文機理研究的核心內容，對揭示生態(tài)水文關鍵過程演變機制和基礎理論的發(fā)展有十分重要的意義。水文要素時空演變的生態(tài)水文特征表現(xiàn)為：自然徑流變異被認為是河道景觀發(fā)生變化的驅動力；徑流情勢（流量、幅度、頻率、歷時、出現(xiàn)時間和變率等）時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)結構與功能的改變，徑流情勢指標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)加強會導致生態(tài)水文格局紊亂、濕地景觀退化等。水質作為水環(huán)境的重要指標，其類型和濃度是對生態(tài)水文系統(tǒng)的響應。生態(tài)要素時空演變的生態(tài)水文特征表現(xiàn)為：植被類型及其結構變化直接影響水循環(huán)各個環(huán)節(jié)（如截流、產流、蒸散發(fā)），關乎流域或地區(qū)“生態(tài)—水文—社會經濟耦合系統(tǒng)”健康運行[37]；植被凈初級生產力作為重要的生態(tài)指標，直接影響蒸散發(fā)和水分利用效率等時空格局，可用于調節(jié)生態(tài)系統(tǒng)過程的影響和能量存儲等；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)測生態(tài)水文系統(tǒng)健康的重要指標，通過運用棲息地、物種類型及其分布等指標評估河流生態(tài)健康狀況，揭示河流生態(tài)系統(tǒng)的主要問題及成因。在了解流域內上述各要素時空格局的基礎上，綜合分析生態(tài)水文演變特征與驅動機制是開展各項生態(tài)水文學研究的基礎。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—徑流關系模型基礎上耦合植被生長模型、土壤生物地球化學過程模型等，定量描述植被、營養(yǎng)物質與水文過程的相互作用，以及水文過程和生態(tài)過程間的動力學機制。目前常見模型有針對林冠截流、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；考慮植被動態(tài)過程的流域水文模型，如DHSVM、VIC、SWAT、HEQM模型；針對地下水與植被群落關系開發(fā)的MXW和IRM模型等。未來應重點結合氣候變化和人類活動的影響，深入探索植被過程、水—營養(yǎng)物質循環(huán)過程的作用機制，加強陸地生態(tài)水文模型物理機制。河流生態(tài)水文模型以水文、水力或水質模型為基礎，綜合考慮水生生物生長狀況，定量分析徑流情勢及水質要素與水生生物群落間的響應機制，其空間維度可從一維到三維，如Mike、EFDC、HSPF模型等。在中國，許多學者結合河流生態(tài)水文過程機制及各類模型的優(yōu)勢，提出相應的河流生態(tài)水文概念模型，如徑流情勢與魚類需求關系的概念模型、河流生態(tài)系統(tǒng)結構功能整體性概念模型、水文—生態(tài)響應概念模型[30,38-39]。未來水生生態(tài)水文模型應重點探究如何利用高精度地形數(shù)據(jù)、營養(yǎng)物濃度、水生生物生長周期、人類活動（如閘壩調控、取用水和排污）等多種信息，構建詳盡描述人類活動影響下河流水文—水質過程以及生態(tài)系統(tǒng)變化的綜合性數(shù)學模型。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，實現(xiàn)了生態(tài)水文過程雙向耦合[40]；中國學者開發(fā)的VIP模型[41]、ChinaAgroSys模型[42]等，實現(xiàn)了流域/區(qū)域尺度作物產量、蒸散發(fā)、產匯流等關鍵生態(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)系及其反饋機制，構建了水系統(tǒng)模擬平臺，如長江模擬器、城市水系統(tǒng)等[43-44]。不同生態(tài)水文過程的時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問題之一。如何將小尺度觀測分析所得到的規(guī)律與結論推廣到流域尺度，也是困擾生態(tài)水文模擬的技術難點（圖2）[45]。理論上來說，尺度越小，模擬過程越精細，其結果也越接近真實的自然環(huán)境。但由于小尺度的空間差異性，導致已獲得的規(guī)律很難推廣到更大的尺度。水文模型一般以日、甚至小時尺度在子流域或者網(wǎng)格上對水文過程進行模擬；生態(tài)模型的基礎數(shù)據(jù)觀測一般為站點或田間尺度，同時對植被生化過程以小時尺度進行模擬。目前針對此問題，學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果時，通常會將大尺度內的環(huán)境變量視為常數(shù)，會影響最終模擬結果空間分辨率。通過降尺度或升尺度等途徑實現(xiàn)模塊之間的尺度轉化和交換變量的動態(tài)計算，是未來生態(tài)水文模型發(fā)展的一個重要方向。此外，復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、模型結構、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及其對參數(shù)和模擬結果的影響；但對復雜系統(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和多目標優(yōu)化算法等對復雜系統(tǒng)模型的不確定性及其影響進行了量化，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，建立科學可靠的不確定性評價平臺或集成工具等均有待進一步研究與探討。4.4多學科交融的生態(tài)水文學研究。IGBP、UNESCO/IHP、IAHS十年科學計劃（2013—2022年）（PantaRhei）、未來地球科學計劃（FutureEarth）等都將陸地植被生態(tài)過程、河流生態(tài)系統(tǒng)、社會系統(tǒng)和水文過程的相互作用機制和耦合研究作為核心內容。結合全球重大科學計劃前沿，進一步促進環(huán)境科學、大氣科學等自然科學與社會經濟、人類活動等社會科學的交融將成為未來生態(tài)水文學的重點發(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]，探索氣候變化對生態(tài)水文相關過程的作用機制與反饋也是未來生態(tài)水文學的前沿問題之一。另外，伴隨著經濟的飛速發(fā)展，水利工程的修建和調控、農藥化肥的大量施用、污染物過度排放、植被破壞和森林砍伐、城鎮(zhèn)化等諸多人類活動對流域生態(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)水文學多學科的交融。涉及生態(tài)水文相關的關鍵科學問題如：水利工程調控對河流生態(tài)水文系統(tǒng)影響機制和珍稀物種保護、SPAC系統(tǒng)中營養(yǎng)物質循環(huán)及其污染特征、點源和面源的環(huán)境效應及其對生態(tài)系統(tǒng)的影響、人類活動引起的下墊面變化對生態(tài)—水文變化格局的影響、城市生態(tài)水文演變機制與海綿措施的調控特征等。中國政府提出了美麗中國、長江大保護、黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展、海綿城市、海岸帶生態(tài)建設等重大戰(zhàn)略，許多重大科技專項也應運而生，如國家重點研發(fā)計劃項目“典型脆弱生態(tài)修復與保護研究”和“水資源高效開發(fā)利用”、中國科學院A類戰(zhàn)略性先導科技專項“美麗中國生態(tài)文明建設科技工程”等。國家自然科學基金委也長期重視生態(tài)水文學的發(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)，專門設立“黑河流域生態(tài)—水文過程集成研究”重大研究計劃、“干旱區(qū)生態(tài)水文學”等創(chuàng)新研究群體項目等[51]，其中黑河流域生態(tài)水文研究不僅建立了先進的流域觀測系統(tǒng)和生態(tài)水文過程集成模型，而且實現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展應用的決策支持[52]；針對流域生態(tài)環(huán)境保護，設立國家自然科學基金重大項目“長江經濟帶水循環(huán)變化與中下游典型城市群綠色發(fā)展互饋影響機理及對策研究”等。另外，在中國“十三五”規(guī)劃中也明確提出發(fā)展“生態(tài)—水文—經濟”的集成研究等。以上重大國家需求和學科前沿將進一步推動中國自然、社會等多學科交融的生態(tài)水文學研究，以及生態(tài)水文過程中經濟發(fā)展與人類活動的影響和反饋等研究。此外，作為中國生態(tài)文明建設的關鍵內容之一，生態(tài)系統(tǒng)水流動調節(jié)及其價值估算是生態(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、水文學、生態(tài)經濟學、環(huán)境經濟學等交叉領域的研究熱點。

5中國生態(tài)水文學應用前景

生態(tài)水文學科經過幾十年的發(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)、農業(yè)生態(tài)、城市生態(tài)等各個分支領域從基礎理論、技術方法和應用實踐等方面已開展了深入研究并取得了長足的進步，為生態(tài)水文學提供廣闊的應用前景。特別是在中國生態(tài)文明建設的大背景下，生態(tài)水文學也將廣泛應用于山水林田湖草及城市等共同體的修復和保護等方面。在森林和草地生態(tài)領域，植被生態(tài)修復、退耕還林還草及水土流失防治等是中國“十三五”規(guī)劃、生態(tài)文明建設中的重要決策和技術手段[53]。植被生態(tài)修復方面，需開展針對不同區(qū)域、植被類型、水分補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，探索植被對水文循環(huán)的響應關系，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，重點研究植被類型、功能、結構及其空間分布格局，揭示其變化水文效應等，為退耕還林還草提供技術支撐和決策依據(jù)。水土流失防治方面，需探索不同水土保持措施對生態(tài)水文過程的影響機制，實現(xiàn)小流域侵蝕時空耦合模擬向大中尺度流域的擴展，為中國水土流失防治提供理論基礎和技術支持。在河流湖庫和濕地生態(tài)領域，以保持河流健康為目標的生態(tài)水利工程、河湖生態(tài)修復、濕地恢復重建等將在生態(tài)水文系統(tǒng)的保護與治理方面有著更為廣泛和深入的應用[54-55]。在生態(tài)水利工程設計和建設方面，需探索水利工程建設對關鍵保護物種棲息地、水力學要素和徑流情勢、物種群落等的影響特征，促進水利工程從傳統(tǒng)防洪興利調度向生態(tài)調度的轉變。在河湖生態(tài)修復方面，開展生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀調查，制定修復目標和措施；探索生態(tài)修復過程中水生生物對河流生境變化的影響機制問題，完善生態(tài)修復的效果評價體系等。在濕地生態(tài)恢復重建方面，應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”系統(tǒng)的綜合管控研究；探索面向濕地生態(tài)保護和恢復的水系連通理論和關鍵技術等。在農業(yè)生態(tài)領域，將重點探究作物不同尺度需水探測和估算方法、作物需水對變化環(huán)境的響應與適應機制[56]；關注從理論和技術上提高農作物水資源利用率、減少田間的無效蒸發(fā)，進一步推進農業(yè)節(jié)水。在城市生態(tài)水文領域，將重點關注城市化的生態(tài)水文效應及海綿城市建設問題[57]，包括探索林地植被蒸散發(fā)、綠色基礎設施等對城市熱雨島、徑流效應等的緩解機制；通過渠系整治、黑臭水體治理和河湖生態(tài)修復等，改善城市河湖的水環(huán)境質量、恢復水生態(tài)功能等。本文通過全面回顧生態(tài)水文學科發(fā)展歷程，闡明了學科發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)；基于生態(tài)水文學研究熱點與國家需求，提出了中國生態(tài)水文學主要發(fā)展趨勢，即在重視生態(tài)水文要素綜合監(jiān)測和多過程相互作用機理研究的基礎上，發(fā)展大尺度多過程生態(tài)水文模型，推進多學科交融下的生態(tài)水文學發(fā)展。此外，進一步明確了生態(tài)水文學未來發(fā)展方向，即構建多源信息融合的綜合監(jiān)測網(wǎng)絡、明晰生態(tài)水文關鍵要素的時空格局與演變特征、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”等多學科交叉研究等，為中國生態(tài)文明建設順利實施、“山水林田湖”保護等提供理論支持。

作者:夏軍 張永勇 穆興民 左其亭 周宇建 趙廣舉