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摘要 黑河下游水环境变化的绿洲生态水文效应 摘要 目前，内陆河流域研究已经成为国内外关注的热点。黑河流域是我国西北干 旱区第二大的内陆河流域，其水资源利用问题在内陆河流域中具有较强的典型性 和代表性。水是流域复合生态系统的主要控制性因素。上游地区干扰水循环系统， 会迅速传递到下游社会经济和生态系统，影响全流域生态系统平衡状态。本研究 选定位于黑河下游的额济纳绿洲为研究区域。这个区域在历史上曾经是水草丰美 的地方，近几十年来由于气候变化和人类活动的综合影响，生态环境严重恶化， 已经危及地区经济建设、民族团结、国防建设和可持续发展。本文运用生态水文 学理论与方法，利用实地观测和模拟相结合，从水环境变化的驱动因子和格局的 形成、绿洲生态水文过程对水环境变化的响应等方面，对下游地区水环境变化的 绿洲生态水文效应进行研究。同时，理论联系实际，对现有的黑河生态工程措施， 作出合理的评价，并提出建议。本研究得出的结果如下： 现有的水环境时空格局的形成是过去1 0 0 年暖干的气候和不断增强的人 类活动共同作用的结果，但人为因素在这个过程中起了主要作用。水源区的出山 口径流并未发生明显的变化，而下游的入境水量却显著下降，地下水状况恶化， 依靠地下水维持的额济纳绿洲出现了土壤贫瘠化和植被退化，水环境状况恶化。 景观上表现为绿洲的破碎化，物种多样性的减少，结构向简单化方向发展。 在水环境变化的影响下，绿洲的生态水文过程发生了改变。原有的绿洲 向东西河靠近。终端湖面积在不断缩小，直至消失；湖水水质不断盐化。荒漠河 岸林群落出现盐化、旱化和沙化，荒漠化面积不断增大；群落结构向单一方向发 展，物种多样性减少，盖度降低，蒸散量逐渐减少，群落建群种水分胁迫严重。 可利用的地下水资源不断减少，水质恶化，土壤出现干旱化， 黑河流域的生态工程建设采用截弯取直、修筑塘坝、全线衬砌等措施，其 实质是用人工水系代替天然水系，人工绿洲替代天然绿洲，改变了现有的水资源 分配格局和水循环。在空间，地表水资源向中游过于集中，下游分配的水资源减 中国科学院博士研究生学位论文：黑河下游水环境变化的绿洲生态水文效应 少。而在时间上，夏季本是流域的多雨季节，可供下游的水量却反而减少。河道 的衬砌率过高会阻断地下水与地表水的联系，改变原有的水循环。其结果可能会 使一部分荒漠地区变成绿洲，同时又会让部分天然绿洲加速退化。 综上所述，人类调控水土资源利用诱发的水环境变化导致了下游的额济纳绿 洲正在向一个荒漠化方向发展，由此会产生一系列的环境、经济和社会问题，应 该引起人们的高度重视。建设生态环境的同时，考虑现有的生态系统水分平衡是 十分必要的 关键词：黑河流域；水环境；生态水文；生态水文过程；绿洲；河岸林 a b s t r a c t o a s i se c o - h y d r o l o g i c a lv a r i a t i o n sw i t ht h ew a t e r e n v i r o n m e n tc h a n g ei nt h el o w e rr e a c h e so fh e i h e r i v e r b a s i n z h o um a o x i a n ( p h y s i c a lg e o g r a p h y ) d i r e c t e db yx i a oh o n g l a n g a b s t r a c t a tp r e s e n t ，r e s e a r c ho ni n l a n db a s i nh a sb e c o m ea “h o t s p o t ”w h i c h b ec o n c e r n e db ys c i e n t i s t s h e h e ir i v e rb a s i ni st h es e c o n dl a r g e s t w a t e r s h e di na r i dz o n e ，c h i n an o r t h w e s t i t sw a t e rr e s o u r c ep r o b le mh a d o b v i o u sr e p r e s e n t a t i v ec h a r a c t e r i s t i c w a t e ri st h ec o n t r o lf a c t o ro f c o m p r e h e n s i v ee c o s y s t e m i fw a t e rc y c l ew a sd i s t u r b e di nu p r e a c h e so f w a t e r s h e d ，i tw a sa b l et ot r a n s f e ri n t ot h ee c o l o g y s o c i e t y e c o n o m yo f l o w e rr e a c h e sw h i c hi n f l u e n c e de c o l o g i c a lb a l a n c e e j i no a s i sw a s s e l e c t e da sr e s e a r c hr e g i o n ，w h i c hh a db e e ne v e rap l a c ew i t hp l e n t yo f w a t e ra n dl u s hg r a s s b e c a u s eo fc l i m a t ec h a n g ea n dh u m a na c t i v i t y ，i t s e n t i r o n m e n th a ds e v e r e l yd e g r a d e d ，w h i c hh a de n d a n g e r e de c o n o m y ，n a t i o n a l s o l i d a r i t y ，n a t i o n a ld e f e n s e sa n ds u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t w i t ht h e o r y a n dm e t h o do fe c o h y d r o l o g y ，t h i st h e s i sw o u l ds t u d ye c o h y d r o l o g i ce f f e c t o fo a s i sb yw a t e re n v i r o n m e n te v o l v e m e n tf r o m t w oa s p e c t sw h i c ha r e d r i v i n gf a c t o r so fw a t e re n v i r o n m e n tc h a n g ea n dp a t t e r nf o r m ，r e s p o n s e s o fo a s i se c 。h y d r o l o g i c a lp r o c e s s e st ow a t e re n v i r o n m e n tc h a n g e a tt h e s a m et i m e ，t h e o r yc o m b i n e dw i t hp r a c t i c e ，h e h e ir i v e rp r o j e c tm e a s u r e w o u l db ee v a l u a t e dr a t i o n a l l y t h er e s u l t sw e r es h o w e da sf o l l o w e d ： t h es p a t i a la n dt e m p o r a lf o r mo fw a t e re n v i r o n m e n ti nb e i n gi st h e r e s u l to fc l i m a t ec h a n g ea n de n h a n c e dh u m a na c t i v i t y ，w h i c hh u m a na c t i v i t y i sd o m i n a t i n g m o u n t a i n o u sr u n o f fh a sc h a n g e di n c o n s p i c u o u s l yw h il ew a t e r 中国科学院博士研究生学位论文：黑河下游水环境变化的绿洲生态水文效应 q u a n t i t yi n t ol o w e rr e a c h e sh a sd e c r e a s e dr e m a r k a b l y ，w h i c hr e s u l ti n l e a n n e s so fs o l l ，v e g e t a t i o nd e g r a d a t i o ni ne j i no a s i sw h i c hd e p e n d so n g r o u n d w a t e r i nl a n d s c a p e ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec h a n g ei so a s i s f r a g m e n t a t i o n ，r e d u c t i o no fs p e c i e sd i v e r s i t ya n ds i m p l i f i c a t i o n o f s t r u c t u r e i m p a c t e db yw a t e re n v i r o n m e n t ，e c o h y d r o l o g yo fo a s i sh a dc h a n g e o r i g i n a lo a s i si ss h r i n k i n gt o w a r d st h er i v e r a r e ao ft e r m i n a ll a k ei s r e d u c i n ga n dw a t e r b e c o m es a li n e i tw a st h ec h a r a c t e r i s t i c so f s a l i n z a t i o n ，d r o u g h ta n dd e s e r t i f i c a t i o ni nd e s e r tr i p a r i a nf o r e s t a r e a o fd e s e r t i f i c a t i o ne n l a r g e dc o n t i o u s l y c o m m u n i t ys t r u c t u r es i m p l i f i e d a n ds p e c i e sd i v e r s i t yr e d u c e d i m p a c t e db yw a t e rs t r e s s ，s o i lo fc o m m u n i t y b e c o m ed r i e ra n dd r i e ra n de v a p o t r a n s p o r t a t i o nq u a n t i t yd e c r e a s e d q u a n tit yo fg r o u n d w a t e rr e d u c e da n dq u a lit yb e c o m ew o r s ea n dw o r s e c u t o f f ，b u i l d i n gd a ma n dc a n a ll i n i n gw e r ea d o p t e di ne c o l o g i c a l p r o j e c ti nh e i h er i v e r ，w h o s ee s s e n t i a li st h a ta r t i f i c i a lw a t e rs y s t e m r e p l a c en a t u r a lw a t e rs y s t e ma n da r t i f i c i a lo a s i sr e p l a c en a t u r a lo a s i s ， w h i c ha l t e r e do r i g i n a lt e m p o r a la n ds p a t i a lp a t t e r no fw a t e rr e s o u r c ea n d w a t e rc y c l e t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n so fs u r f a c ew a t e rw i t h d r a wl a r g e l y i nt h em i d d l er e a c h e sw h i c hr e s u l t e di ns e v e r e l yd e c li n eo fr i v e rf l o w i nd o w n s t r e a m w a t e rr e s o u r c es u p p lie dd e c r e a s e di ns u m m e ri nw h ic h r a i n f a l li sr i c hi nh e i h er i v e r h i g hp r o p o r t i o no fc a n a l1 i n i n gw i i i i n f l u e n c et h et r a n s f e r e n c eb e t w e e n s u r f a c ew a t e ra n dg r o u n d w a t e ra n d a l t e ro r i g i n a lw a t e rc y c l e t h er e s u l ti st h a ts e v e r a lh u n g r i n e s sm a yb e o a s i s ，b u ti tc a u s e sn a t u r a lo a s i sd e g r a d eq u i c k l y s u m m a r i z e d ， w a t e re n v i r o n m e n tc h a n g ec a u s e de j i n o a s i st o d e s e r t i f i c a t i o nb e c a u s eh u m a nc o n t r o lw a t e rr e s o u r c eu n r e a s o n a b l y ，w h i c h w o u l dr e s u l ti nm u c hp r o b l e ma b o u te n v i r o n m e n t ，e c o n o m ya n ds o c i e t y c o n s e q u e n t l y ，i ts h o u l db ep a i dm o r ea t t e n t i o n sb yp e o p l e i ti sn e c e s s a r y t h a tw a t e re q u ili b r i u mo fe c o s y s t e mi st a k e ni n t oa c c o u n tw h e n w e n a b s t r a c l c o n s t r u c t e de n ti r o n m e n t k e y w o r d s ：h e i h er i v e rb a s i n ：w a t e r e n v i r o n m e n t ：e c o h y d r o l o g y ： e c o h y d r o l o g i c a lp r o c e s s ：o a s i s ：d e s e r tr i p a r i a nf o r e s t i i i 原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究所取得的成 果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确 注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 研究生签名：粒 日期：盎坚皇：望 关于学位论文使用授权的说明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属中国科 学院寒区早区环境与工程研究所。本人完全了解中国科学院寒区早区环境与工程 研究所有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构 送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权中国科学院寒区 旱区环境与工程研究所可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离所后发表、使用论 文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为中国科学院寒 区旱区环境与工程研究所。 保密论文在解密后应遵守此规定。 研究生签名 导师签名 日期： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 今天，淡水资源的短缺已经成为全球性问题。从水资源问题产生的背景来看， 主要是人类活动导致了水文循环中最为活跃同时也是最为脆弱的成分生物 群落出现严重退化( m a c i e jz a l e w s k i ，2 0 0 0 ) 。可持续发展的一个最基本的原则 是必须维持生态系统的动态平衡( 曲向荣等，2 0 0 5 ) 。为维护社会的稳定、经济 的健康发展，人类必须谋求水资源的持续利用。传统意义上的水资源管理只是利 用机械的水工技术来解决实际问题，然而现实中的水循环却是生物地球化学演变 的结果。生态水文学，作为- f 3 研究水文与生物之间功能关系的科学，为水资源 的持续利用提供了新的研究手段。由于水环境、生态水文广泛涉及诸多领域，这 里仅就本研究相关部分概述如下。 1 水环境变化研究 1 1 水环境概念 一般来讲，广义的水环境包括水成环境和成水环境。水成环境是人们通常 所讲的狭义的水环境，它是指由地表水环境与地下水环境组成，包括河流、湖泊、 水库、海洋、沼泽、冰川、泉水、浅层和深层地下水等( 陈震，2 0 0 6 ) 。水成环 境研究在国内外开展较早，理论技术体系较为完善；而成水环境则是影响水体正 常功能的各种自然因素和有关社会因素的总体。国内外在这方面研究较为欠缺， 然而这方面研究对于干旱区生态环境建设却有着十分重要的指导意义。 1 2 水环境变化研究进展 如上所述，水环境变化研究主要包括两方面：一是水环境变化过程及机制 研究；二是水环境变化与生态系统的关系。 1 2 1 水环境变化过程及机制研究 水环境变化过程主要表现为水环境在时间和空间上的变化。 水环境在空间上的变化研究得益于监测网络的构建和卫星遥感技术的发展。 在水环境监测方面，国外开展较早。美国早在1 9 世纪末即开始了对水质的监测， 到2 0 世纪5 0 年代以前主要以局部地区和范围的自发监测为主；5 0 年代到6 0 年 代在全美范围内开展被动监测；7 0 年代开始在环境法规的指导下进行主动监测， 中国科学院博士研究生学位论文：黑河下游水环境变化的绿洲生态水文效应 逐步形成水环境监测网络；8 0 年代后监测工作开始走向法制化、标准化、规范 化。日本则有以流域为主的自动监测系统。1 9 8 6 年在莱茵河遭受重大污染后， 政府及许多科研机构着手对莱茵河的水环境变化进行研究，成立专门的保护委员 会，制定了莱茵河水质监测计划，为流域综合管理打下了坚实的基础。我国这方 面开展较晚。我国真正有意识的开展水环境监测工作是从1 9 7 3 年第一次全国环 境保护大会开始的，仅仅走过了3 0 多年的历程。但是，发展还是比较快的，如 在长江、黄河等许多流域都建立了环境监测网，研究成果也较多。 遥感及地理信息系统技术的飞速发展使得空间大尺度的水环境变化研究变 得更加高效、方便和快捷。近些年遥感监测在水环境变化研究中的应用来已经成 为遥感界关注的热点，但此项研究在国内外的进展都不是很快，许多发达国家都 在探索，不断推进研究的进展。美国国家航天局、海洋及大气局、国家基金委等 组织2 0 0 2 年在爱荷华州开展试验研究对地观测卫星高级微波扫描辐射计亮度和 温度与土壤水分的关系。在国内这项技术还处于探索阶段，杨虎等( 2 0 0 3 ) 利用 雷达后向散射系数图像反演了地表土壤水分信息。 水环境在时间上的变化可以分为不同尺度的。在千年尺度上的变化主要采用 同位素技术进行研究；百年尺度上的水环境变化研究丰要利用树轮水文学技术和 历史资料。树轮水文学主要根据树木生长的水文气候的重建研究过去长期水文现 象，包括重建径流和极端水文事件和其他水文过程。目前，北美重建的最长的水 文记录达8 6 9 年：在我国也有许多相关方面的研究，康兴成等( 2 0 0 2 ) 利用树轮 资料重建了黑河近千年的出山口径流变化。周文盛等( 1 9 8 4 ) 分析了额尔齐斯河 5 0 0 年的径流变化。肖生春等利用树轮资料研究了近百年来西居延海湖泊的变 迁。利用历史纪录也可以研究历史上水环境变化。如西北灾害史等较为详细 的介绍了历史时期西北地区水环境变化的极端事件；肖生春等( 2 0 0 1 ) 研究了黑 河中下游水土资源利用和水环境变化历史。刘亚传等( 1 9 9 9 ) 利用历史资料和航 片等研究了历史时期黑河终端湖的水环境变化过程。 水环境变化驱动机制研究主要集中在气候变化和人类活动对水环境的影响 两方面。刘时银等( 2 0 0 6 ) 研究了近期气候对中国珏部冰川的影响。有关人类活 动影响，在湿润区人们主要研究人类工农业活动对水体造成的污染等；在西北干 旱区主要研究人类对水资源的的利用造成的水环境变化等。 第一章绪论 1 2 2 水环境变化与生态系统的关系 水环境变化是开放性的，对人为产生的物理与化学干扰极为敏感。从自然 规律看，在各种自然地理要素及人类活动作用下形成的水循环，是流域复合生态 系统的主要控制性因素。上游地区干扰水循环系统，会迅速传递到下游社会经济 和生态系统。流域内任何地点的水土开发利用，都会影响全流域生态系统平衡状 态。流域的水循环规律的改变可能引起在资源、环境和生态方面的一系列不利效 应：流域产流机制改变，在同等降水条件下，水资源总量呈逐步递减趋势；径流 减少导致水环境容量减少、水质等级降低、水盐关系失衡等问题等等( 金栋梁等， 2 0 0 6 ) 。但国内外相关方面的研究却较为欠缺。 2 生态水文研究进展 生态水文学的诞生来自于两个方面的原因：一是在过去两个世纪里，水分循 环中最活跃同时也是最脆弱的因子生物遭到人类活动的严重破坏：二是传统 的水文学方法无法解决流域尺度的水问题( m a c i e jz a l e w s k i ，2 0 0 0 ) 。新兴的生 态水文学至今未形成一个统一的概念，但在生态和水文两个关键词上是一致的。 首先，水环境的变化对生态格局和生态过程肯定会产生重要影响；但是反过来， 生物群落的结构组成会决定系统保持水分和营养物质的能力，从而影响系统的水 环境。生态水文学是在研究植物水分关系，最终解决人类可持续发展所面临的水 资源短缺和水环境恶化问题的科学。目前，生态水文学的研究主要以流域尺度为 主。 2 1 国外生态水文的研究现状 国际上生态水文学研究可归纳为三个主要方向：一是流域或区域水文循环过 程中生态与水文相互作用与影响问题，研究生态过程如何影响流域或区域的水文 循环过程，包括河道内水生生态系统对河流水文过程的作用；二是流域水利工程 措施如何影响流域内的生态系统，也就是流域水文过程或水文情势变化对生态系 统有何影响的问题，包括河道内和河道外相关区域；三是生态需水问题，研究流 域内各种生态系统的需水和耗水规律，包括不同水供给情况下生态水分胁迫的响 应机理。前两个方面可称为生态水文过程及机理研究，后者则是生态需水方面的 研究。 中国科学院博士研究生学位论文：黑河下游水环境变化的绿洲生态水文效应 2 1 1 生态水文学的过程、机理研究 1 9 7 1 年，联合国教科文组织( u n e s c o ) 正式启动人类生物圈( m a b ) 计划。 水生生态系统研究成为该计划之一核心内容，其主要内容是陆地生态系统和水生 生态系统之间的过渡带如何影响水生态系统生物化学循环( u n e s c o ，2 0 0 0 ) 。这些 方面的研究和学术观点是生态水文学产生的雏形，也是生态水文学研究的一个基 本领域。 早期的生态水文学研究只局限于湿地生态系统湿地、沼泽、泥炭地和水 生生态系统等( p o s te ta 1 ，1 9 9 8 ) 。但在水文学领域，水文学家早就关注生态 系统对水分的消耗及植被系统蒸散发作用对水文循环过程的影响。正是由于对生 态系统影响水文循环理解的局限性，定量描述生态系统在水文过程中的作用成为 水文科学发展的瓶颈，如森林和草地植被如何影响流域产汇流及区域生态系统碳 排放如何与水分结合影响区域降水过程等问题( g a r t h ，2 0 0 0 ) 。这种局面直接影响 到对全球变化如何影响区域水文过程的认识。因此，国际地圈生物圈计划的“水 文循环的生物圈方面( b a h c ) 以及联合国教科文组织( u n e s c o ) 国际水文计划 ( i h p ) 等，都以认识陆地生态系统与区域水文过程的耦合机制为核心内容( l t e r n e t w o r k ，2 0 0 0 ：p o s te ta j ，1 9 9 8 ) 。这些工作形成了现代生态水文学的主要内 涵。 为了全面系统揭示人类活动影响下的水文、气候与生态过程之间的相互关 系，以清晰地理解生态水文学的内涵，在美国科学基金支持下，借助全球生态长 期观测研究网络( l t e r ) ，一项专门的流域尺度生态水文过程观测研究在全球不 同生态系统类型的6 个具有6 0 年生态过程与水文过程研究的典型流域和另外6 个非代表性地点展开，包括了针叶林、落叶林、混交林、热带雨林、北极冻原、 南极干河谷、非洲大草原等主要生态体系。其核心目标之一就是揭示水文过程， 包括类型、速率、时间以及不同时间的水文过程发生的空间特征如何影响生态过 程( l t e rn e t w o r k ，2 0 0 0 ：p o s te ta j ，1 9 9 8 ) 。这一研究计划的实施，使得生态 水文过程研究开创了一个全球性并立足于多种生态类型系统观测的新局面。 这些研究对于弥补生态系统对水文过程响应机制方面研究的多种不足是必 要的。但人类社会面临的客观事实不仅仅是河流生态系统对于人类社会的影响产 生了巨大变化，地球上的整个陆地淡水生态系统都不同程度面临着因人类社会对 4 第一章绪论 水资源的过度占用而造成的生存威胁( r o b e r te ta ，2 0 0 1 ) 。因此，全球变化 和人类活动共同作用下水文过程变化及水资源的时空再分配对全球淡水生态系 统的影响，以及淡水生态系统中丧失的生态服务功能及其未来变化趋势，将是生 态学家和水文学家在该领域所关注的核心科学问题。 2 0 世纪9 0 年代以来，生态水文学迅速发展并逐渐成为相对独立的学科，如 1 9 9 6 年9 月“小流域生态水文学过程”研讨会在法国召开，确定以生态水文过 程为这次全球性学术会议的主题( u n e s c o ，1 9 9 7 ) 。1 9 9 7 年国际水文计划出版了 文集生态水文学水生资源可持续利用的新范例。文集指出生态水文学主 要是为了研究水循环过程、机制与生物、非生物之间的相互关系。国际水文计划 ( i h p ) 的第五个研究计划( i h p - v ，1 9 9 6 2 0 0 1 ) 以“脆弱环境中的水文水资源 开发”为研究方向，把生态水文学列为该计划的核心内容，其目标旨在从流域观 点、从河流系统与自然社会经济的联系中理解水文过程中生物和物理过程的整体 性( u n e s c o ，2 0 0 0 ) 。1 9 9 8 年5 月在波兰召开的u n e s c oi h p - v 2 3 - 2 4 工作组会议 和会后出版的论文集，对生态水文过程研究现状进行了全面总结( 夏军和孙雪 涛，2 0 0 3 ) ，并指出了未来生态水文过程研究的重点领域，认为河流生态系统是受 水文过程控制的“超有机体”，确定生态水文学研究的目标为：比较和评价 现有的水文和生态过程相互关系的信息；评论预测的潜力、确定未来最重要的 研究方向；识别与水文过程相关联的环境问题层次；定量生物因素、非生 物因素之间的联系以及它们在水中的沉积物质、营养物质和污染物质运输、转化 中的作用，以确定从区域到流域尺度的转移路径。 2 1 2 生态需水研究 现阶段国际上生态水资源领域主要集中在生态需水及其相关问题的研究，生 态需水量的研究是生态水文过程理论的实践应用，早在1 9 4 0 s 到1 9 6 0 s ，美国、 加拿大、澳大利亚、南非及法国等国家通过对流域水生生物( 主要是鱼类) 对河 流水文情势变化的响应特征研究，提出了河流最小环境( 或生物) 流量的概念，编 制了典型鱼类繁衍所必需的河流生境质量的高低与基本生态需水( 流速和水深) 之间的曲线关系。当时为了保护水生生物或生境，通常是基于河流物理形态、鱼 类和无脊椎动物确定最小或最佳的生态需水流量。此后直到1 9 9 0 s ，随着生态水 文过程研究的不断深入和扩展，人们才开始考虑维持河流系统完整性的生态流量 5 中国科学院博士研究生学位论文：黑河下游水环境变化的绿洲生态水文效应 需求，g l e i c k 在展望2 l 世纪水资源领域研究方向时提出了基于生态建设( 恢复) 用水的基本生态需水量概念( g l e i c k ，1 9 9 5 ) 。总体而言，由于西方发达国家并没 有中国这样因高强度人类活动引起的复杂多样的生态问题，因此他们对生态需水 的研究主要集中在维系自然生态系统平衡的方面( 夏军和孙雪涛，2 0 0 3 ) ，且这 方面的研究开展较少，如2 0 0 3 年由英国政府国际发展部发起完成的南非洲发展 中国家流域水资源需求与利用报告中，对环境需水就完全定义为河道内生态系统 尤其是流域内水生生物生存繁衍对河流流量的要求。 2 2国内以及黑河流域生态水文的研究现状 2 2 1 生态水文研究现状 我国在该领域起步较晚，但在某些方面发展较快，基本与国际发展前沿相接 近，如干旱半干旱地区建立的小尺度描述土壤一植被一大气间水分传输过程的 s p a c 模型、在流域或区域尺度上研究“大气一土壤一植物”系统水分能量交换 的s v a t 模型等，在模拟植被生态系统水分传输方面无论是试验观测手段、参数 确定方法还是数学模型的开发和模拟研究，基本国际发展水平相接近。森林生态 水文研究在我国多种气候单元都有较长时间，尤其在黄土高原和干旱山区森林生 态水文研究具有鲜明特色，以研究森林对降水汇流过程和土壤侵蚀过程的影 响为主，从林冠截留、林地枯落物吸持水、林地土壤水分入渗与贮水以及林地蒸 散发等水文平衡要素出发，系统研究森林水文生态作用过程，包括对不同气候带 典型森林植被类型水文过程对比研究，对森林水文生态作用过程的不同阶段或全 过程提出了许多数值模拟模型，同时在森林生态系统的水文生态功能和森林水文 生态效益等方面也开展了卓有成效的研究。 黑河流域生态水文过程研究集中在三个方面：一是在河源山区森林带开展的 以森林水源涵养功能观测研究为核心的森林生态水文过程研究，在黑河上游祁连 山区这方面的研究已有近3 0 年历史，在国内具有一定影响；二是干旱区典型植 物的水分利用机理和水分胁迫的响应特征等方面相对微观尺度的生态水文研究， 包括干旱区土壤结皮的生态水文规律研究；三是不同景观带植被生态系统的蒸散 发及其年内变化规律的研究。1 9 9 0 - - 1 9 9 2 年的h e i f i 试验选择黑河流域中游 7 0 9 0 k m 的绿洲与沙漠地区作为研究区域，进行了大量以水分与热量交换为核 6 第一章绪论 心的地气相互作用综合观测，对黑河中游荒漠陆面过程特征与机制有了新的认 识，获得了大量观测数据与参数化方案中的重要参数。关于绿洲与沙漠之间的水 热相互作用研究有了突破性的认识与进展( 胡隐樵等，1 9 9 4 ；阎宇平等，2 0 0 1 ) ， 在国际上有一定影响：2 0 0 1 年以来康尔泗等在黑河流域山区森林和草原带、中 游绿洲一荒漠交界带和下游荒漠植被带分别架设环境观测系统( e n v l s ) ，建立 了陆而过程观测场，研究流域不同植被景观带内各有特色的土壤一植物一大气体 系( s v a t ) 内的水分、热量、光合过程及其时空分布规律，已取得初步研究成果。 塔里木河流域中下游，有关荒漠植被和地下水、地表水的关系研究有近4 0 年的 历史，近年来对流域植被系统的水文过程响应规律的研究取得了一系列有影响的 成果，揭示了荒漠植被的水分耗散规律、来源及对生态输水的响应特征等。 总之，我国生态水文过程的研究总体落后于其他西方发达国家，但有些领域 的研究独具特色，其中黄土高原以土壤侵蚀为核心的植被一土壤一大气水分交换 及流域尺度的水沙效应研究、干旱内陆流域不同景观带的植被一土壤一大气间水 分传输规律研究和植被的水文响应特征研究等具有代表性。 2 2 2 生态需水领域 与生态水文过程不同，近年来生态需水量的研究在我国发展迅速，以西部生 态环境保护和建设为目标的区域生态需水量评价和相关理论的探讨在国内已形 成很有影响的水文学科前沿领域。早在2 0 世纪7 0 年代，原地质矿产部兰州水文 地质与工程地质中心在开展地矿部“六五”攻关计划“河西走廊地下水评价与合 理开采利用规划”时，针对地下水盆地水量平衡提出了生态用水的水量消耗项。 1 9 8 0 年后期，汤奇成和曲耀光等人在开展乌鲁木齐河与塔里木河流域水资源合 理利用问题的研究中提出生态用水问题，认为“为了保护各绿洲的生态环境，而 生态环境的保护也离不开水，这部分水可统称为生态用水”，并把这个理念用到 后来开展的河西走廊水资源合理利用研究中。进入1 9 9 0 年，先是国家“八五” 攻关计划中有关华北水资源合理利用研究明确将生态环境用水作为重要的水资 源需求而给于优先满足，考虑到华北地区的实际情况，当时仅把水污染状况作为 环境的约束条件。此后，随着水环境问题越来越受到广泛关注，关于河流环境用 水问题的研究逐渐成为全国的热点领域，众多科学家提出了多种关于环境用水的 概念内涵以及评价方法( 李丽娟和郑红星，2 0 0 0 ；丰华丽等，2 0 0 1 ) 。刘昌明( 1 9 9 9 ) 中国科学院博士研究生学位论文：黑河下游水环境变化的绿渊生态水文效应 提出，维持自然生态与人类环境用水应该考虑水热( 能) 平衡、水盐平衡、水沙 平衡以及区域水量平衡与供需平衡等4 个原则，从广义角度上说，维持全球生物 地球化学平衡诸如水热( 能) 平衡、水盐平衡、水沙平衡等所消耗的水分都是生 态环境用水；从狭义角度讲，则指保障生态环境不再恶化并逐渐改善而需要消耗 的水资源总量。 西北干旱区生态环境与经济社会发展的用水矛盾十分突出，由于水资源开发 利用而引发的生态环境问题最严重且复杂多样，不仅严重制约了本区的可持续发 展，而且其影响波及全国及国民经济在2 1 世纪的稳定发展，因此西北干旱区是 有关生态需水问题研究的核心地区。系统开展干旱区生态需水研究时从2 0 世纪 9 0 年代开始的，确切地讲开始于国家九五攻关计划关于西北水资源合理利用研 究时期。有关干旱区生态需水量的概念、内涵以及分析方法等，不同学者提出了 不同观点，在不同地区和空间尺度上提出了有关的生态需水量的计算结果( 贾宝 全和许英勤，1 9 9 8 ；贾宝全等，2 0 0 2 ；夏军等，2 0 0 2 ) 。值得提出的是2 0 0 2 - 2 0 0 3 年间，由钱正英主持开展了“西北地区水资源配置、生态环境建设和可持 续发展战略研究”，对整个西北地区的生态需水量进行了系统评价，给出了宏观 尺度上不同地区的现状生态需水量。 总之，水文过程及其变化如何在不同时空尺度上影响生态过程，生态系统和 陆地表面生态过程如何反作用于水文过程，如植被系统如何以媒介的方式参与水 的输入、储存和消耗而作用于整个水文循环等，是生态水文学生态水文过程研究 的两大密切关联的核心主体和主要内涵。l t e r 把这两个方面设定为长期定位研 究的生态水文科学问题。但生态水文过程研究存在诸多困难，最大挑战就在于缺 乏陆面生态过程要素中有关水文的一些关键性数据和信息积累，如植被结构如何 影响降雨和雪的截留作用，土壤水分的有效性和水气压差如何控制植物功能性组 分的蒸腾作用等，而且存在比水文过程更加复杂和困难的尺度问题。这些巨大挑 战吸引了越来越多的生态学、水文学、环境科学及人文科学等诸多学科的科学家 汇聚到生态水文科学这一新的交叉学科领域中来，在全球范围内形成了庞大的专 门研究队伍。我国在有些领域的研究独具特色，如黄土高原以土壤侵蚀为核心的 植被一土壤一大气水分交换及流域尺度的水沙效应研究、干旱内陆流域不同景观 8 第一章绪论 带的植被一土壤一大气间水分传输规律研究和植被的水文响应特征研究以及青 藏高原基于高寒生态系统的高原能水平衡实验研究等。 3 人类活动对水环境影响研究进展 水资源与水环境问题，是目前世界范围内广泛关注的问题之一。这是由于人 类社会稳定与发展与水资源是息息相关的，而在过去的两个世纪里，人口急剧增 长，大规模的森林砍伐、城市化和基础设施建设，已经导致了水环境急剧恶化， 直接或间接的威胁到人类的生存。 3 1 农牧业活动 农牧业活动主要表现在农业活动的不合理灌溉和过度放牧、土地利用方式的 改变等。不当灌溉是造成土地荒漠化、水土流失的主要原因之一。在巴基斯坦， 由于不当灌溉，来自印度河的水大量渗入地下，地下水位不断上升，地下水沿着 土壤中的毛管上升到地表蒸发掉，盐分留在地表，造成土地盐碱化，最终导致土 地荒漠化。在黄河源头，由于过度放牧，导致了草场荒漠化，气候恶化，连年干 旱，湖泊面积减少甚至消失。土地利用变化的重要环境反应是以水文行为变化出 现的，如径流的组成、侵蚀速率或地下水补给速率的变化，而水文行为变化又会 影响环境反应并反作用于土地利用，由此交织形成一个复杂并相互作用的系统 ( s c h u l z e ，2 0 0 0 ) 。土地利用强度的加大增加了水资源的利用率，增加了地表水 的排泄速度，地下水的过度抽取导致水位下降，形成大面积的降落漏斗 ( o t s u b o ，2 0 0 0 ) ，并且在部分城市已经出现了严重的地表沉降和海水入侵现象。 另一方面，土地利用加大对水资源的利用，同时也增加了大气湿度和地表湿度， 有助于降雨的形成( 傅伯杰等，2 0 0 1 ) 。在干旱、半干旱地区，沙漠化对局地和区 域影响将使温度增加、降水减少，并改变整个区域的生态水文循环模式 ( s c l e s i n g e r ，1 9 9 0 ) 。世界范围内，由于土地利用变化而引起的沉积物运移已经极 大地增长了。由于土地利用类型的多样性和利用结构的复杂性，土地利用格局与 水文过程的关系一直是一个重要的研究课题。和农耕地相比，休闲地在地下水的 补给中贡献很大，但同时它也增大了地表产流量和河道排泄( b o r m a n n ，1 9 9 9 ) 。傅 伯杰等在黄土高原的研究表明坡耕地一草地一林地格局( 由坡面下部至上部顺序， 下同) 对减少水土流失最为有利。土壤水分的变异为：草地一坡耕地一林地为u 型， 坡耕地一草地一林地为w 型，坡耕地一林地一草地为v 型。在坡耕地一草地一林地格局中， 9 中国科学院博士研究生学位论文：黑河下游水环境变化的绿洲生态水文效应 林草地的高入渗率和有效的植被覆盖减少了地表径流的产生和沉积物的运移，具 有较好的保持养分和水分的作用，因此对水土保持最为有利。 3 2 森林的破坏改变径流过程 人类对生态环境的破坏是造成沙漠化等水环境灾害的主要原因之一。研究表 明亚马逊河流域的热带雨林消失，地球表面温度会上升2 5 ，大气环流将会出 现紊乱。森林面积的减小，会导致大气中c 0 ：浓度急剧上升，引起温室效应，地 球将会变得更加干燥，沙漠化面积扩大。由于森林生态系统本身的复杂性，以及 影响地表径流因素的复杂性，森林对径流的影响一直有不同的看法。在集水区尺 度上，国内外的研究均表明：植被覆盖增加，径流和养分流失减少；并且在原无 植被覆盖的地区种植植被将会减少地表径流量( 周晓峰，2 0 0 1 ) 。s t e d n i c k 、j o n e s 和g r a n t 在美国较大流域上的研究也验证了以上结论。n f o h r e r 在d i e t z hl z e 流 域的研究还表明，和壤中流、溪流相比，地表径流对植物覆盖参数最为敏感； a k l e i d o n 在a m a z o n 、s h a g e m a n 在南非s a m b e s i 集水区的研究表明，随着地下生 物量的增加，径流量、产沙量和养分流失减少。j a y a s u r i y a 在澳大利亚对桉树砍 伐方式的研究表明，斑块状的皆伐方式比间伐对径流量的贡献更大。h o r n b e c k 在美国西南部研究表明，植被皆伐后，不同地理单元降雨量的高低通过影响植被 恢复速度也影响水量的变化。长时间来说，干旱区的影响将更为持久；而皆伐后， 自然恢复比人工恢复能更快地降低产流量。森林能在一定的条件下通过改变水分 在蒸发、径流、土壤水和地下水间的分配，从而影响极端水文事件( 洪水和干旱) 的发生，增加区域的保水能力和对水土流失的绝对控制能力( 黄明斌，1 9 9 9 ) 。 灌丛和草地对水文过程有相似的影响，但和森林相比要简单得多。 3 3 地下水的过度开采 地下水的