生态水文学EcoEco-hydrologyhydrology.pdf

1 生态水文学生态水文学生态水文学生态水文学 EcoEco- -hydrologyhydrology 胡胡胡胡 和和和和 平平平平教授教授教授教授 清华大学水文水资源研究所清华大学水文水资源研究所清华大学水文水资源研究所清华大学水文水资源研究所 2 提要提要提要提要 多种生态系统中多种生态系统中多种生态系统中多种生态系统中 的植物水分关系的植物水分关系的植物水分关系的植物水分关系 湿地生态系统湿地生态系统湿地生态系统湿地生态系统 森林生态系统森林生态系统森林生态系统森林生态系统 湖泊生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统 河流生态系统河流生态系统河流生态系统河流生态系统 干旱区生态系统干旱区生态系统干旱区生态系统干旱区生态系统 生态水文学的概念生态水文学的概念生态水文学的概念生态水文学的概念 植物水分关系概述植物水分关系概述植物水分关系概述植物水分关系概述 生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题 生态水文模型的建立生态水文模型的建立生态水文模型的建立生态水文模型的建立 生态水文学展望生态水文学展望生态水文学展望生态水文学展望 3 生态水文学生态水文学生态水文学生态水文学 生态水文学是生态水文学是生态水文学是生态水文学是2020世纪世纪世纪世纪9090年代以来兴年代以来兴年代以来兴年代以来兴 起的一门边缘学科，是描述生态格起的一门边缘学科，是描述生态格起的一门边缘学科，是描述生态格起的一门边缘学科，是描述生态格 局和生态过程水文学机制的一门科局和生态过程水文学机制的一门科局和生态过程水文学机制的一门科局和生态过程水文学机制的一门科 学，是研究植物如何影响水文过程学，是研究植物如何影响水文过程学，是研究植物如何影响水文过程学，是研究植物如何影响水文过程 及水文过程如何影响植物分布和生及水文过程如何影响植物分布和生及水文过程如何影响植物分布和生及水文过程如何影响植物分布和生 长的水文学和生态学之间的交叉学长的水文学和生态学之间的交叉学长的水文学和生态学之间的交叉学长的水文学和生态学之间的交叉学 科。科。科。科。 生态水文学可以积极的用来保护和生态水文学可以积极的用来保护和生态水文学可以积极的用来保护和生态水文学可以积极的用来保护和 改善景观，而不是消极地用来进一改善景观，而不是消极地用来进一改善景观，而不是消极地用来进一改善景观，而不是消极地用来进一 步开发利用景观。步开发利用景观。步开发利用景观。步开发利用景观。 4 生态水文学的定义生态水文学的定义生态水文学的定义生态水文学的定义 生态水文学生态水文学生态水文学生态水文学狭义：狭义：狭义：狭义： 生态水文学是应用性的交叉学科，旨在生态水文学是应用性的交叉学科，旨在生态水文学是应用性的交叉学科，旨在生态水文学是应用性的交叉学科，旨在 更好的了解水文因素如何决定湿地生态更好的了解水文因素如何决定湿地生态更好的了解水文因素如何决定湿地生态更好的了解水文因素如何决定湿地生态 系统的自然发育，特别是在自然保护和系统的自然发育，特别是在自然保护和系统的自然发育，特别是在自然保护和系统的自然发育，特别是在自然保护和 更新方面是很有价值的（湿地生态学家更新方面是很有价值的（湿地生态学家更新方面是很有价值的（湿地生态学家更新方面是很有价值的（湿地生态学家 WassenWassen, , GrootjansGrootjans, 1996, 1996）。）。）。）。 生态水文学是生态学的水文方面问题的生态水文学是生态学的水文方面问题的生态水文学是生态学的水文方面问题的生态水文学是生态学的水文方面问题的 一门科学；是从生态问题着眼研究的生一门科学；是从生态问题着眼研究的生一门科学；是从生态问题着眼研究的生一门科学；是从生态问题着眼研究的生 态学之间的一种重叠（态学之间的一种重叠（态学之间的一种重叠（态学之间的一种重叠（GrootjansGrootjans， 19961996）。）。）。）。 5 生态水文学的定义生态水文学的定义生态水文学的定义生态水文学的定义 生态水文学生态水文学生态水文学生态水文学广义：广义：广义：广义： HattonHatton等（等（等（等（19971997）应用生态水文学这）应用生态水文学这）应用生态水文学这）应用生态水文学这 一术语概述植物与水分的相互作用，并一术语概述植物与水分的相互作用，并一术语概述植物与水分的相互作用，并一术语概述植物与水分的相互作用，并 建议生态水文平衡模型的建议生态水文平衡模型的建议生态水文平衡模型的建议生态水文平衡模型的EaglesonEagleson理理理理 论应成为生态水文研究的核心。论应成为生态水文研究的核心。论应成为生态水文研究的核心。论应成为生态水文研究的核心。 包括旱地、湿地、森 林、河流和湖泊在内 的一系列环境中的生 态水文过程 包括旱地、湿地、森 林、河流和湖泊在内 的一系列环境中的生 态水文过程 6 提要提要提要提要 多种生态系统中多种生态系统中多种生态系统中多种生态系统中 的植物水分关系的植物水分关系的植物水分关系的植物水分关系 湿地生态系统湿地生态系统湿地生态系统湿地生态系统 森林生态系统森林生态系统森林生态系统森林生态系统 湖泊生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统 河流生态系统河流生态系统河流生态系统河流生态系统 干旱区生态系统干旱区生态系统干旱区生态系统干旱区生态系统 生态水文学的概念生态水文学的概念生态水文学的概念生态水文学的概念 植物水分关系概述植物水分关系概述植物水分关系概述植物水分关系概述 生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题 生态水文模型的建立生态水文模型的建立生态水文模型的建立生态水文模型的建立 生态水文学展望生态水文学展望生态水文学展望生态水文学展望 7 植物水分关系植物水分关系植物水分关系植物水分关系 植物体内的水分运动是纯植物体内的水分运动是纯植物体内的水分运动是纯植物体内的水分运动是纯“ “被动的被动的被动的被动的” ” ：由具有高能的地方流向具有低能：由具有高能的地方流向具有低能：由具有高能的地方流向具有低能：由具有高能的地方流向具有低能 的地方。的地方。的地方。的地方。 植物细胞的水分关系可以用反映细植物细胞的水分关系可以用反映细植物细胞的水分关系可以用反映细植物细胞的水分关系可以用反映细 胞中水分的能量状况以及能量随含胞中水分的能量状况以及能量随含胞中水分的能量状况以及能量随含胞中水分的能量状况以及能量随含 水量变化的方程来描述。水量变化的方程来描述。水量变化的方程来描述。水量变化的方程来描述。 水的能量含量取决于温度、地球重水的能量含量取决于温度、地球重水的能量含量取决于温度、地球重水的能量含量取决于温度、地球重 力场高度、压力和溶液中水的摩尔力场高度、压力和溶液中水的摩尔力场高度、压力和溶液中水的摩尔力场高度、压力和溶液中水的摩尔 分数。分数。分数。分数。 8 植物水分关系植物水分关系植物水分关系植物水分关系 根据光合作用所需要的 速率来吸收CO2，同时 使叶的水分蒸腾维持在 适当的低速率水平 从土壤中吸收水 分以恢复叶蒸腾 掉的水分 植物水分蒸腾速率是受植物和环境 两方面制约的。植物通过气孔生理 来控制水分移动，气孔通过增强或 减弱水汽扩散的叶传导度对光、温 度、CO2、叶水势和湿度作出响应。 但是制约蒸腾最重要的环境因素是 植物所吸收的净辐射。 9 植物水分关系植物水分关系植物水分关系植物水分关系 影响根系从土壤中吸收水分的主要影响根系从土壤中吸收水分的主要影响根系从土壤中吸收水分的主要影响根系从土壤中吸收水分的主要 因素是扎根深度，扎根深度因因素是扎根深度，扎根深度因因素是扎根深度，扎根深度因因素是扎根深度，扎根深度因土壤土壤土壤土壤 条件条件条件条件和和和和植物种类植物种类植物种类植物种类不同有很大变化。不同有很大变化。不同有很大变化。不同有很大变化。 较深的通气良好的北美草原土壤上较深的通气良好的北美草原土壤上较深的通气良好的北美草原土壤上较深的通气良好的北美草原土壤上 ，植物根深可达，植物根深可达，植物根深可达，植物根深可达10102525mm，粘重土粘重土粘重土粘重土 壤上生长的植物，壤上生长的植物，壤上生长的植物，壤上生长的植物，9090的根分布在的根分布在的根分布在的根分布在 上层土壤上层土壤上层土壤上层土壤0.50.51.01.0mm处。处。处。处。 相同土壤条件下，扎根深度随植物相同土壤条件下，扎根深度随植物相同土壤条件下，扎根深度随植物相同土壤条件下，扎根深度随植物 种类不同有很大差异。种类不同有很大差异。种类不同有很大差异。种类不同有很大差异。 山柳菊凤仙花羊狐茅老鹳草 沙伯早熟禾 总状花 直立委陵菜鸡冠草 10 植物水分关系植物水分关系植物水分关系植物水分关系 多数植物体内的水流是由水压差驱动的。多数植物体内的水流是由水压差驱动的。多数植物体内的水流是由水压差驱动的。多数植物体内的水流是由水压差驱动的。 根据汁液上升的内聚力张力理论，水分根据汁液上升的内聚力张力理论，水分根据汁液上升的内聚力张力理论，水分根据汁液上升的内聚力张力理论，水分 移动是由叶的蒸腾表面张力驱动的。表面移动是由叶的蒸腾表面张力驱动的。表面移动是由叶的蒸腾表面张力驱动的。表面移动是由叶的蒸腾表面张力驱动的。表面 张力降低了蒸腾生境的水压，导致水分从张力降低了蒸腾生境的水压，导致水分从张力降低了蒸腾生境的水压，导致水分从张力降低了蒸腾生境的水压，导致水分从 根里向上流动。根里向上流动。根里向上流动。根里向上流动。 在溶质被渗透障碍物所阻的时候，水分移在溶质被渗透障碍物所阻的时候，水分移在溶质被渗透障碍物所阻的时候，水分移在溶质被渗透障碍物所阻的时候，水分移 动比溶质移动容易，水流通过膜进出细胞动比溶质移动容易，水流通过膜进出细胞动比溶质移动容易，水流通过膜进出细胞动比溶质移动容易，水流通过膜进出细胞 的运动是由细胞内外之间的水势差所驱动的运动是由细胞内外之间的水势差所驱动的运动是由细胞内外之间的水势差所驱动的运动是由细胞内外之间的水势差所驱动 的。的。的。的。 植物体内水势差主要是由压力差和溶质势植物体内水势差主要是由压力差和溶质势植物体内水势差主要是由压力差和溶质势植物体内水势差主要是由压力差和溶质势 差所决定的。通过根的水流通常是由土壤差所决定的。通过根的水流通常是由土壤差所决定的。通过根的水流通常是由土壤差所决定的。通过根的水流通常是由土壤 水分和植物基部压力差所驱动的。水分和植物基部压力差所驱动的。水分和植物基部压力差所驱动的。水分和植物基部压力差所驱动的。 11 水力传导率水力传导率水力传导率水力传导率 12 凋萎和渍水凋萎和渍水凋萎和渍水凋萎和渍水 凋萎是指植物在干旱时的软柔、松弛和下垂凋萎是指植物在干旱时的软柔、松弛和下垂凋萎是指植物在干旱时的软柔、松弛和下垂凋萎是指植物在干旱时的软柔、松弛和下垂 状态。状态。状态。状态。 凋萎在叶上表现的最明显。叶靠细胞膨压维凋萎在叶上表现的最明显。叶靠细胞膨压维凋萎在叶上表现的最明显。叶靠细胞膨压维凋萎在叶上表现的最明显。叶靠细胞膨压维 持其形状，当膨压降到零时，叶就出现凋萎持其形状，当膨压降到零时，叶就出现凋萎持其形状，当膨压降到零时，叶就出现凋萎持其形状，当膨压降到零时，叶就出现凋萎 现象。现象。现象。现象。 植物接近凋萎点时，气孔传导度逐渐丧失，植物接近凋萎点时，气孔传导度逐渐丧失，植物接近凋萎点时，气孔传导度逐渐丧失，植物接近凋萎点时，气孔传导度逐渐丧失， 蒸腾量和光合作用随之降低。蒸腾量和光合作用随之降低。蒸腾量和光合作用随之降低。蒸腾量和光合作用随之降低。 渍水指土壤水分饱和或积水的一种环境条件渍水指土壤水分饱和或积水的一种环境条件渍水指土壤水分饱和或积水的一种环境条件渍水指土壤水分饱和或积水的一种环境条件 ，可能持续几小时或数月之久。，可能持续几小时或数月之久。，可能持续几小时或数月之久。，可能持续几小时或数月之久。 渍水往往影响根的形态和生理活动。当根的渍水往往影响根的形态和生理活动。当根的渍水往往影响根的形态和生理活动。当根的渍水往往影响根的形态和生理活动。当根的 水分通量受阻日趋严重时，可引起对水淹敏水分通量受阻日趋严重时，可引起对水淹敏水分通量受阻日趋严重时，可引起对水淹敏水分通量受阻日趋严重时，可引起对水淹敏 感的植物凋萎和落叶，耐水淹植物由于根的感的植物凋萎和落叶，耐水淹植物由于根的感的植物凋萎和落叶，耐水淹植物由于根的感的植物凋萎和落叶，耐水淹植物由于根的 适应性反应不容易受渍水影响。适应性反应不容易受渍水影响。适应性反应不容易受渍水影响。适应性反应不容易受渍水影响。 13 提要提要提要提要 多种生态系统中多种生态系统中多种生态系统中多种生态系统中 的植物水分关系的植物水分关系的植物水分关系的植物水分关系 湿地生态系统湿地生态系统湿地生态系统湿地生态系统 森林生态系统森林生态系统森林生态系统森林生态系统 湖泊生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统 河流生态系统河流生态系统河流生态系统河流生态系统 干旱区生态系统干旱区生态系统干旱区生态系统干旱区生态系统 生态水文学的概念生态水文学的概念生态水文学的概念生态水文学的概念 植物水分关系概述植物水分关系概述植物水分关系概述植物水分关系概述 生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题 生态水文模型的建立生态水文模型的建立生态水文模型的建立生态水文模型的建立 生态水文学展望生态水文学展望生态水文学展望生态水文学展望 14 生态水文关系相互作用的尺度问题生态水文关系相互作用的尺度问题生态水文关系相互作用的尺度问题生态水文关系相互作用的尺度问题 研究植物水分关系尺度问题的意义研究植物水分关系尺度问题的意义研究植物水分关系尺度问题的意义研究植物水分关系尺度问题的意义 人口增长、技术发展和经济活动使得人人口增长、技术发展和经济活动使得人人口增长、技术发展和经济活动使得人人口增长、技术发展和经济活动使得人 类对水系统的影响尺度从局地扩大到全类对水系统的影响尺度从局地扩大到全类对水系统的影响尺度从局地扩大到全类对水系统的影响尺度从局地扩大到全 球范围。球范围。球范围。球范围。 绝大多数的气候过程、水文过程和生态绝大多数的气候过程、水文过程和生态绝大多数的气候过程、水文过程和生态绝大多数的气候过程、水文过程和生态 过程具有强烈的时空异质性。过程具有强烈的时空异质性。过程具有强烈的时空异质性。过程具有强烈的时空异质性。 生态水文学理论和模型往往是特定尺度生态水文学理论和模型往往是特定尺度生态水文学理论和模型往往是特定尺度生态水文学理论和模型往往是特定尺度 的，特定模型往往只适用于一定的时空的，特定模型往往只适用于一定的时空的，特定模型往往只适用于一定的时空的，特定模型往往只适用于一定的时空 尺度。尺度。尺度。尺度。 15 特征观测尺度特征观测尺度特征观测尺度特征观测尺度 16 过程尺度、异质性和变异性过程尺度、异质性和变异性过程尺度、异质性和变异性过程尺度、异质性和变异性 特征观测尺度在习惯上就是一个点（或网特征观测尺度在习惯上就是一个点（或网特征观测尺度在习惯上就是一个点（或网特征观测尺度在习惯上就是一个点（或网 格平均值），过程尺度往往反映时空方面格平均值），过程尺度往往反映时空方面格平均值），过程尺度往往反映时空方面格平均值），过程尺度往往反映时空方面 的变化。的变化。的变化。的变化。 “ “异质性异质性异质性异质性” ”通常是用来说明介质性质的空间通常是用来说明介质性质的空间通常是用来说明介质性质的空间通常是用来说明介质性质的空间 变化（如土壤水力传导性），而变化（如土壤水力传导性），而变化（如土壤水力传导性），而变化（如土壤水力传导性），而“ “变异性变异性变异性变异性” ” 或变率却涉及空间和时间上有所变化的通或变率却涉及空间和时间上有所变化的通或变率却涉及空间和时间上有所变化的通或变率却涉及空间和时间上有所变化的通 量（如降水量）。量（如降水量）。量（如降水量）。量（如降水量）。 所有尺度上地面大气相互作用的空间异所有尺度上地面大气相互作用的空间异所有尺度上地面大气相互作用的空间异所有尺度上地面大气相互作用的空间异 质性特征对水文气象学家仍然是一大挑战质性特征对水文气象学家仍然是一大挑战质性特征对水文气象学家仍然是一大挑战质性特征对水文气象学家仍然是一大挑战 ，因为干表面和湿表面以上的大气特征由，因为干表面和湿表面以上的大气特征由，因为干表面和湿表面以上的大气特征由，因为干表面和湿表面以上的大气特征由 于地面能量再分配过程的截然不同而大不于地面能量再分配过程的截然不同而大不于地面能量再分配过程的截然不同而大不于地面能量再分配过程的截然不同而大不 相同。相同。相同。相同。 17 外推、整体定标技术外推、整体定标技术外推、整体定标技术外推、整体定标技术 外推技术的基本假定：中尺度和亚中尺度外推技术的基本假定：中尺度和亚中尺度外推技术的基本假定：中尺度和亚中尺度外推技术的基本假定：中尺度和亚中尺度 定律和方程可用来描述较大尺度的过程，定律和方程可用来描述较大尺度的过程，定律和方程可用来描述较大尺度的过程，定律和方程可用来描述较大尺度的过程， 换句话说，植物尺度的经验关系适用于植换句话说，植物尺度的经验关系适用于植换句话说，植物尺度的经验关系适用于植换句话说，植物尺度的经验关系适用于植 冠、斑块植被和生物群落尺度。冠、斑块植被和生物群落尺度。冠、斑块植被和生物群落尺度。冠、斑块植被和生物群落尺度。 HottonHotton和和和和WuWu（19951995）提出了另一种尺度提出了另一种尺度提出了另一种尺度提出了另一种尺度 理论：把生态场理论、水分平衡理论和土理论：把生态场理论、水分平衡理论和土理论：把生态场理论、水分平衡理论和土理论：把生态场理论、水分平衡理论和土 壤植物大气连续体的标准处理这三种壤植物大气连续体的标准处理这三种壤植物大气连续体的标准处理这三种壤植物大气连续体的标准处理这三种 要素结合起来，预测水汽通量叶面积关要素结合起来，预测水汽通量叶面积关要素结合起来，预测水汽通量叶面积关要素结合起来，预测水汽通量叶面积关 系的性质。系的性质。系的性质。系的性质。 应用量纲分析或自相似技术可推导与尺度应用量纲分析或自相似技术可推导与尺度应用量纲分析或自相似技术可推导与尺度应用量纲分析或自相似技术可推导与尺度 无关的无关的无关的无关的“ “自然法则自然法则自然法则自然法则” ”。分形理论为之提供了。分形理论为之提供了。分形理论为之提供了。分形理论为之提供了 一个数学框架，但是简单的分形特性很少一个数学框架，但是简单的分形特性很少一个数学框架，但是简单的分形特性很少一个数学框架，但是简单的分形特性很少 应用于所有的时间尺度或空间尺度。应用于所有的时间尺度或空间尺度。应用于所有的时间尺度或空间尺度。应用于所有的时间尺度或空间尺度。 18 统计降尺度技术统计降尺度技术统计降尺度技术统计降尺度技术 降尺度技术可分为四种方法：降尺度技术可分为四种方法：降尺度技术可分为四种方法：降尺度技术可分为四种方法： 回归方法回归方法回归方法回归方法 天气型方法（大气环流降尺度方法）天气型方法（大气环流降尺度方法）天气型方法（大气环流降尺度方法）天气型方法（大气环流降尺度方法） 随机天气发生器随机天气发生器随机天气发生器随机天气发生器 有限面积模型有限面积模型有限面积模型有限面积模型 降尺度技术往往用于解决数据丰富和降尺度技术往往用于解决数据丰富和降尺度技术往往用于解决数据丰富和降尺度技术往往用于解决数据丰富和 数据贫乏地区之间的内插法问题。数据贫乏地区之间的内插法问题。数据贫乏地区之间的内插法问题。数据贫乏地区之间的内插法问题。 19 分布技术分布技术分布技术分布技术 遥感技术、地理信息系统和数字地遥感技术、地理信息系统和数字地遥感技术、地理信息系统和数字地遥感技术、地理信息系统和数字地 形模型技术的发展大大促进了预测形模型技术的发展大大促进了预测形模型技术的发展大大促进了预测形模型技术的发展大大促进了预测 制图技术的发展，可以解决半分布制图技术的发展，可以解决半分布制图技术的发展，可以解决半分布制图技术的发展，可以解决半分布 、分布式水文模型的参数化问题可、分布式水文模型的参数化问题可、分布式水文模型的参数化问题可、分布式水文模型的参数化问题可 以对地形方面的特性做到更真实的以对地形方面的特性做到更真实的以对地形方面的特性做到更真实的以对地形方面的特性做到更真实的 模拟。模拟。模拟。模拟。 分布式模型需要对网格进行排列组分布式模型需要对网格进行排列组分布式模型需要对网格进行排列组分布式模型需要对网格进行排列组 合，使之符合所观测的蒸散或径流合，使之符合所观测的蒸散或径流合，使之符合所观测的蒸散或径流合，使之符合所观测的蒸散或径流 的水文响应，其结果受到所选网格的水文响应，其结果受到所选网格的水文响应，其结果受到所选网格的水文响应，其结果受到所选网格 的数量和分辨率以及加权的影响。的数量和分辨率以及加权的影响。的数量和分辨率以及加权的影响。的数量和分辨率以及加权的影响。 20 生态和水文过程之间的尺度不匹配生态和水文过程之间的尺度不匹配生态和水文过程之间的尺度不匹配生态和水文过程之间的尺度不匹配 大尺度气候特征与小尺度地面属性大尺度气候特征与小尺度地面属性大尺度气候特征与小尺度地面属性大尺度气候特征与小尺度地面属性 之间的尺度错配，即气候模型和观之间的尺度错配，即气候模型和观之间的尺度错配，即气候模型和观之间的尺度错配，即气候模型和观 测的分辨率与地形特征尺度之间的测的分辨率与地形特征尺度之间的测的分辨率与地形特征尺度之间的测的分辨率与地形特征尺度之间的 尺度不匹配尺度不匹配尺度不匹配尺度不匹配 小尺度大气特征（对流和雨云）与小尺度大气特征（对流和雨云）与小尺度大气特征（对流和雨云）与小尺度大气特征（对流和雨云）与 区域陆地系统之间的尺度错配，使区域陆地系统之间的尺度错配，使区域陆地系统之间的尺度错配，使区域陆地系统之间的尺度错配，使 得掌握广大区域极端事件的发生情得掌握广大区域极端事件的发生情得掌握广大区域极端事件的发生情得掌握广大区域极端事件的发生情 况和统计数量十分困难况和统计数量十分困难况和统计数量十分困难况和统计数量十分困难 21 提要提要提要提要 多种生态系统中多种生态系统中多种生态系统中多种生态系统中 的植物水分关系的植物水分关系的植物水分关系的植物水分关系 湿地生态系统湿地生态系统湿地生态系统湿地生态系统 森林生态系统森林生态系统森林生态系统森林生态系统 湖泊生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统 河流生态系统河流生态系统河流生态系统河流生态系统 干旱区生态系统干旱区生态系统干旱区生态系统干旱区生态系统 生态水文学的概念生态水文学的概念生态水文学的概念生态水文学的概念 植物水分关系概述植物水分关系概述植物水分关系概述植物水分关系概述 生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题 生态水文模型的建立生态水文模型的建立生态水文模型的建立生态水文模型的建立 生态水文学展望生态水文学展望生态水文学展望生态水文学展望 22 干旱区的生态水文过程干旱区的生态水文过程干旱区的生态水文过程干旱区的生态水文过程 干旱区气候的一般特征：干旱区气候的一般特征：干旱区气候的一般特征：干旱区气候的一般特征： 雨量：热带荒漠为零，到地中海地区北部多半在雨量：热带荒漠为零，到地中海地区北部多半在雨量：热带荒漠为零，到地中海地区北部多半在雨量：热带荒漠为零，到地中海地区北部多半在700700mmmm 以上。以上。以上。以上。 雨量的季节性：从不确定性到高度季节性。雨量的季节性：从不确定性到高度季节性。雨量的季节性：从不确定性到高度季节性。雨量的季节性：从不确定性到高度季节性。 雨量变率：有时变化无常，但往往表现为明显的年际变雨量变率：有时变化无常，但往往表现为明显的年际变雨量变率：有时变化无常，但往往表现为明显的年际变雨量变率：有时变化无常，但往往表现为明显的年际变 率和率和率和率和1010年期变率。年期变率。年期变率。年期变率。 降水：在极端干旱区，特别是在海岸地带，露和雾每年降水：在极端干旱区，特别是在海岸地带，露和雾每年降水：在极端干旱区，特别是在海岸地带，露和雾每年降水：在极端干旱区，特别是在海岸地带，露和雾每年 可提供可提供可提供可提供4040300300mmmm的降水量。的降水量。的降水量。的降水量。 温度：热带荒漠绝对最高温度为温度：热带荒漠绝对最高温度为温度：热带荒漠绝对最高温度为温度：热带荒漠绝对最高温度为45454747，年平均温度，年平均温度，年平均温度，年平均温度 为为为为20202525（海岸地区年平均温度为（海岸地区年平均温度为（海岸地区年平均温度为（海岸地区年平均温度为16161919），季节），季节），季节），季节 性温度变率很小。地中海地区的气候表现为温度有季节性温度变率很小。地中海地区的气候表现为温度有季节性温度变率很小。地中海地区的气候表现为温度有季节性温度变率很小。地中海地区的气候表现为温度有季节 性变化，最热月份往往超过性变化，最热月份往往超过性变化，最热月份往往超过性变化，最热月份往往超过3030，有时甚至超过，有时甚至超过，有时甚至超过，有时甚至超过4040， 而最冷月份却降到零度以下。而最冷月份却降到零度以下。而最冷月份却降到零度以下。而最冷月份却降到零度以下。 辐射状况：中纬地区和低纬度地区无云，辐射强。辐射状况：中纬地区和低纬度地区无云，辐射强。辐射状况：中纬地区和低纬度地区无云，辐射强。辐射状况：中纬地区和低纬度地区无云，辐射强。 可能蒸发量：辐射强，蒸发量大，不过由于水分获得性可能蒸发量：辐射强，蒸发量大，不过由于水分获得性可能蒸发量：辐射强，蒸发量大，不过由于水分获得性可能蒸发量：辐射强，蒸发量大，不过由于水分获得性 小，植被稀少，实际蒸散量却是很低的。小，植被稀少，实际蒸散量却是很低的。小，植被稀少，实际蒸散量却是很低的。小，植被稀少，实际蒸散量却是很低的。 23 干旱区大尺度生态水文过程干旱区大尺度生态水文过程干旱区大尺度生态水文过程干旱区大尺度生态水文过程 地表代表着相当均匀的又很活跃的动态流地表代表着相当均匀的又很活跃的动态流地表代表着相当均匀的又很活跃的动态流地表代表着相当均匀的又很活跃的动态流 （大气圈）与极静的而在空间上又很复杂（大气圈）与极静的而在空间上又很复杂（大气圈）与极静的而在空间上又很复杂（大气圈）与极静的而在空间上又很复杂 的岩石圈之间的界面。这两个系统的差异的岩石圈之间的界面。这两个系统的差异的岩石圈之间的界面。这两个系统的差异的岩石圈之间的界面。这两个系统的差异 问题就是在这一地面上解决的。问题就是在这一地面上解决的。问题就是在这一地面上解决的。问题就是在这一地面上解决的。 地面的特征决定了这两个系统之间的能量地面的特征决定了这两个系统之间的能量地面的特征决定了这两个系统之间的能量地面的特征决定了这两个系统之间的能量 、水分和动能的交换特征。这种交换影响、水分和动能的交换特征。这种交换影响、水分和动能的交换特征。这种交换影响、水分和动能的交换特征。这种交换影响 着气候和生态水文过程，本身也受到气候着气候和生态水文过程，本身也受到气候着气候和生态水文过程，本身也受到气候着气候和生态水文过程，本身也受到气候 和生态水文过程的影响。和生态水文过程的影响。和生态水文过程的影响。和生态水文过程的影响。 地面特征决定了地面水文生态过程和亚地地面特征决定了地面水文生态过程和亚地地面特征决定了地面水文生态过程和亚地地面特征决定了地面水文生态过程和亚地 面生态水文过程的自然特性与强度以及植面生态水文过程的自然特性与强度以及植面生态水文过程的自然特性与强度以及植面生态水文过程的自然特性与强度以及植 被盖度的动态变化。被盖度的动态变化。被盖度的动态变化。被盖度的动态变化。 24 干旱区大尺度生态水文过程干旱区大尺度生态水文过程干旱区大尺度生态水文过程干旱区大尺度生态水文过程 干旱区土壤植被大气传输极其复杂：干旱区土壤植被大气传输极其复杂：干旱区土壤植被大气传输极其复杂：干旱区土壤植被大气传输极其复杂： 与湿润环境所特有的连续森林或草地相比较与湿润环境所特有的连续森林或草地相比较与湿润环境所特有的连续森林或草地相比较与湿润环境所特有的连续森林或草地相比较 而言，干旱区盖度小而又不连续的植被代表而言，干旱区盖度小而又不连续的植被代表而言，干旱区盖度小而又不连续的植被代表而言，干旱区盖度小而又不连续的植被代表 着具有复杂面的大气圈；着具有复杂面的大气圈；着具有复杂面的大气圈；着具有复杂面的大气圈； 干旱区土壤与干旱区植被的边界层行为截然干旱区土壤与干旱区植被的边界层行为截然干旱区土壤与干旱区植被的边界层行为截然干旱区土壤与干旱区植被的边界层行为截然 不同，目前的研究对两者水文和微气候反馈不同，目前的研究对两者水文和微气候反馈不同，目前的研究对两者水文和微气候反馈不同，目前的研究对两者水文和微气候反馈 只有初步的了解。只有初步的了解。只有初步的了解。只有初步的了解。 水是干旱区一个关键的生态因素，植被的水是干旱区一个关键的生态因素，植被的水是干旱区一个关键的生态因素，植被的水是干旱区一个关键的生态因素，植被的 成分和结构实际上是由水所控制的，同时成分和结构实际上是由水所控制的，同时成分和结构实际上是由水所控制的，同时成分和结构实际上是由水所控制的，同时 植被在许多尺度上对水产生反馈。植被在许多尺度上对水产生反馈。植被在许多尺度上对水产生反馈。植被在许多尺度上对水产生反馈。 25 干旱区植物土壤水分相关关系干旱区植物土壤水分相关关系干旱区植物土壤水分相关关系干旱区植物土壤水分相关关系 干旱区山坡任何一个点上的水分计算是以干旱区山坡任何一个点上的水分计算是以干旱区山坡任何一个点上的水分计算是以干旱区山坡任何一个点上的水分计算是以 一点上的水分输入量（降水、进入流和渗一点上的水分输入量（降水、进入流和渗一点上的水分输入量（降水、进入流和渗一点上的水分输入量（降水、进入流和渗 流）与同一点上的水分排出量（蒸散、径流）与同一点上的水分排出量（蒸散、径流）与同一点上的水分排出量（蒸散、径流）与同一点上的水分排出量（蒸散、径 流和排泄）之差来表示的。流和排泄）之差来表示的。流和排泄）之差来表示的。流和排泄）之差来表示的。 ?降水的无规律性与长期降雨量在制约植 物土壤水分关系方面具有同等重要 性； 降水的无规律性与长期降雨量在制约植 物土壤水分关系方面具有同等重要 性； ?同一降水量的水分效应在很大程度上取 决于降水量的特征：降水的季节性，降 水强度，暴雨的大小、持续时间及其强 度变化形式。 同一降水量的水分效应在很大程度上取 决于降水量的特征：降水的季节性，降 水强度，暴雨的大小、持续时间及其强 度变化形式。 降雨量降雨量降雨量降雨量 穿透降雨穿透降雨穿透降雨穿透降雨 渗透渗透渗透渗透 径流径流径流径流 蒸散蒸散蒸散蒸散 ?对灌木群落落地雨、茎枝流和根道输水 作用的研究发现：穿透降雨占总降水量 的比率与植物种类有关，变化规律类似 于土壤入渗规律；茎枝流和根的输水作 用为植物提供水分以适应气候短期波动。 对灌木群落落地雨、茎枝流和根道输水 作用的研究发现：穿透降雨占总降水量 的比率与植物种类有关，变化规律类似 于土壤入渗规律；茎枝流和根的输水作 用为植物提供水分以适应气候短期波动。 ?渗透率除了受地表土壤性质以及枯叶层 影响外，随地表植被和覆盖度不同，渗 透率和形成的径流量也有很大差异。 渗透率除了受地表土壤性质以及枯叶层 影响外，随地表植被和覆盖度不同，渗 透率和形成的径流量也有很大差异。 ?蒸散主要是由大气蒸发力所驱动的，可 以表示为潜热通量的函数。 蒸散主要是由大气蒸发力所驱动的，可 以表示为潜热通量的函数。 ?净辐射在感热通量和潜热通量之间的分 配，在一定程度上取决于土壤植物 大气连续体产生的有效水量和水势。 净辐射在感热通量和潜热通量之间的分 配，在一定程度上取决于土壤植物 大气连续体产生的有效水量和水势。 26 斑块状植被的生态水文效应斑块状植被的生态水文效应斑块状植被的生态水文效应斑块状植被的生态水文效应 27 干旱区生态水文模型干旱区生态水文模型干旱区生态水文模型干旱区生态水文模型 描述生态水文模型动态的数值模型，从大气描述生态水文模型动态的数值模型，从大气描述生态水文模型动态的数值模型，从大气描述生态水文模型动态的数值模型，从大气 环流模型的回格到个体植物这一系列尺度上环流模型的回格到个体植物这一系列尺度上环流模型的回格到个体植物这一系列尺度上环流模型的回格到个体植物这一系列尺度上 应用；就时间尺度而言，以几小时用以模拟应用；就时间尺度而言，以几小时用以模拟应用；就时间尺度而言，以几小时用以模拟应用；就时间尺度而言，以几小时用以模拟 过程和事件，以几百年用于模拟气候变化。过程和事件，以几百年用于模拟气候变化。过程和事件，以几百年用于模拟气候变化。过程和事件，以几百年用于模拟气候变化。 针对干旱区开发的模型很多，包括水文模型针对干旱区开发的模型很多，包括水文模型针对干旱区开发的模型很多，包括水文模型针对干旱区开发的模型很多，包括水文模型 、生态模型和生态水文耦合模型。、生态模型和生态水文耦合模型。、生态模型和生态水文耦合模型。、生态模型和生态水文耦合模型。 模型需要采用可变时段进行模拟：用高分辨模型需要采用可变时段进行模拟：用高分辨模型需要采用可变时段进行模拟：用高分辨模型需要采用可变时段进行模拟：用高分辨 率时段模拟短暂和突发性事件，用低分辨率率时段模拟短暂和突发性事件，用低分辨率率时段模拟短暂和突发性事件，用低分辨率率时段模拟短暂和突发性事件，用低分辨率 时段模拟上述活动以外时间的通量；时段模拟上述活动以外时间的通量；时段模拟上述活动以外时间的通量；时段模拟上述活动以外时间的通量； 应采用适用于干旱区稀疏作物的蒸散方程；应采用适用于干旱区稀疏作物的蒸散方程；应采用适用于干旱区稀疏作物的蒸散方程；应采用适用于干旱区稀疏作物的蒸散方程； 需要采用足够小的空间尺度描述干旱区土壤需要采用足够小的空间尺度描述干旱区土壤需要采用足够小的空间尺度描述干旱区土壤需要采用足够小的空间尺度描述干旱区土壤 、地面和植被性质的空间变异性。、地面和植被性质的空间变异性。、地面和植被性质的空间变异性。、地面和植被性质的空间变异性。 28 提要提要提要提要 多种生态系统中多种生态系统中多种生态系统中多种生态系统中 的植物水分关系的植物水分关系的植物水分关系的植物水分关系 湿地生态系统湿地生态系统湿地生态系统湿地生态系统 森林生态系统森林生态系统森林生态系统森林生态系统 湖泊生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统湖泊生态系统 河流生态系统河流生态系统河流生态系统河流生态系统 干旱区生态系统干旱区生态系统干旱区生态系统干旱区生态系统 生态水文学的概念生态水文学的概念生态水文学的概念生态水文学的概念 植物水分关系概述植物水分关系概述植物水分关系概述植物水分关系概述 生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题生态水文关系的尺度问题 生态水文模型的建立生态水文模型的建立生态水文模型的建立生态水文模型的建立 生态水文学展望生态水文学展望生态水文学展望生态水文学展望 29 淡水湿地的概念与分类淡水湿地的概念与分类淡水湿地的概念与分类淡水湿地的概念与分类 30 湿地植被与地下水位活动的关系湿地植被与地下水位活动的关系湿地植被与地下水位活动的关系湿地植被与地下水位活动的关系 主要影响因素：主要影响因素：主要影响因素：主要影响因素： 植物种（或植被）与土壤水分状况之间的平衡植物种（或植被）与土壤水分状况之间的平衡植物种（或植被）与土壤水分状况之间的平衡植物种（或植被）与土壤水分状况之间的平衡 地下水位动态变化地下水位动态变化地下水位动态变化地下水位动态变化 地下水位波动幅度、频率和持续时间地下水位波动幅度、频率和持续时间地下水位波动幅度、频率和持续时间地下水位波动幅度、频率和持续时间 波动的时间和季节性的影响波动的时间和季节性的影响波动的时间和季节性的影响波动的时间和季节性的影响 地下水位与土壤含水量的关系地下水位与土壤含水量的关系地下水位与土壤含水量的关系地下水位与土壤含水量的关系 其他水文变量：波浪作用、水（或冰）的冲刷其他水文变量：波浪作用、水（或冰）的冲刷其他水文变量：波浪作用、水（或冰）的冲刷其他水文变量：波浪作用、水（或冰）的冲刷 补员过程的影响补员过程的影响补员过程的影响补员过程的影响 其他环境变量的影响：其他环境变量的影响：其他环境变量的影响：其他环境变量的影响： 地下水文与氧化还原电位的关系地下水文与氧化还原电位的关系地下水文与氧化还原电位的关系地下水文与氧化还原电位的关系 测向水流的影响测向水流的影响测向水流的影响测向水流的影响 植物与化学变量的相互作用植物与化学变量的相互作用植物与化学变量的相互作用植物与化学变量的相互作用 31 湿地植被与地下水位活动的关系湿地植被与地下水位活动的关系湿地植被与地下水位活动的关系湿地植被与地下水位活动的关系 植物种间相互作用的影响：植物种间相互作用的影响：植物种间相互作用的影响：植物种间相互作用的影响： 种间竞争可改变个体植物所占据的地下种间竞争可改变个体植物所占据的地下种间竞争可改变个体植物所占据的地下种间竞争可改变个体植物所占据的地下 水位范围水位范围水位范围水位范围 对湿地适应性好的植物的充氧作用，有对湿地适应性好的植物的充氧作用，有对湿地适应性好的植物的充氧作用，有对湿地适应性好的植物的充氧作用，有 利于适应性差的植物利于适应性差的植物利于适应性差的植物利于适应性差的植物 雨成藓沼泥炭藓植物分布与地形相关雨成藓沼泥炭藓植物分布与地形相关雨成藓沼泥炭藓植物分布与地形相关雨成藓沼泥炭藓植物分布与地形相关 不同植物种占据不同的微地形梯度部位不同植物种占据不同的微地形梯度部位不同植物种占据不同的微地形梯度部位不同植物种占据不同的微地形梯度部位 32 植被对水分动态的影响植被对水分动态的影响植被对水分动态的影响植被对水分动态的影响 湿地有许多结构，有助于调节其水文环境湿地有许多结构，有助于调节其水文环境湿地有许多结构，有助于调节其水文环境湿地有许多结构，有助于调节其水文环境 ，同时也有助于保持水分和消散水分。这，同时也有助于保持水分和消散水分。这，同时也有助于保持水分和消散水分。这，同时也有助于保持水分和消散水分。这 些结构包括凹地和水坑的形成、面积和配些结构包括凹地和水坑的形成、面积和配些结构包括凹地和水坑的形成、面积和配些结构包括凹地和水坑的形成、面积和配 置（可提供地表蓄水场所）以及水道的分置（可提供地表蓄水场所）以及水道的分置（可提供地表蓄水场所）以及水道的分置（可提供地表蓄水场所）以及水道的分 布等等。布等等。布等等。布等等。 在泥炭地这些结构是由于植物生长、泥炭在泥炭地这些结构是由于植物生长、泥炭在泥炭地这些结构是由于植物生长、泥炭在泥炭地这些结构是由于植物生长、泥炭 积累和分解等情况不同所造成的，是过去积累和分解等情况不同所造成的，是过去积累和分解等情况不同所造成的，是过去积累和分解等情况不同所造成的，是过去 植被调节水文过程的一些形式，也有现今植被调节水文过程的一些形式，也有现今植被调节水文过程的一些形式，也有现今植被调节水文过程的一些形式，也有现今 植被直接调节水文的现实形式。典型的结植被直接调节水文的现实形式。典型的结植被直接调节水文的现实形式。典型的结植被直接调节水文的现实形式。典型的结 构包括上栖植被泥炭层和植被筏。构包括上栖植被泥炭层和植被筏。构包括上栖植被泥炭层和植被筏。构包括上栖植被泥炭层和植被筏。 33 湿地的水化学成分湿地的水化学成分湿地的水化学成分湿地的水化学成分 关于湿地的水化学问题已经做过大关于湿地的水化学问题已经做过大关于湿地的水化学问题已经做过大关于湿地的水化学问题已经做过大 量研究工作，研究的重点在于：了量研究工作，研究的重点在于：了量研究工作，研究的重点在于：了量研究工作，研究的重点在于：了 解水化学条件；确定供水化学过程解水化学条件；确定供水化学过程解水化学条件；确定供水化学过程解水化学条件；确定供水化学过程 及其量化问题；探讨化学与湿地植及其量化问题；探讨化学与湿地植及其量化问题；探讨化学与湿地植及其量化问题；探讨化学与湿地植 被的关系。被的关系。被的关系。被的关系。 与植物种分布和湿地植被有直接关与植物种分布和湿地植被有直接关与植物种分布和湿地植被有直接关与植物种分布和湿地植被有直接关 系的水化学问题包括：系的水化学问题包括：系的水化学问题包括：系的水化学问题包括： 湿地水化学成分的植被相关梯度；湿地水化学成分的植被相关梯度；湿地水化学成分的植被相关梯度；湿地水化学成分的植被相关梯度； 植被组成与水化学成分的关系；植被组成与水化学成分的关系；植被组成与水化学成分的关系；植被组成与水化学成分的关系； 水源、水化学和湿地植被水源、水化学和湿地植被水源、水化学和湿地植被水源、水化学和湿地植被 湿地水化学成分的趋势湿地水化学成分的趋势湿地水化学成分的趋势湿地水化学成分的趋势 盐基丰富度梯度盐基丰富度梯度盐基丰富度梯度盐基丰富度梯度 肥力梯度肥力梯度肥力梯度肥力梯度 盐渍度梯度盐渍度梯度盐渍度梯度盐渍度梯度 湿地植被组成受到水化学成湿地植被组成受到水化学成湿地植被组成受到水化学成湿地植被组成受到水化学成 分的强烈影响，但植物种的分的强烈影响，但植物种的分的强烈影响，但植物种的分的强烈影响，但植物种的 水化学水化学水化学水化学“ “选择性选择性选择性选择性” ”和极限难以和极限难以和极限