流域生态水文过程与植被响应研究进展

张 寒，王 琳

（中国海洋大学环境科学与工程学院/海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛266100）

0 引言

生态水文学作为生态学和水文学间的交叉学科，注重强调生态与水文的关系，揭示了形成生态格局和生态过程的水文机制[1-2]。目前，生态和水文过程的研究方向包括承载力、水安全、水资源配置等，在流域范围内，生态水文的反馈与响应与流域的景观变化和生物地球化学过程密切相关[3]。

植被作为生态水文学研究的核心内容，与流域内的生态过程和水文循环密不可分。一方面，流域的土地利用、气候条件和水体污染直接影响植被的生长及分布；另一方面，流域降水、下渗、径流通过植被的截留、吸收、蒸腾，对水文循环的过程产生重要影响[4-5]。因此，植被与流域生态水文过程的相互作用已成为领域研究的重点问题之一。由于土地利用方式的不合理，植被覆盖率逐渐下降，流域的生态平衡与水文过程受到严峻挑战。保障流域生态水文过程的正常运转，使流域的生态韧性得以充分发挥，是当前需要解决的关键问题。

1 流域生态过程研究

流域生态系统是一个相对封闭、边界清晰的整体，随时与外界保持物质、能量与信息交换[6]。流域生态系统包括陆生生态系统与水生生态系统。陆生生态系统在固碳释氧、水质净化与水土保持等方面作用显著；水生生态系统在淡水供给、污染降解与调蓄分洪等生态修复方面发挥积极效用，陆生与水生生态系统镶嵌交错使流域成为一个整体性强、空间异质性高的生态单元[7-10]。目前，流域生态过程的研究主要集中在植被覆盖[11]、水土流失与土壤侵蚀[12]、水体污染治理[13-14]以及流域生态系统评价[15-17]等方面。

1.1 植被对流域生态过程的响应

植被覆盖变化与区域生态环境密切相关，是反映生态变化的重要指标。研究表明，植被群落的覆盖度越高，植被生存状况越好，流域的生态系统功能越稳定[18]，植被覆盖率的降低加剧了土地利用格局的破碎度，进而影响流域生态环境。河岸植被群落的栽植可使河岸稳定性提高85%以上，群落根系可有助于稳固岸坡，调洪蓄洪[19]。一定宽度的河岸植被可通过水文过程减弱地表径流和水体的污染，如草本植物可改变地表粗糙程度，提升地表径流的下渗能力等[20]。相反，流域生态环境状况也会影响植被群落的生长偏好及分布[21]。水质、水量与人类活动是流域植被群落变化的主导因素[22-23]。Isabelle等[24]通过研究河岸植物群落和水质间的响应关系，建立了河岸生境恢复规划系统，后期将多年的数据进行比对，探讨生态修复对河岸生境和水质的影响。AjazAhmed等[25]使用不同尺度的数据集和功能模型，运用地理加权回归(GWR)来模拟流域尺度上的森林生态系统过程，并解释了美国东南部生态驱动力的影响。Robert等[26]整合了帕图森特河流域时间、空间等复杂性的尺度数据，开发了基于帕图森特河流域的生态过程模型，研究了人类活动对流域植物生产力和植被景观中养分循环的影响。Wang等[27]对植物—土壤复合系统的生态需水量进行了评价，分析了基于遥感和GIS技术的植物-土壤复合系统的时空分布特征，论证了林地蒸散发量与生态需水量均高于草地。Ren等[28]通过比较2个不同流域造林与自然植被状况，揭示土壤水分的消耗变化，论证植被种植密度对水资源需求量的平衡。Gautam等[29]运用农业政策环境扩展(APEX)模型，模拟北阿巴拉契亚试验流域放牧场对流域地表径流的影响，得出干草甸比放牧草甸具有更大的生态效益，并进一步预测了土壤性质变化和缓冲带对径流的影响。

1.2 植被对流域生态修复的作用

流域植被的生态过程受人为因素的干扰最大，其次是气候因素[30-32]，为控制流域内人为和气候因素造成的水土流失、水体污染等生态问题，需在充分考虑流域生态修复原则和植被规划的基础上，对流域制定合理的生态修复措施[33-34]。Walters[35]指出，在人口密集和高度退化的沿海流域种植乔木林，有助于流域生态环境的恢复。Fu等[36]通过监测额济纳荒漠河流域不同植物群落的地下水深度、土壤水分、相对叶片含水量和水分利用效率等指标，分析土壤水分和植物生态对地下水深度和不同植物群落水分利用效率的响应，得出森林植物群落对高水分利用效率物种的生存有利。

2 流域水文过程研究

2.1 土地利用与覆被变化对流域水文过程的影响

土地利用变化所引起的生态水文响应是水文学研究的核心问题之一，对揭示水文循环与不同空间尺度生态系统的相互作用机理具有重要的意义，目前的主要研究方向为探讨土地利用对流域地表径流、泥沙、蒸散、水质等方面的影响[37-40]。Vaibhav等[41]以土壤—植被—大气转换模式为基础，探讨彭纳尔河流域入渗模式的变化对径流潜力的影响，并指出人类对土地利用的规划和管理将直接影响流域的生态水文过程。Gao等[42]应用CA-Markov模型预测了2028年秦淮河流域分布式土地利用情况，并利用HEC-HMS水文模型研究土地利用变化对流域水文响应的影响。Birhanu等[43]校准并优化了概念性降雨-径流模型(HBV)，评估古马拉流域土地利用与覆被变化对水分平衡特征（蒸散发、土壤水分、地下水补给和径流）的影响。Maryam等[44]将水文模型与土地利用现状相结合，对加拉兹柴河流域进行研究，评价了协同管理框架下土地利用变化对水沙负荷的响应，论证了不同土地利用情景对径流和泥沙的显著影响。Yalew等[45]将SITE土地利用变化模型和SWIM水文模型相耦合，评估草地生态系统服务和流域水资源之间的相互作用。

近年来，SWAT水文模型在土地利用变化方面有较多研究成果，重点集中在土地利用变化对径流量及产沙量等方面的影响[46]。Marian等[47]运用SWAT模型对Owabi流域30年的径流量数据进行模拟，建立了未来水文预测模型。Nikita等[48]基于SUFI-2、GLUE、ParaSol等方法，针对Ganga流域建立了径流量与土壤侵蚀的SWAT模型，检验河道径流与产沙量方面的适用性。李朝月等[49]应用SWAT模型对寿昌江流域进行产流产沙模拟，并进行景观格局分析，得出景观指数与产沙模数间的显著相关性，建议改善流域土壤侵蚀应考虑流域景观特征。

2.2 植被变化对径流的影响

植被变化影响大气降水的再分配和冠层的截留和蒸散发，不同植被类型对流域径流量影响不同[50]。研究表明，阔叶林地对流域径流量的调蓄最为明显，当林地面积减少耕地面积增加时，径流量随之增加；反之，径流量减少[51-53]。王友生[54]通过对2个流域植被变化和降水径流变化趋势分析，阐述了植被和降水变化对径流过程的影响，论证了阔叶林对径流调蓄能力最强，灌木林最弱。Rujner[55]利用MIKE SHE降雨模式中的径流模拟板块，结合12个灌水区的试验数据，对草地灌水的水文响应进行模拟，论证草地覆盖的水力传导与土壤保持效益。Mirela-Alina等[56]运用MIKE SHE模型对阿格塞尔河流域土地利用管理决策与水文管理措施进行了评估，得出植被参数、根系深度和经验参数影响蒸散发和补给；在非饱和区，土壤类型对入渗、蒸散和补给功能显著相关，在饱和区，基质的水导率为主导参数。Spyridon等[57]通过MIKE SHE模型对斯珀奇奥斯河流域地表径流渗透到饱和与非饱和带的过程进行了模拟，后期结合了ArcGIS技术，通过流域植被和地质资料对MIKE SHE模型的物理过程进行校准和验证，并提出了模型的优化措施。

2.3 植被变化对林冠截留和蒸散发的影响

林冠截留是植被生态功能的重要组成部分，目前的研究主要集中在降水对植被的冠层元素（树枝、树叶、树皮等）之间的相互作用。而降水量和叶面积指数直接影响林冠层截留效率[58-61]。Gavazzi等[62]基于北卡罗莱纳海岸平原十年的自然降水率与强度的变化，描述火炬松林的冠层截留情况，得出林冠截留的年际变异性高于短期的研究报道，区域水文模型必须考虑林冠截留的可变性因素。Fan等[63]用时间插值方法来模拟热带地区的对流型降水，最终与实际降水数据相结合，准确描述了不同植物的冠层蒸发和蒸腾。Guo等[64]对上海地区常用景观树种的叶面积指数和蓄水能力进行了测定，并采用截留公式计算了林冠降雨截留能力，模拟了景观树木潜在的冠层截留降雨能力及其对降雨分布的影响。Van等[65]比较两种不同树冠结构的园林绿化植物的截留损失，得出低枝倾角、薄冠层的树种可增加降雨过程中的水分损失；越光滑的树皮、越高的树枝倾斜度和越深的冠层可减少水分的损失，使得更多的水分转移到地表或地下。

蒸散发是流域水文循环的关键。植被的蒸散量与季节特征显著相关，由于植被的叶冠、根系等指标不同，因此不同植被类型具有不同蒸发速率[66-67]。研究表明，流域蒸散量和径流量与植被的生长季节、覆盖程度、覆盖种类密切相关[68-71]。徐飞等[72]利用WEP-L水文模型模拟清水河流域不同植被垂直带土壤蓄水及蒸散发过程，得出林地蒸散显著高于草地和耕地，径流深则较小。

3 相关生态水文模型比较分析

近年来，生态水文模型法由于其物理机制明确、易操作而在生态水文学研究中被广泛应用[73-75]。生态水文模型非常重视水文过程和生态系统的关系研究，水分与植被之间的循环过程是研究的关键点，因此生态水文模拟必须体现生态—水文间相互耦合的关系。目前，生态水文过程所具有代表性的分布式模型包含WETSPASS模型[76]、HELP模型、CREST-Snow水文模型[77]、TOPMODEL 模型[78]、TOPOG 模型[79]、SWAT 模型[80-81]、SWIM模型以及MIKE SHE[82]模型。其中SWAT模型与MIKE SHE模型属于综合性流域水文模型。TOPMODEL模型重点强调地貌，通过地貌揭示水文过程，该模型将流域的地形分为集总式单元进行模拟与运算，无法反映同一单元内其他地理信息[83-84]。VIC模型可对陆地大气之间的能量和水量平衡进行模拟，应用尺度较大，因此对短时间内水量的模拟精度不够[85]，另外，该模型适用于面积较大的流域，对于中小流域的水文模拟存在着一定不足。TOPOG模型兼顾植被的蒸腾、截留等水循环过程，可模拟植物生长以及对水量平衡的影响，尤其对蒸发散模拟较为详细，该模型多用于小型流域（10 km2以下），对于较大流域的生态水文过程应用较少[86-88]。SWAT模型注重水质和水量调控模拟，重点强调流域范围内土壤侵蚀、泥沙冲淤、产流产污过程的模拟，对植被的生态水文过程体现不强[89-90]。MIKE SHE模型详细描述了流域主要水文循环，包括土地利用、林冠截留、坡面流、融雪、饱和带和不饱和带的水流运动及相互作用，能够更好地表达自然的空间异质性，能够清晰地描述完整的地表—地下一体化水文过程[91]。MIKE SHE模型侧重于土地利用变化和气候变化下的水资源管理和水文预测[92]。在景观变化方面，与以往的概念模型相比，MIKE SHE模型的参数细节表达更清晰，体现了不同水文过程的空间异质性和时间连续性，使模拟的数据更加真实可靠[93-94]。

4 结论与展望

流域的综合整治需各环节统筹协同，以达到最佳效果[95]。其中，生态水文过程是至关重要的一环，不同植被对流域内的降水、蒸发、下渗、地表径流等生态水文过程具有不同影响[96]。虽然目前对流域植被的生态过程及水文过程的研究有一定的进展，但仍存在如下问题：目前的研究大都侧重单方面，即流域植被的生态过程或流域植被的水文过程，没有综合考虑流域生态过程与水文过程的失衡问题；应用的生态水文模型大都注重植被变化对生态过程或水文过程的单向作用，而对两者之间的耦合反馈机制分析较少；缺乏强调植被作用的综合生态水文模型。

基于国内外植被对流域生态水文作用的研究总结，建议今后从以下方面对植被在流域生态水文过程的作用进行深入研究：

加强流域内植被的规划与种植，达到流域生态作用与景观作用相融合，规划应多选取适宜当地生态环境的乡土树种，才更有利于植被对流域生态水文作用的发挥；

在流域生态水文模型的构建中，应着重考虑植被对流域水文过程的作用，完善不同植被种类及生长阶段对水文循环的影响，充分发挥植被因素对水文模型的弥补作用。

将地理信息技术与生态水文模型相耦合，并通过模型参数的优化，解决流域生态过程与水文过程的失衡问题，实现流域的生态韧性，是今后生态水文学研究的重点。