黃土高原生態水文過程研究進展

楊　陽,朱元駿,安韶山,*

1 西北農林科技大學資源環境學院,楊凌　712100 2 西北農林科技大學黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,楊凌　712100

水是地球上各生態圈/層之間物質循環和能量交換的主要驅動力,對整個生態系統服務功能起著關鍵的調節作用[1- 2]。水循環尤其是陸地水循環對全球變化極為敏感[3],陸地水循環演變及其在全球變化中的作用,是全球氣候治理、應對全球變化及水危機的重要基礎和支撐,也是國際地圈生物圈計劃(IGBP)和國際水文計劃(IHP)等關注的重大熱點和前沿命題[4- 5]。隨著氣候變化和人類活動影響的深入,陸地水循環過程及通量發生了明顯的改變,由此引發一系列生態環境效應[6]。

生態水文學是一門新生的交叉學科,主要研究生態過程與水文過程在不同時空尺度的相互作用,從學科的發展來看,生態水文學在水循環的過程機理、驅動機制以及模型耦合等方面顯示出學科的前沿性和優越性,并且在水循環的實踐應用中得到了廣泛關注[6- 7]。20世紀90年代誕生的生態水文學在解決諸多過程與格局等科學問題發揮了重要作用[7]。2008年國際上生態水文雜志Ecohydrology發表水文循環專刊,強有力地推動了整個生態水文學的發展與進程[8- 9];2012年的國際水文科學協會(IAHS,2013—2022年)科學計劃主題戰略國際研討會以及2016年的國際水文科學協會中國國家委員會(CNC-IAHS)學術大會特別強調了生態學和水文學之間交叉作用的重要意義[5]。

生態水文過程涉及到大氣-土壤-生物等繁多的要素,除各要素之間存在多向反饋作用外,生態水文過程還受到自然和人類活動的雙重作用,表現出復雜的時空異質性與非穩定性[10- 11]。西方國家率先將生態水文過程由分離式過渡到“大氣-陸面”和“陸面-水文”耦合模式,以單向耦合研究為主[3- 5];隨著學科交叉的發展,生態水文過程逐步向“雙向耦合”的模式轉變,同時融入了生態原理、生態模型與時空尺度,使得生態水文過程的尺度效應愈加明顯。黃土高原是我國乃至世界上水土流失最嚴重、面積最大的地區之一,長期以來,水資源短缺生態環境脆弱等一系列問題都與水文過程密切相關,加之獨特的水文、氣候、地貌特征,該區的生態水文過程成為國內外眾多學者關注的焦點。在實踐需求和尺度效應的耦合模式下,本文從土壤、微生物、植物冠層、坡面、流域和景觀等方面歸納和總結了黃土高原生態生態水文過程。

1　關鍵科學問題

黃土高原生態水文過程不僅驅動物質循環和能量交換,而且在生態系統服務功能中扮演著重要角色[12],以氣候變化和人類活動引起的土地利用變化對生態水文過程影響顯著,也極大影響了該區生態環境變遷。圖1從不同尺度(微生物、冠層、坡面/流域、景觀)總結和呈現了氣候變化和人類活動對我國環境變化(整個生物圈物質循環、能量流動和水文循環)的響應,也顯示了水文過程對整個生物圈乃至人類生存的環境中的重要戰略意義[12-13]。2016年發布的全國生態環境十年變化(2000—2010年)調查評估報告中：我國生態環境脆弱,近十年生態系統質量和服務功能均有所降低[12,14]。中國科學院生態環境研究中心對于黃土高原區的環境質量評估中,該區生態環境依舊脆弱,人工化加劇,生態環境問題依然突出,水土流失、土地沙化等土地退化問題依然嚴重[15-16]。最新的研究結果也顯示：自退耕還林(草)政策實施以來,黃土高原植被覆蓋度顯著增加,其生態系統過程、結構和功能也隨之變化[17]。尤其在全球變化背景下,不同尺度的水文過程也發生了明顯變化,影響著整個生態圈的能量和物質交換過程[18-19]。

圖1　黃土高原水文過程的重要意義Fig.1　The importance of hydrological processes in Loess Plateau圖1中國地圖來源于歐陽志云等[12],圖1黃土高原地圖來源于馮曉明等[13]

圖2(概念模型圖)從土壤、微生物、植物冠層、坡面、流域和景觀等方面總結了生態水文過程的尺度效應。黃土高原水文過程往往受降水格局的影響較大,降水的發生時間、脈沖、頻率、強度和持續時間有極大的不確定性和間歇性,這導致該區水文過程不均衡性和非穩態特性[17,20],再加上其特殊的地形條件、土壤、氣候環境以及人類活動等因素,使得該區水文過程與分布格局具有獨特性和地域性[21]。多年來,大量學者對我國黃土高原水文過程的研究形成了較為完整的體系和框架,然而忽略了水文過程的尺度效應。植被、土壤、微生物是生態系統各種生命活動的載體,也是連接生物、物理和化學過程的主要反應場所[22-23];水文過程極大影響和控制著植物代謝和微生物活動,這種調控包括多界面和節點的網絡系統,也涵蓋了地表徑流、大氣降水、土壤水(壤中流)、氣態水、地下水(水庫)、植物水(自由水和結合水)的相互轉化與耦合過程,并且各過程之間的耦合與反饋存在時空尺度效應[16-17]。因此,從植被、土壤和微生物等角度探究生態水文過程是解決黃土高原水文循環的關鍵所在,由此我們提出以下關鍵科學問題：

(1)植被在水文過程的尺度效應

黃土高原植被建設對水循環的垂直過程、水平過程及通量特性具有顯著的影響,并表現出自然恢復與人工植被恢復的二元驅動性。那么,植被恢復進程如何影響到降水和蒸發過程？植被各界面對蒸騰、入滲等垂直過程有何影響？如何影響到坡面和流域等水文過程？植被恢復與水分承載力如何權衡？

(2)土壤在水文過程的尺度效應

土壤能夠貯存水分,降雨、蒸散發、地表徑流共同影響生態系統水量平衡。土壤水量平衡與地下水補給(地下補水量與補水周期)的相互關系(此消彼長),降水有效性、入滲過程、地表徑流、水分蒸散發等過程對水文過程的貢獻,尚未引起足夠的關注。

(3)微生物在水文過程的尺度效應

植被承載力、微生物群落與水分循環的反饋調節以及三者之間的融合交叉作用成為黃土高原水文過程中需要解決的主要矛盾。土壤微生物是地下生態系統代謝過程中重要的組成部分,氣候變化引起的水文過程如何影響土壤微生物過程？水文過程怎樣調控微生物過程使得植被-水分承載力合理最大化？未來應建立什么樣的水-植被-微生物生態模型？

為了回答這些問題,本文試圖從土壤、微生物、植物冠層、坡面、流域和景觀等尺度闡述黃土高原水文過程的研究進展,融合尺度效應,將現有的研究進行歸納和總結;并對近代以來黃土高原生態水文過程所存在的關鍵問題進行了討論與展望,以期從概念模型與理論基礎上全面理解植被-土壤-微生物在水文過程中的相互作用,為解決黃土高原水資源的宏觀調控與最優分配模式提供基礎參考。

圖2　黃土高原不同尺度下的水文過程Fig.2　The hydrological processes of different scale in Loess Plateau

2　黃土高原水文過程的尺度效應

2.1　黃土高原水量平衡

土壤水文過程包括蒸散發過程、入滲過程和滲漏過程,這三大過程共同決定著土壤水量平衡[22- 23]。黃土高原由于土層深厚,在加上降水稀少,使得土壤層能夠截留并保持大部分入滲水量,極大減弱了降水入滲轉化為深層水量的可能性,這也就決定了地下水難以參與土壤水分循環中,因此降水量和蒸散量是影響該區水量平衡最重要的因素[23]。建國以來,黃土高原開展了大規模的生態環境建設,投入了大量的人力、物力和財力用于保水固土、防治水土流失、提高水資源利用率,并營造了大面積的生態防護林,扭轉了日益惡化的水土流失局面[24- 26]。有研究發現,在陜北黃土丘陵溝壑區的刺槐林地,冠層截留量、地表徑流量和蒸散量之和遠遠超過降雨量,加之沒有深層地下水補給,使得植被生長受到水分脅迫,土壤水分經常處于虧缺狀態[27]。Huang等人[3]研究了黃土高原水文過程與地下水補給的關系,主要結果為：(1)地下水補給主要發生在7—9月的雨季。(2)黃綿土水分運移速率為0.2—0.3 m/a,降水需要60—500年才能到達地下水面。(3)種植蘋果、苜蓿和其他灌木可顯著降低降水入滲。Liu等人[28]對渭北旱源人工草地的水量平衡研究中,紫花苜蓿由于蒸散耗水量大,需要消耗土壤深層水分,從而極易形成土壤干層;與之相比,在同一地區的大葉苜蓿水分消耗量相對較小,降雨輸入量基本與蒸散耗水量持平。在晉西黃土殘源溝壑區,人工喬木樹種油松和刺槐的蒸散耗水量均大于該區的降水輸入量,林木生長易受水分脅迫;而灌木樹種虎棒子和沙棘的蒸散耗水量小于喬木樹種的耗水量,林分生長受到水分脅迫的程度較喬木樹種小[29]。在黃土丘陵區的生長季(5—9月)灌木林檸條(蒸騰量占降雨量的40%)與沙棘(蒸騰量占降雨量的76.1%)的蒸騰耗水量都很大,土壤水分表現為虧缺[30]。

黃土高原土壤儲水既有收入,也有支出,處于動態的平衡狀態[22- 23]。由于地下水埋藏很深,大氣降水作為主要的收入項,滲入土壤中形成“土壤水庫”,部分地區和地段還包括少量的凝結水和地下水補給;支出項包括植被的冠層截留、蒸散耗水、地表徑流和水分下滲等過程。水量收入項和支出項的差值反映了土壤儲水量的變化[31],而水分的有效性和可利用性反映了土壤水庫的動態變化,盡管土壤水庫(深層水庫和有效水庫)對植物的生長起著調節作用,深層土壤水庫經常處于虧缺狀態[29- 30],總體上表現出局部豐水和干旱相互交替的局面[28]。前人的研究表明,黃土高原土壤水量的支出項往往大于收入項,土壤淺層水庫和有效水庫嚴重虧缺[31],而深厚的黃土層使得土壤深層水庫容量較大;同時,10 m深度的土壤有效儲水量可達到年平均降水量的2—3倍,這使得植被在生長前期處于過度耗水狀態,生長后期才消耗土壤有效儲水量。然而土壤干層在一定程度上阻斷或者切斷了土壤水分在上下層的交換[32],導致整個“土壤水庫”的功能減弱、地上植被因缺水而退化或死亡,進而造成黃土高原整個生態系統的退化和水量分布不均衡的格局[33- 35]。

2.2　植被對生態水文過程的調控

關于水分與植被關系的理解,Walter和Stadelmann[36]提出的水分分割理論,認為小概率的降水事件能夠有效地補充淺層水庫,而大降水事件能夠有效地補充深層土壤水庫,因此,草本植物(根系分布較淺)更傾向于利用淺層土壤水庫,灌木和喬木(根系分布較深)傾向于利用深層土壤水庫,從而有效的解決了林-灌-草的合理共存。除此之外,植物根系在水勢差的驅動下,體現出水力提升的功能,也即土壤中的有效水分通過水力提升和水勢差被釋放和轉移到土壤表層,保證植物的有效吸水和生長用水[37]。然而,目前關于植物的水分利用來源以及轉移方式的研究較少,并且也不能得到令人信服的結論。Brooks等[38]的研究認為降水下滲到土壤后,被植物利用的水分與直接入滲的水分來源不盡一致,由此對傳統的土壤水分運移過程(平移理論)提出了質疑,在此基礎上提出了土壤水分可能由植物利用的有效水庫和地表入滲的水庫組成的理論;Ryel等[39]進一步提出了淺層植物利用土壤有效水庫,而深層土壤水分則維持土壤水庫的概念模型。在我國黃土高原,關于水文過程在土壤-植物水分關系、土壤水異質性、土壤水分植被承載力等方面取得了豐碩的研究成果。在土壤水異質性方面,傅伯杰等[40]展開了從小區-斷面-小流域-區域等不同尺度土壤水分的空間變異性研究,發現：1)土壤物理化學性質的時空異質性導致在不同尺度上機理和過程的不同;2)土壤水利用者的時空異質性導致土壤-植被系統的水分異質性;3)地形、大氣、地下水位等因子是影響土壤水分異質性的重要因素。黃明斌和康紹忠[41]在土壤-植物水分關系方面的研究中,發現土-根界面行為對冬小麥單根吸水有重要影響;邵明安等[42]發展了根系吸水模型,提出了一個能反映根系吸水機理的宏觀數學模型;康紹忠等[43]在對作物冬小麥的根系伸展深度、重量根密度以及土壤含水量分布的實測資料基礎上建立了冬小麥根系吸水模型。在宏觀尺度上,發現在黃土高原植被和高產農田對土壤水的過度利用會導致土壤干燥化,人工植被對區域水分循環有著重要影響(消減入黃徑流量),能明顯改變區域生態水文過程[23]。基于土壤水分和植被承載力,夏永秋和邵明安[44]將生態水文過程與生物地球化學循環過程有機的結合起來,從而建立了土壤水分-植被承載力模型,實現了對黃土高原小流域水文過程的有效模擬。近期傅伯杰研究組[15]從表征植被干旱特征的“植被覆蓋-地表溫度的三角空間”概念出發,揭示了黃土高原植被變化的土壤水分時空變化特征,界定了黃土高原植被恢復導致大規模土壤水分下降的區域,發現森林-草地過渡帶是土壤水分下降最為劇烈的區域,為大尺度植被恢復的區域適宜性和有效性評價提供了科學方法和理論依據。目前國內對于黃土高原生態水文過程的研究多集中在單個功能層次,對各層次之間水分傳輸整體耦合研究較少,并且仍然存在區域差異性和時空的滯后性。

2.3　土壤微生物對生態水文過程的調控

圖3　土壤微生物對生態水文過程的調控Fig.3　The hydrological processes dominated by soil microorganism

水分為土壤微生物提供了基本的生存條件,促進土壤微生物代謝活動,是生態系統中各種生物學過程的動力源泉。土壤微生物群落具有不同的生態位,通過與食物網與食物鏈構成微生物網絡系統,驅動土壤養分循環與水文過程[45-46]。有研究指出水分對土壤微生物群落結構和交互作用表現為疊加、協同或者是拮抗[47],例如Bi等[30]在溫帶草原的研究中發現水分對微生物群落的碳利用能力有顯著的協同作用;也有研究發現降雨會導致土壤濕度的增加,土壤濕度的增加在一定程度上改變了土壤微生物群落結構組成,并且降低了真菌/細菌比[46];De Nobili等[48]的研究發現降雨增加和降雨減少均對土壤微生物群落構成沒有產生任何影響;Miranda等[49]通過長期的控制實驗將土壤濕度對微生物群落的影響概括為兩個階段,第一階段為：當土壤水分較低時,土壤水分會增加土壤微生物群落代謝活動,此時的土壤水分為飽和含水量的50%以上;第二階段為：當土壤水分繼續增加時(達到飽和含水量),造成土壤孔隙度降低,土壤中氧氣含量降低、氣體擴散過程受阻,從而抑制了好氧微生物活性。由于土壤微生物群落結構的復雜多變性及對水分的敏感性,與該研究結果類似的結論相對較多。在黃土高原區,水分干濕交替會改變好氣性和嫌氣性細菌比值,長期的水淹會抑制細菌和真菌生長代謝。當發生干旱脅迫時,水分不僅抑制了微生物活性,還降低了微生物的呼吸速率,但土壤微生物仍處于對水分的“代謝機敏狀態”[47],也就意味著土壤微生物對于干旱脅迫(水熱交替等)表現出可塑性的變化。盡管在黃土區土壤細菌豐度隨水分梯度增加而減少,但土壤細菌多樣性并不依賴于水分梯度的變化,這說明土壤微生物對水分的變化具有一定的緩沖作用,這是土壤微生物過程對水分應激性的表現形式之一[50]。另有研究顯示,土壤真菌群落結構對水分變化敏感,而放線菌的群落結構則隨著季節和年份的變化無顯著差異[51]。綜上所述,并不是所有的微生物群落都對生境中的水分變化敏感,土壤微生物群落對水分的響應機制可能是不同的,體現出土壤微生物在水文過程中發揮的重要作用。總結土壤微生物對生態水文過程的調控作用(圖3),如圖所示,土壤微生物活性能夠改變土壤表面性質,如增強土壤疏水性和改變土壤孔隙度,在土壤膠體尺度,土壤疏水性的改變將影響土壤水分分布,使得土壤顆粒表面水膜厚度不同,進而影響土壤微生物在土壤孔隙度中的運移和分布。在團聚體和土壤剖面尺度,土壤微生物對土壤空隙的堵塞和疏水性的改變將影響微生物聚焦分布及微生物景觀,進而影響土壤水分的在分布特征,除此之外,土壤微生物(細菌、真菌、微生物計量等)在水分的分布與轉移過程中起著關鍵的調節作用。由此可知,跨越物理學和生物學綜合研究土壤水文過程及其調控機制是未來的重點。

2.4　冠層對生態水文過程的調控

植被冠層是生態水文過程的關鍵紐帶,冠層通過與穿透雨、截留、樹干莖流等過程改變整個水文過程,而水文過程又影響植物種群的拓展、結構以及演化,最終形成了植被-水文過程相耦合的作用關系[52- 53]。植被冠層尺度下的水文過程實質上就是對降水的再分配過程,一部分降水被冠層截留,被截留的降水通過蒸發的形式返回大氣系統,而另一部分則形成穿透雨沿著樹干莖流滲入到土壤或者形成地表徑流[54];在這個過程中,植物根系通過蒸騰拉力從土壤中吸收水分,最終以水汽的形式釋放在大氣中,從而形成了以水分傳輸過程為主導的土壤-植被-大氣系統。有研究表明：植被冠層以及覆蓋度能夠減小裸地的水分蒸發,其水文功能表現在樹干滯流、林下枯枝落葉層滯流、樹冠截留等入滲過程[55- 56];而降水徑流形成的“土壤有效水庫”受植被類型和降水特性的影響[57]。一方面,小的降水事件(零星而短暫)在水分到達地面之前,大部分水分已蒸發耗盡,相反,大的降水事件(頻繁而長期)造成一部分穿透雨達到地面形成地表徑流[58];另一方面,不同功能型植物的林冠層與降水量呈顯著的正相關,但其截留量差異很大,這主要受冠層結構(株高、冠幅、莖粗、葉面積指數和基莖等)和降水特征(雨強、雨量、頻率、歷時)的影響[59],因此,不同功能型植被冠層對降水截留的能力也不盡相同,一般來說高大植被冠層截留的降水相對較多[60]。國外有學者研究表明：北美森林林冠截留率在10%—35%之間,德國山毛櫸的林冠截留量高達48%[61]。據統計,中國主要森林生態系統的林冠截留率為11.40—34.34%,其中落葉闊葉混交林的截留率較小,而亞熱帶常綠針葉林的截留率較大[62]。相關研究還發現黃土高原林下灌木與草本的截留率差異較大[63],六盤山林下灌木的截留率在1.8%—12.8%[64]。欒莉莉等[65]在黃土丘陵區以多年平均降雨量梯度為樣線,從南到北依次選擇了7個調查點,研究了該區典型喬木、灌木和草本枯落物蓄積量、持水量、吸水速率和有效攔蓄量等水文過程,結果表明：各植物群落枯落物蓄積量和吸水速率從南到北逐漸減少,水文過程也呈現出明顯的地帶性。從目前的研究結果來看,水文過程在地上部分研究較為普遍,地下過程(根系-水文過程)研究相對滯后[66]。根-土界面是地下生態系統中物質和能量交換最頻繁的區域,然而,由于根系-水文過程觀測難度極大,迄今為止仍無法回答根-土界面的水分運移規律,因此未來需要將植被地上部分和地下部分(根系)聯接起來開展多因素綜合研究。

2.5　坡面對生態水文過程的調控

坡面是連接流域和斑塊的重要景觀單元,坡面尺度下的水文過程主要受降水、地形、植被、地質單元、養分空間異質性及人類擾動的影響[66]。有研究發現,植物地上部分作用于降雨截留,通過減小坡面流的動能和勢能,降低坡面流的達西阻力系數和曼寧糙率;隨著坡面水流量的增大,水流態在坡面由層流-緩流向過渡流-緩流轉變[67]。坡面尺度的水文入滲、徑流產生以及水分的蒸散發等過程具有高度的尺度效應和非線性特征,與此同時,養分流和坡面徑流和也呈現出裸地斑塊與植被鑲嵌的景觀格局[68];在斑塊尺度,裸地斑塊與植被鑲嵌對水文過程(土壤水分貯存、水分入滲方程、入滲速率)的影響具有較大的差異,這主要是由于植被斑塊對水分的入滲影響較大,而裸地斑塊對于水分的徑流影響較大[69]。在坡面尺度,由斑塊組成的坡面產生徑流后被植被斑塊截留,一部分發生入滲,而后達到土壤深層形成深層土壤水庫,另一部分在坡面產生徑流,伴隨著蒸散作用和大氣的交換作用,形成小氣候區,驅動坡面水文過程[70- 71]。當前,黃土高原坡面水文過程(包括徑流的發生頻率、產流時間、形成機制等)仍缺乏深入的分析,尤其在土壤均勻性和水分運移過程中的規律缺乏深入的觀測。土壤均勻性是理解坡面水文過程的關鍵性問題,大量水文運移的模型方程(理查德方程、霍頓產流理論和達西定律)將土壤均勻化作為假設的先決性條件,這就導致傳統意義上對水分流動速度、路徑和動態變化(壤中流、產沙產流等過程)理解的偏差。因此,未來需要借助于大量的物理模型以及地面觀測數據探究植被斑塊(枯枝落葉、礫石、結皮、植被類型等)與坡面斑塊(坡向、坡度、坡位)對水文過程的共同調控作用,辨識坡面如何調控水文過程,同時結合3S技術與計算機建模等手段,擬合坡面尺度下水文過程的空間網絡結構方程,為構建黃土高原坡面尺度下的水文過程模型提供理論基礎。

2.6　流域對生態水文過程的調控

以流域為中心的水文過程是國際水文生態學研究的前沿,世界上已有一些國家先后開展了以流域為中心的綜合觀測試驗和模擬研究計劃。在我國黃土高原,流域作為最基本的水文地質單元,受氣候、地形、土地利用方式以及人類干擾等綜合因素的影響,使得以流域為單元的水文過程十分復雜[72]。早期對于黃土高原流域水文過程的研究主要集中在土地利用方式/類型對洪澇災害、水質、徑流等方面的影響,大量研究均是采用野外觀測和模型模擬的方法,其方法和模型的可信度還需要進一步考證[73]。在全球變化和大規模人類活動的影響下,黃土高原水資源逐漸降低,植被恢復能夠有效調節流域水資源平衡、削減洪峰和減少流域徑流等[29]。周淑梅[74]在黃土丘陵溝壑區通過測量流域出口流速來確定水流量的新方法,并且建立了小流域次降雨水文過程模型;李海光[75]應用改進后的生態水文模型對黃土高原呂二溝流域的水文過程進行模擬,結果發現：在未來的40年內,呂二溝流域的降水量、徑流量表現出季節性變化,呈降低趨勢,而蒸發量占水資源比例逐漸增加;另一方面,受人類活動的影響,土地利用變化對徑流影響的比重逐漸降低,氣候波動對徑流影響的比重逐漸增加。據最新文獻報道,流域尺度的水文過程受人類活動造成(退耕還林草、淤地壩建設、梯田建設等)的影響嚴重,而黃河水的需求量也在不斷增加,這就造成了水文平衡與承載力之間的矛盾[16]。傅伯杰研究組通過耦合地面觀測,揭示了其水資源承載力的閾值,提出黃土高原流域尺度的產水、耗水與用水需要綜合考慮,黃河水沙管理需要從小流域綜合治理向全流域尺度的整體協調轉變[13]。

2.7　景觀格局對生態水文過程的調控

黃土高原水文過程與景觀格局具有緊密的聯系,二者是景觀生態學和水文生態學研究交叉的紐帶。景觀格局和水文過程的相互作用機理成為地球環境科學研究的熱點與前沿[29,76- 78]。在二者的相互作用關系中,景觀格局對水文過程(蒸發、截留、徑流和入滲等過程)的影響主要體現在植被格局和人類活動下土地利用類型/方式的改變;而水文過程通過植被、土壤、微生物的改變響應景觀動態變化[79]。與此同時,生態水文過程也是景觀格局演變的主要驅動力,比如土壤侵蝕過程、土地利用方式、土壤結構、微地形等一系列微尺度過程驅動景觀格局。大量研究借助水文模型分析景觀格局對水文過程的影響,如Germer等[80]研究了亞馬遜森林土地利用格局的變化對地表水文過程的影響,結果表明土地利用格局不僅改變了地表水文過程,而且對周邊生態系統水文過程造成了間接的影響;Lin等[81]基于土地利用變化、地表徑流、表面流以及截留給過程,在臺灣城市小流域構建了響應候變化的水文過程模型;Giertz等[82]在墨西哥典型森林水文過程研究中指出,地表徑流和土壤侵蝕速率是水文過程中的重要環節,并且指出森林的水文循環過程要復雜于農田水文循環過程;Savary等[83]對加拿大Chaudiere流域過去30年間的水文過程進行了模擬,結果發現土地覆被是決定該流域水文過程決定性的關鍵因子;Nieuwenhuyse和Wyseure[84]通過控制景觀異質性和地表水文過程的路徑,結合曼德布洛特的分形理論模型,量化了23個景觀指標在水文過程中的作用,開發出一種虛擬的人為景觀與地表水文過程的網絡模型,并將此模型應用于生態水文的研究中,結果發現各種景觀指標通過隨機的鏈接和網絡式的組合聯合作用于水文過程;與氣候環境因子相比,景觀指標作為主導因素仍不能給出水文過程的定量解釋。

黃土高原景觀格局-過程耦合模型在水文過程的研究中也有較多開展。Li和Zhou[85]基于3S技術在延河流域構建了景觀指數與水文過程相結合的模型,并探討了土壤侵蝕與景觀格局之間的耦合機制,結果發現,景觀格局指數并不能通過模型的檢驗,根據源和匯的理論,景觀格局指數對該流域的徑流貢獻較小,并且存在區域分異和差異性;Zhou和Li[86]重新定義了坡度景觀指數,結果發現坡度景觀指數與土壤侵蝕量具有較強的相關性,并且景觀指數的空間變異性在很大程度上取決于該區土壤水分年沉積量;Yang等[87]在祁連山關于景觀格局對水文過程的影響研究表明,森林生態系統具有更高的景觀破碎度和異質性,相比于草地和灌叢,森林生態系統的水文過程復雜性和異質性較高,最終得出景觀格局的差異是造成該區水文過程差異的主要因素;Xu等[88]在我國北方農牧交錯帶初步構建了景觀格局 生態水文過程的耦合模型,而該耦合模型是否適用于整個干旱地區,還需要進一步的模擬和驗證;索安寧等[89]以黃土高原三水河流域為例,以最大月徑流量、年徑流深度、含沙量、侵蝕模數等作為水文過程的模擬參數,分析了森林景觀破碎化對水文過程的影響,結果表明森林的破碎化間接的影響了水文調控過程;傅伯杰等[73]應用尺度轉換的方法,充分考慮土地利用、土壤質地、地形、降雨、氣候等影響因素,構建了不同尺度的水土流失評價參數體系;在此基礎上,陳利頂等[90]提出了在不受尺度限制下,景觀空間負荷對比指數能夠反映景觀空間格局的變化,由此將其引入水文過程的模擬中。以上關于景觀格局-水文過程模型充分考慮了格局與過程的關系,是黃土高原景觀格局-水文過程發展的新方向和新思路。概括起來,在黃土高原建立景觀格局-水文過程關聯的首要需要解決的是水文過程中相應的景觀指數的確定,并將景觀指數引入水文過程模型中,借助于觀測手段和模型驗證綜合分析景觀格局-水文過程的耦合機制與作用機理。

3　現存主要問題

黃土高原隨著植被恢復的大力推進,大量有機質不斷輸入地下生態系統,土壤質量和養分得到顯著提高,也使得水分和植被格局發生明顯的變化,植被-水分承載力發生了根本性的轉變,由于其自然環境多變與生態系統脆弱,水分承載力受環境因素影響較大,受方法、技術的限制,再加上生態系統本身的復雜性,黃土高原水文過程表現出不均衡性和非穩態特性。若要正確理解黃土高原水文發生過程與格局,就需要依賴于不同尺度對水文過程調控的特點,根據此觀點,需將尺度效應融入水文過程的研究中,否則后續對水文過程的研究可能出現爭議與分歧。比如受降水的影響,在相同的尺度下(景觀格局一致的情況下),降水增加的干擾可被生態系統吸收,而降水減少的干擾被放大;由于尺度不同,相應的水文過程可能不盡一致,甚至可能出現相反的結論。再加上黃土高原區域的不可比性,部分研究結果僅僅只能代表和適用于該區的水文過程或耦合模型,如要應用到其他流域甚至整個黃土高原,就需要結合水文過程的尺度效應,并加強水文過程的物理-化學-生物調控機制,同時消除地理格局、氣候因素等環境因子的影響,完成由微觀過程到宏觀過程的尺度轉換。

4　展望

黃土高原生態恢復與植被建設雖然取得了一定的成效,但事實上,不同尺度下生態水文過程與格局的研究仍處在起步階段。植被、土壤、微生物是調控水文過程和解釋各生物學過程的關鍵紐帶和界面,從植被、土壤、微生物角度探究生態水文過程是解決黃土高原水文循環的關鍵所在,未來需要整合以下幾方面的研究：

(1)生態過程與水文過程相互作用的數學、物理基礎網絡模型成為水文過程發展的學科基礎,生態水文過程中的尺度轉換成為最具挑戰性的問題。通過耦合生態水文過程中各界面與節點,定量描述水分的空間分布模式和建立水文過程的耦合模型,提高不同尺度水文過程的預測精度與敏感性,將有助于揭示黃土高原水文過程作用機理。

(2)將尺度效應融入水文過程,分析氣候、植被、地形、土壤及人類活動對水文過程的響應,辨識不同尺度下水文過程的調控機制,構建構建多尺度、多因子格局與水文過程耦合框架,通過理論、數據和方法的綜合集成與創新,完成水文過程由土壤-植被-流域-區域到景觀格局的尺度轉換。

(3)黃土高原以流域為基本水文過程單元,對流域水文過程中的關鍵界面發生過程(蒸發、滲漏、入滲、蒸騰等)進行長期觀測;并結合3S和計算機技術,在提高模型精準度的基礎上開發適合流域水資源特征的水文模型,并將流域水文模型應用于整個黃土高原。

(4)黃土高原水文過程需要精確的實驗設計和長期觀測作為數據支撐,也需要各學科的整體融合。未來需要引入水穩定性同位素示蹤技術和探針技術,從元素平衡與質量守恒方面揭示水分在生態過程各界面的轉移與分配模式,定量區域水分閾值及其承載力;加強水文過程的集成與聯網研究,采用多尺度、多要素、多時空的綜合觀測與模擬,從微觀和宏觀上揭示黃土高原不同尺度下生態水文過程。