“生態水文學”實驗實踐課程建設規劃與思考

補建偉 劉夢 孫自永 胡順 胡雅璐

[摘 要] 目前，大多數高校的“生態水文學”課程以室內課堂教學和理論講授為主，缺少與教學內容相匹配的室內實驗課和野外實踐課教學。通過探討“生態水文學”實驗實踐課程的建設規劃，最終形成“1+2+3+N”教學改革模式，并打造“課堂—實驗室—監測站—野外—課堂”的閉環教學體系，使理論與實踐結合、動腦與動手結合、室內與室外結合、實驗室與野外場地結合，從而極大地提高了教學質量，最大限度地發揮了課程的應用價值，有效助益了其精品和一流課程的打造。

[關鍵詞] 生態水文學;實踐課程;教學改革

[基金項目] 2020年度中國地質大學（武漢）本科一般教學研究改革項目“‘生態水文學’實驗實踐課程建設與規劃”（2020A10）; 2019年度國家自然科學基金青年科學基金“內陸干旱區非生長季生態輸水有效性的同位素示蹤研究”（41907177）; 2018年度中央高校基本科研業務費專項“石羊河流域典型沼澤濕地動態監測及生態水文過程研究”（CUGL180817）

[作者簡介] 補建偉（1986—），男，四川遂寧人，博士，中國地質大學（武漢）環境學院實驗教學中心副教授，主要從事生態水文和礦山環境相關研究;劉 夢（1988—），女，湖北武漢人，碩士，中國地質大學（武漢）機械與電子信息學院教學秘書，主要從事學生教學管理與生態水文研究;孫自永（1978—），男，山東菏澤人，博士，中國地質大學（武漢）環境學院副院長，教授，博士生導師（通信作者），主要從事寒區與旱區生態水文相關研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）50-0149-04? ? [收稿日期] 2021-07-30

工業革命以來，人類活動和氣候變化對生態系統造成了巨大的影響和破壞，冰川消融、植被退化、土地沙化、環境污染、水資源短缺等生態環境問題頻發，使得運用常規、單一的學科知識來解決這些問題顯得捉襟見肘。1992年，在都柏林國際水與環境大會上，生態水文學作為一門獨立的學科被提出，為解決這些問題提供了新途徑[1]。作為一門年輕、新興且發展迅速的學科，生態水文學以植物與水分的關系為理論基礎，是研究植物如何影響水文過程及水文過程如何影響植被分布和生長的交叉學科[2-4]。

目前，我國地學、林業、農業和一些綜合類高校普遍開設了這門課程，但大都以課堂教學和理論講授為主，缺乏與教學內容相契合銜接的實驗課程，理論聯系實際的野外實踐課程更是鮮有涉及。作為一門描述生態格局和生態水文學機制的科學，生態水文學的研究對象涉及旱地、濕地、森林、草地、山地、湖泊和河流等[5]，實踐性很強，如果學生不親自動手參與實驗或在野外體驗觀測，教學效果將大打折扣。因此，在當下建設世界一流學科和國家一流本科課程的背景下，有必要探索建設“生態水文學”室內實驗課程和野外實踐課程的思路。本文可為類似實踐性較高或學科交叉較深入的課程提供教學改革的參考和借鑒，具有一定的示范和推廣作用。

一、學科發展的背景

（一）注重流域和系統思維的生態水文學

水具有生態服務和社會服務兩種重要功能，水資源正面臨著人類活動影響和氣候變化加劇等諸多方面的威脅，所支撐的自然生態系統也正以前所未有的速度退化。由于水資源短缺、水環境污染而造成的生態環境日益惡化，阻礙了社會經濟的可持續發展。在通常情況下，一個流域的水資源主要來自降水，流域的水循環決定了流域水資源的狀況，也決定了其陸生和水生生態系統的結構和功能[6]。

在流域生態系統中，水是重要的驅動力與制約因素;在流域水文系統中，生態不僅是重要的邊界條件，植物蒸騰更是水循環的關鍵環節[6]。由于生態系統對水文系統的復雜作用，流域生態系統的退化改變了流域水循環，從而進一步加劇了水資源危機。要解決水資源危機，必須借助生態學的研究發展現代水文學，因此，水文學與生態學的交叉融合也就成了必然趨勢，生態水文學應運而生，其研究的核心問題是水循環過程與生態過程的相互作用機制[7]。

（二）注重水文過程和生態過程的生態水文學

任何一個學科建設和發展的初衷都是探索未知世界、尋求科學真理，最終造福人類社會。生態水文學在服務生態環境、保護實踐、生態文明建設中作用巨大，特別是在地質環境敏感和脆弱區，如在我國青藏高原高寒地區和西北干旱半干旱區作用更加凸顯。

青藏高原被譽為“亞洲水塔”和“世界第三極”，不僅是我國許多大江大河的發源地，還分布有大量的濕地和湖泊。全球氣候變化引起了冰川消融、雪線上升和凍土退化等一系列生態環境問題，強烈影響著青藏高原生態系統的格局和過程，與其關聯的水文過程改變巨大。特別是發源于青藏高原的內陸河，流域內降雨稀少、蒸發量大、氣候干旱，水文過程控制著土地荒漠化的主要調控者——植被的生長發育，所以水文過程的改變直接導致生態過程變化，進而驅動著干旱半干旱區生態環境的轉變。因此，對水文過程和生態過程的機理研究不僅可為良好的天然生態系統的維持和保護提供理論支撐，也可為退化的生態系統恢復重建提供科學依據。

二、課程建設的需求分析

中國地質大學（武漢）在2011年修訂水文學科的培養計劃，將生態水文學列為主要培養方向之一，明確要求將“生態水文學”列為專業的核心課程。生態水文學發展至今，已不再是早期簡單的水文學科與生態學科的交叉，還涉及諸如地質學和物候學等多學科的融通[8]，實踐性不言而喻，在實踐應用中，對解決水資源安全、維護生物多樣性和生態文明等國家戰略目標具有重要的支撐作用。當前，行業內各科研機構和生產單位也逐步由傳統的“水文地質”向新時代的“生態地質”轉型，以服務社會發展和國家目標。

承擔本課程教學任務的環境學院，前身是1952年北京地質學院建校時成立的水文地質教研室，目前學院的水文地質學（0709Z4）是國家級重點學科，其一級學科地質學（0709）是國家雙一流建設學科，且在全國第四輪學科評估中被評為A+;本科專業水文與水資源工程、地下水科學與工程分別于2019年和2020年入選國家級一流本科專業建設點。環境學院于2019年由南望山老校區搬遷至未來城新校區，公共實驗室物理空間大為增加，科研用地得到保障，實驗實踐綜合條件得到改善，目前有基礎、有條件開設本課程的實驗和實踐課程。

本課程是“學科前沿、社會關注、就業需要、內需增長”，但受南望山老校區場地、人員和經費所限，該課程始終未開設實驗和實踐課程，現急需借搬遷新校區之際，在未來城校區建設該課程的室內實驗和野外實踐課，以適應當前學科的發展和社會的需要。

三、課程建設的主要內容

為使學生更好地理解水文學、水文地質學和生態學等相關概念和理論，在個體、種群、群落、景觀和流域等不同尺度上，識別影響水文過程的各種生態要素[9]，充分認識生態過程與水文過程的相互作用和關系[ 10 ]，以及更好地掌握室內測試方法和野外監測手段，進而培養學生分析與解決生態水文學實際問題的能力，本實驗和實踐課程的主要建設包括以下內容。

（一）優化教案并提出課程建設計劃

對現有課堂教學的知識點和內容進行梳理分析、整理總結，對最新的文獻資料和教材進行消化理解，補充、完善和更新國內外最新鮮的教學案例和研究成果，增強課程的前沿性、新穎性、趣味性和實用性。對國內典型和最近建成的生態水文野外試驗場和實踐教學路線進行調研，匯總在室內實驗室和野外操作性較強的教學內容，篩選最適合野外實踐路線的教學內容，整合形成含若干條野外實踐備選路線的教學方案。在此基礎上，提出適合我校“生態水文學”室內實驗和野外實踐教學課程的建設計劃，包括研究現狀、建設目標、內容對象、措施手段、實施方案、運行機制和政策保障等內容。

（二）室內實驗室建設及實驗內容規劃

分析學院科研用房狀況，提出儀器設備購置和經費籌措計劃，并分別向學院和學校遞交建設“生態水文學”課程本科教學實驗室的建設方案。內容包括：實驗室物理空間的申請、設計和布局;按近期、中期和遠期規劃實驗內容，近期篩選操作性強、周期短的實驗項目開展室內實驗教學，主要涉及樣品采集和預處理、手動測試與上機分析、數據處理和實驗報告等內容;實驗所需儀器設備、耗材的購置計劃，資金籌措方案;實驗課程的講義撰寫與開課申請;實驗教師的落實和培訓準備等。方案獲批后立即開展深化設計、室內裝修與改造、設備采購與經費執行，初步建成并試運行半年后進行驗收。

（三）校內監測站點建設方案與規劃

調查未來城新校區的基礎地質環境要素和場地條件，選址建設兩個生態水文綜合試驗監測站點（A/B站）。內容包括：建設方案論證、用地/基建申請和施工方案制定。根據教學需要分步實施，首先制定監測站點（A站）的建設方案，確定監測對象、監測指標、教學內容和教學手段。再根據政策支持和經費落實情況，規劃第二個監測站點（B站）的建設。制定監測儀器設備的購置計劃和經費預算，提出監測數據的獲取與分析、監測內容銜接和科學研究規劃等。建成后安排專職人員對監測站點進行運行和維護，監測站點對全校師生開放，監測數據實行有條件共享，將監測站點的觀測和數據分析納入實踐教學的方案中。

（四）校外實踐路線建設與規劃

在未來城校區校外周邊開展實地調研，在校區東南隅的岱家山選取多個與教學內容匹配度高的野外實踐教學點位，收集岱家山周邊的地下水、地質、土壤和植被相關資料。選取一條貫穿草本、灌木、喬木的最典型實踐路線（線路Ⅰ），開展土壤結構、包氣帶巖性、地下水動態和植物群落等內容的調查，準備野外教學內容和講義，組織試講和開展本路線的野外教學。規劃中期第二條（路線Ⅱ）和遠期第三條（路線Ⅲ）實踐路線的建設。提煉適合新校區校內監測站點和岱家山野外實踐教學銜接互補的教學內容，撰寫實踐教學教案和落實安全保障措施，設計實踐教學的知識點，拓展課程的授課形式和范圍。

四、課程建設的目標和意義

生態系統是一個復雜、不斷進化的組織，其特征與屬性取決于氣候、土壤和植被之間的內在聯系。這些聯系的動態變化與所研究現象的尺度緊密相關，也與植被的生理特征、土壤質地，以及氣候類型有關。生態系統的演變主要取決于植物對光和水分的需求，作為外部輸入驅動植物的生產機理，這些輸入在時間和空間上變化很大，其同化取決于植物特性及生態系統的結構。

植被在土壤水分的時空動態變化中扮演著重要的角色，它既是土壤水動態變化的原因，也受土壤水動態變化影響。類似的，植物結構及冠層的三維特征既決定于輻射能量的利用和受輻射能量的影響，也是輻射能量利用和影響的控制因素。光和水分是葉片氣孔機能的關鍵控制因子，日照和降水在季節間、一天中都有所變化，從而控制著植物對二氧化碳的吸收和同化。通過上述室內實驗操作和室外實踐課程，使學生充分掌握這些要素和原理。

實驗和實踐課程的建設過程慢、周期長，需要不斷積累和完善，結合本單位已有的教學基礎，計劃在3年內陸續建成1個“生態水文學”課程本科教學實驗室，2個校內綜合試驗監測站點（A/B站），3條校外岱家山野外實踐教學路線（路線Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ），并提出1套適應我校“生態水文學”室內實驗和野外實踐的教學改革方案。

本課程建設主要面向水文與水資源工程和地下水科學與工程專業本科生，輻射水文地質學、環境科學與工程和全校其他專業選修學生。課程建成后，環境學院所有專業和年級，以及全校學生均可參與室內實驗和野外實踐。通過教學，學生不僅可以鞏固強化生態水文學基本的理論知識，而且能掌握實地調查、采樣記錄、儀器架設、野外觀測、室內測試、數據獲取、現象分析和假想提出等技能。

總體來說，本課程的建設對促進教學工作、提高教學質量的作用和意義體現在：（1）增加本課程室內實驗和野外實踐教學內容，豐富教學內容和手段，有助于形成和完善課程的知識結構和理論體系;（2）在實驗室和野外實踐中探尋真知，增強師生互動，培養學生學習的興趣和熱情，鍛煉動手能力，提升整體教學效果和質量;（3）本課程涉及多門學科，實驗室和實踐教學有助于理論聯系實際，鞏固和發散課堂學習內容，拓寬學生視野，提高畢業生培養質量和競爭力，適應社會需求;（4）本課程極具特色，建設好本課程，努力打造精品課程和業內品牌，可支撐教學和專業評估，促進學科發展;（5）本課程與多學科交叉融合，處于科學研究前沿，做好教學和研究工作，容易產出原創成果，對提高學校相關科研能力和國際聲譽意義重大。

五、結語

我國當前面臨著比較嚴峻的水資源問題，今后很長一段時間內，生態環境保護研究將迎來持續關注和長足發展。而“生態水文學”這門以生態過程與生態格局的水文學機制為關注焦點，以植物與水分關系為基礎理論，將尺度、系統問題貫穿于整個講授之中的課程，將是契合我國生態文明建設的重要課程。加強本課程的室內實驗和室外實踐教學，對課程內容進行擴充和改革刻不容緩。

參考文獻

[1]孫自永，左麥枝，甘義群，等.“以學生為中心”的生態水文學教學策略探討[J].教育教學論壇，2014（53）：181-183.

[2]趙文智，程國棟.干旱區生態水文過程研究若干問題評述[J].科學通報，2001（22）：1851-1857.

[3]夏軍，豐華麗，談戈，等.生態水文學概念、框架和體系[J].灌溉排水學報，2003（1）：4-10.

[4]黃奕龍，傅伯杰，陳利頂.生態水文過程研究進展[J].生態學報，2003（3）：580-587.

[5]Baird A J， Wilby R L.生態水文學——陸生環境和水生環境植物與水分關系[M].趙文智，王根緒，譯.北京：海洋出版社，2002.

[6]伊格爾森.生態水文學[M].楊大文，叢振濤，譯.北京：中國水利水電出版社，2007.

[7]王根緒，錢鞠，程國棟.生態水文科學研究的現狀與展望[J].地球科學進展，2001（3）：314-323.

[8]夏軍，張永勇，穆興民，等.中國生態水文學發展趨勢與重點方向[J].地理學報，2020，75（3）：445-457.

[9]呂憲國.濕地生態系統觀測方法[M].北京：中國環境科學出版社，2004.

[10]馮蕾.基于生態水文學原理的衡水湖濕地研究方法概述[J].現代農村科技，2021（5）：101+16.