气候变化下的流域水文学研究综述

气候变化下的流域水文学研究综述

水文科学是以土地水环境研究为核心的，以土壤水动力学、地下水动力学和生产实践为重点的。同时，它是一个完整的整体研究水、能量、物质（沉积物、二氧化碳、养分等）的结合循环，以及土地和气的相互作用，以及水文过程和生态过程之间的相互作用。生态水文学是水文学与生态学的交叉学科,由于气候变化与人类活动加剧引起的流域植被生态退化问题日益严峻,同时由于流域水文过程与植被生态过程的紧密相互作用,流域植被生态水文问题近年来成为国内外的研究热点之一。基于文献调研,本文旨在从流域水文过程与植被相互作用机理、流域植被生态水文模型、气候变化下的流域生态水文响应三个方面阐述流域水文过程与植被相互作用研究的现状,分析流域生态水文学研究的发展历程与趋势。1流域水文过程与植被相互作用规律的研究1.1降水入渗增加了土壤水分等重要方面,植被覆盖度较植被通过根系吸水和气孔蒸腾对水文过程直接作用,同时也通过其垂直方向的冠层结构和水平方向的群落分布对降雨、下渗、坡面产汇流以及蒸散发过程产生间接影响,形成了植被对水文过程的复杂作用。植被对降雨的影响主要表现为冠层截留及茎干流对降雨的重分配作用。植被的截留能力受植被类型、郁闭度、降雨量和降雨强度等因素影响。一般情况下,郁闭度愈大、降雨量和降雨强度较小,植被的截留能力愈大。据统计,我国各类森林生态系统的林冠降雨截留率的平均值为22%左右。除去根系吸水对土壤水的直接影响,植被对土壤水以及坡面产流的影响还主要表现为对土壤入渗能力及深层渗漏补给的影响。植被与土壤下渗能力有密切关系,研究表明,林地土壤的水分入渗能力明显大于非林地,林地入渗率平均值是荒地的3~4倍。森林能增加降雨入渗,主要是两个方面的原因:一是植被能增加土壤入渗能力;二是植被改变了地表特性(如地表糙率或地表贮水能力),这使得水分入渗到土壤的机会增大。王根绪等研究了高寒草地植被覆盖变化对土壤水分循环的影响,发现青藏高原河源区高寒草甸草地的植被覆盖度与土壤水分之间具有显著的相关关系,草地的水源涵养功能明显。同时,植被能够通过根系的水力重分布机制(HydraulicRedistribution)传输土壤水,从而改变表层土壤水分和深层土壤水分的分布,并影响水文过程。一般认为植被覆盖率与流域蒸散发成正比,这是由于流域蒸散发主要来源于植被的蒸腾作用和冠层的截留蒸发,但有研究发现在植被的生长季节和非生长季节这个规律发生了变化。程根伟等利用修正的Penman-Monteith公式对比分析贡嘎山林区非森林地面蒸发和森林蒸散后发现,在非生长季节,模拟的林地蒸发小于裸露地面蒸发量;而在生长季节,结果相反;在5月或10月,二者则基本相当。森林植被对流域径流的影响目前还存在较多的争论,多数研究认为无论在湿润还是在干旱地区,植被覆盖率降低都会造成径流量显著增加。Loch对比分析澳大利亚昆士兰州南部植被覆盖度分别为0%、23%、37%、47%以及100%区域的产流和地表入渗,结果显示植被覆盖度增加将大大增加地表入渗,从而减小地表产流。刘昌明等在黄河流域的研究表明,林区的径流系数远低于非林区,林区径流系数在5%以下,从林区到非林区径流系数显著递增。也有研究认为植被覆盖度增加将导致径流增大,李昌哲等在永定河流域选择地形、地质、气候等条件基本一致的两个小流域,其植被覆盖率分别为41.8%和24.5%,研究结果显示森林植被覆盖度增加不仅能增加河川年径流量,还能改善河川年径流量的结构,即森林植被具有“增枯减洪”的作用。森林植被对地下水的作用较为复杂,一方面增加土壤入渗有利于水分补充到地下水;另一方面植被蒸腾作用消耗大量土壤水分以及植被改善土壤贮水能力,不利于水分下渗对地下水的补充;此外,有些植被根系,尤其是根深较大的植被吸水增多,可能导致地下水被植被吸收,使地下水位下降。1.2与ndvi相关的研究根据生态系统的不同,水文过程对植被的影响包括两方面:水文过程对自然植被的影响及对农作物的影响。水文过程对自然流域植被的影响研究,主要集中在土壤水及地下水对植被生长的影响上。Adegoke等研究了土壤水分和植被指数的关系,结果表明土壤水分和植被归一化指数NDVI(NormalizedDifferenceVegetationIndex)的相关关系较弱,然而滞后2个月的土壤水分与NDVI的相关关系却很高,表明土壤水分可能是暖季植物状态一个有效的指标,土壤水分还可能存在一个长达2个月的记忆期。在降水稀少的干旱地区,自然植被主要受地下水埋深影响,Cooper等研究地下水位长期下降对植被的影响,结果表明地下水位下降后植被格局发生显著改变。农作物生长与水分关系密切,这方面的研究主要关注以蒸发蒸腾为核心的田间水分转化关系。我国学者开展了大量亏缺灌溉对作物影响的研究,这些研究可以概括为三类:(1)田间试验与统计分析相结合,分析亏缺灌溉对作物的影响。一般认为,作物生长期间内水分亏缺将导致减产,生长期前的水分亏缺不但对产量无显著影响,反而有利于提高水分生产效率,过度灌水反而会对作物生长和产量产生负效应;(2)基于田间试验,分析灌溉效益、进行灌区作物种植和灌溉制度的优化设计等,如刘钰等、李霆等人的研究;(3)从生长机理研究水分对作物的影响,如作物水分亏缺诊断指标研究及基于生命需水信息的作物高效节水调控技术研究等。1.3生态最优性原理的引入植被与水分、能量和物质的耦合循环机理是研究陆面与大气、水文与植被等相互作用的基础,是生态水文学研究的主要内容和也是研究的难点。这方面的代表性研究有Ruddell等采用信息流理论描述大气、植被、能量、水分以及二氧化碳之间的相互反馈作用,以此识别生态系统的基本机制。早在19世纪,达尔文及其他生物进化论者指出,自然选择下的适应性是生物具有的普遍特征,由此提出了生物进化论中的最优性原理。随后最优原理被引入植物生态生理学研究中,对于估算叶片尺度上的气体交换,Cowan认为,在给定的蒸腾条件下为了使光合作用达到最大,植物可使气孔导度达到最优值。Cowan把植物的最优性描述为一系列相互联系的最优化目标,即养分、阳光和水分的最优化利用。Mäkelä等认为基于自然选择和进化的生物最优性原理可以用于建立预测模型,用于研究环境变化的生态响应。Donohue等认为,在水分受限的环境中,可利用水分和植被之间有着非常密切的关系,多年生植被的叶面积可以根据土壤水分状况来预测,这意味着存在一个随微气象条件而改变的动态生态水文过程。Hatton等认为,应该在大尺度内寻找某种简单的生态水文平衡规律,Eagleson总结了这方面的研究成果,提出3个生态系统最优假设来模拟和分析多年尺度的水量平衡。Rodriguez-Iturbe及其研究小组在Eagleson的研究基础上,提出了基于最优原理的随机土壤水动力模型,认为植被生长的最优原则是使得植被全体的水分胁迫达到最小。Mackay探讨了自然流域可能存在“生态水文平衡状态”,认为松叶林的冠层密度可以用一个水文平衡状态来解释,而这个平衡状态主要受土壤水分、大气湿度以及可利用氮控制。生态最优性原理被应用于植被与水文过程相互作用研究,但其理论本身在生态学界还存在争议,应用尚处于探索阶段。2流域生态水文模型的研究2.1植被参数化与蒸腾模型的建立由于下垫面变化对水文过程及水量平衡有显著影响,大多数水文模型不同程度地考虑了植被因素的影响,代表性模型有SiB2模型以及国内的VIP模型等。这些模型中,垂向植被参数化主要包含在蒸腾、根系吸水、冠层能量传输以及二氧化碳交换4个过程的描述中,而空间植被参数化主要体现在不同植被类型的空间分布上。蒸腾模拟主要包括气叶片气孔导度、冠层空气动力学阻力和叶面积指数等参数;根系吸水主要包括根表面吸水阻力以及根内水分传输阻力等参数;冠层能量传输主要包括冠层光学特性(如反照率)以及植被形态参数(例如冠层高度)等;二氧化碳交换则主要包括植被生理学特性参数(如电子传输速率、酶活性等)。这些过程在模型中相对独立,彼此之间的内在联系尚未充分考虑在模型当中。植被因素在水文模型中的引入增强了模型的机理性,提高了模型的模拟精度。但另一方面,模型复杂的植被参数化过程使得模型参数数量显著增多,参数率定不仅需要更全面的观测,而且容易引起异参同效、过参数化等问题。2.2对水文过程的模拟现有的大多数植被生长模型来源于生物物理模拟模型。其中,一般的生态系统模型的重点在于植被碳循环的模拟,主要包括植被碳吸收以及碳在植物体内的分配,对水文过程的模拟一般仅简单考虑土壤水分对植被生长的胁迫作用。作物模型以CERES(CropEnvironmentResourceSynthesis)为代表,其中对水文过程的模拟主要包括蒸发蒸腾与土壤水分运动两部分。蒸散发的模拟一般基于彭曼假设,即与潜在蒸发成正比,并与植被参数(叶面积指数等)和土壤水分状况有关;土壤水分运动一般简化为根层土壤的水量平衡。在模拟作物生长过程时,一般先模拟无水分胁迫条件下的光合作用与呼吸作用,从而得到净生产量,然后引入水分影响曲线并根据土壤水分情况进行水分修正。在分配干物质至不同器官时,同样采用经验曲线或系数来考虑水分状况的影响。Tubiello等认为,作物生长模型的局限性主要表现为各因素相互作用过程的描述比较简单,如在气候变化条件下,未考虑作物对二氧化碳浓度升高的响应等。Rosenzweig对作物模型的现状分析认为,现有的模型包含了许多简单、经验性的关系,并未考虑二氧化碳升高引起的叶片温度升高等生态生理响应机理。2.3在最优性假设中的应用在生态水文模型中考虑植被动态变化过程与水文过程相互作用的最常用方法就是将植物生长模型与SVAT(SoilVegetationAtmosphereTransfer)模型耦合。最近,基于生态最优性原理的生态水文模型开始出现,这类模型对预测未来气候变化下的植被生态水文响应具有强大生命力。vanderTol等以最大净光合作用生产量为最优性假设,以光合作用能力和气孔内二氧化碳浓度为优化参数,采用一个生长季为优化时段,在FarquharC3光合作用模型的基础上,优化并模拟了自然落叶林的植被特征、二氧化碳同化量及蒸腾量。同样以净光合作用生产量最大化为最优性假设,Kleidon等通过一些列简单的经验模型,以根深为优化参数,得到热带雨林地区的最优根深值,并以此评价了根深对气候的影响。Wang等以植被蒸腾最大化为最优性假设,以地表能量平衡为约束条件,以叶片温度、叶水势,显热通量作为优化参数,将蒸腾表示为叶面温度、二氧化碳吸收量、显热通量以及太阳辐射的函数,并通过实测数据证明了该假设的合理性。Schymanski等在水分受限地区,基于最优原理建立了冠层尺度的生态水文模型,假设自然植被通过自身进化已经形成了一种最优的水分利用策略,使得植被的“净碳”达到最大,并耦合光合作用-碳吸收模型和水量平衡模型,优化在给定气象条件下自然生态系统的植被覆盖度、光合作用能力以及水分利用效率等要素,并模拟植被的二氧化碳同化量以及蒸散发,模型不再需要把植被因子当作参数。目前,基于生态最优性原理的生态水文模型仅在有限的气候和生态系统条件下得到了验证,在流域尺度还缺乏研究。3对流域生态水文气候变化的反应研究3.1蒸发服蒸发量t蒸散发是联系植被与水文过程的纽带之一,气候变化下的流域蒸发蒸腾响应是研究的重要方面。一般认为温度升高将使地球表面的空气变干,从而增加陆面水体的蒸发量。然而,研究表明,过去50年间全球各地蒸发皿蒸发量或潜在腾发量呈下降趋势,这种蒸发皿蒸发量的预期值与观测值相悖的现象称为“蒸发悖反”现象。蒸发皿观测的蒸发量下降,其原因包括:由于大气中云量的增加,造成太阳辐射量下降;由于大气中气溶胶等污染物增加,造成太阳辐射量下降;由于空气湿度增加,造成水汽压差减小;由于季风变化,引起陆面风速下降等。蒸发皿蒸发量(可代表潜在蒸散发量)下降是否意味着陆面蒸发的下降,存在不同观点。杨大文等基于Budyko假设,给蒸发正比与蒸发互补两种观点做了统一解释,在水分控制条件下实际蒸发与潜在蒸发之间为互补关系,这时实际蒸散发并不一定随潜在蒸发下降而减少;在能量控制条件下二者则为正比关系,这时实际蒸散发将随潜在蒸散发下降而减少。随后的研究还发现,流域植被与蒸散发二者之间存在显著相关关系,将植被作为参数之一引入流域蒸散发模型中可以提高模拟精度。3.2气候变化对植被的影响由于植被对水文过程的显著作用,研究气候变化对植被覆盖度的影响以及对植被光合作用的影响是气候变化对植被影响的重要研究内容。袁婧薇等分析了中国气候变化的植物信号和生态证据,指出气候变暖导致中国33°N以北大部分地区植物春季物候期显著提前,植被生长季延长;群落物种组成和分布发生改变,主要表现在长白山等高山群落交错带物种组成和林线位置的变化以及青藏高原高寒草甸的退化;全国总体植被盖度增加,植被活动加强,生产力增加。莫兴国等采用VIP模型并利用卫星遥感反演地植被叶面积指数,模拟了1981—2001年黄土高原无定河区域植被总第一生产力和水量平衡的时空变化特征及其对气候变化的响应,指出温度上升延长了植物适宜生长时间,提高了生产潜力。Shi等的研究表明,过去50年来的气候变化已经使中国西北地区13%的地表植被覆盖得到改善,植被增加的主要地区位于新疆西部和北部。Yu等采用植被-土壤-大气碳交换模型(CEVSA),模拟结果认为21世纪末中国会有正向的植被增加。3.3气候变化对作物产量的影响气候变化对农田生态系统影响的研究热点主要为对作物产量的影响和对作物耗水的影响两个方面,目前的研究大多集中于前者。气候变化对作物产量的影响主要来源于二氧化碳浓度升高和气温升高两个因素。实验研究表明,当二氧化碳体积分数位于(140~900)×10-6之间时,小麦产量随二氧化碳浓度的升高而升高,之后又随着二氧化碳浓度的升高而略微下降。气温升高尽管有利于光合作用,但导致作物生长期缩短,从而减少了生物量和产量。关于气候变化对作物产量影响的研究通常采用两类方法:模拟实验和模型模拟。模型模拟研究以作物生长模型为基础,未来气候情景采用气象要素假定法或大气环流模式预测值,作物生长模型以CERES和WOFOST为代表。气候变化对灌溉水需求的影响是全球关注的问题。Döll估算,2070年全球的净作物灌溉需求(蒸腾损失)将要增加5%~8%,其中亚洲东南部将增加15%;Fischer等的研究结果认为,至2080年全球净灌溉需求量将增长20%;Rosenzweig的研究表明,增加灌溉可以缓和气候变化对作物产量带来的负面影响;刘晓英等认为,在未来气温升高的情况下,华北地区主要粮食作物的需水量总体上将增加,使得已紧张的水资源供需矛盾更加突出;Tung等认为,二氧化碳浓度倍增会增大蒸散发,从而增大作物需水量。关于未来气候情景下区域灌溉需水量的预测,大多采用了基于潜在蒸发的折算方法以及传统的水量平衡方法。4未来的研究趋势和展望20世纪90年代以来,随着人们对水分、能量、大气和植被等过程研究的深入,各过程之间的相互作用研究以及流域生态水文系统的研究成为热点,研究注重对复杂系统的整体识别,揭示要素之间的相互联系和反馈机制。就流域生态水文模型方法的发展趋势而言,确定性、复杂动力学方法是现代水文学的主流,但其愈来愈受到这样的质疑,即没有足够的观测资料给模型提供参数或验证。现有的生态水文模型大多试图将能量、水分及植被生态过程耦合,其中仅有的约束是守恒方程和连续方程,模拟的结果是否遵守生态水文学法则受到质疑。近年来,基于植被生态最优性原理的生态水文模型研究开始活跃于国际生态水文学研究领域,特别是在预测未来气候条件下的生态水文响应方面,具有巨大的潜力。针对流域水文过程与植被的相互