生态水文学

**生態水文學**是生態學和水文學的交叉學科，主要研究地球上水和生態系統相互作用關係。這些相互作用過程可能發生在河流、湖泊、濕地等水體中或者森林、草地、荒漠等陸地生態系統中。生態水文學的重點研究領域是環境中植物 - 水分相互作用，包括蒸騰、植物水分利用策略、植物對水環境的適應、植被對河流流量和功能的影響，以及生態生理過程與水文循環之間的相互作用機制。

## 核心概念

水循環：是指地球上的水分通過蒸散發、水汽輸送、降水、下滲、徑流等過程不斷轉化、遷移的現象，又稱水分循環或水文循環。水循環由海洋的、大陸的以及各種不同尺度的局部循環系統組成，它們相互聯繫、周而復始，形成龐大而複雜的動態系統。水文循環的範圍，向上伸展到大氣層約 15km 高，向下深入到地殼平均約 1.0km 深之間的大氣圈、岩石圈和生物圈中。

蒸散發：包括蒸騰和蒸發兩個過程，其中蒸騰作用是指水汽通過氣孔向大氣擴散的過程，包括水汽在氣孔腔和細胞間隙葉肉表面的蒸發和水汽由氣孔腔經氣孔向大氣擴散兩個過程；蒸發則是生態系統內部植物體外部分的水分（如林冠截留水）的散失。植被生態系統通過蒸散發失水。

光合作用：綠色植物在光能的參與下，利用二氧化碳和水生成有機物的過程，二氧化碳和水在此過程中發生微觀尺度上的耦合。

水分利用效率（英文：Water-use efficiency）：是指單位水量通過植物葉片蒸騰耗散時所能同化的光合產物量，或指植被光合作用生產的乾物質 (淨初級生產力，NPP) 與蒸散發 (ET) 所消耗的水分之比，反映了植物光合固碳與耗水之間的關係。

生態水文學家同時研究陸地和水生生態系統。在陸地生態系統（如森林、濕地、荒漠和稀樹草原）中，植被與地表水、包氣帶水和地下水之間的相互作用關係機理是研究重點。在水生生態系統（如河流、溪流、湖泊和濕地）中，重點放在水化學、地貌以及水文如何影響它們的結構和功能。

### 基本原則

生態水文學的基本原則可以由以下三個有聯繫的部分組成:

1. **水文學:**流域的水文循環的量化，應該是水文和生物過程的功能整合的標準模式。
2. **生態學:**在流域尺度的綜合過程中可以轉向以這樣的方式來提高流域的承載能力和生態系統服務功能。
3. **生態工程:** 水文和生態過程的調控基於集成系統的方法，因此可以是綜合流域管理的新工具。

它們作為可檢驗假設的表達式 (Zalewski et al.,1997) 為：

* H1: 水文過程一般會影響生物
* H2: 生物可以成為一種影響水文過程的工具
* H3: 這兩種影響 (H1&H2) 可以被整合進水文技術的基礎設施中以實現可持續的水資源和生態系統服務。

### 植被與水分脅迫

生態水文學的一個基本概念是，植物生理學與水分的供應直接相關。對於有充足水分供應的地方，如雨林，植物生長則更依賴於養分供應。然而，在半乾旱氣候區，比如非洲的疏林草原，植被類型和分布直接與植物能夠從土壤中獲得的水量相關 。當土壤水分不足時，就會發生水分脅迫的情況。植物在水分脅迫下通過包括關閉氣孔在內的一系列響應同時減弱它們的蒸騰作用和光合作用。這種在林冠水和二氧化碳通量 可能會對局地氣候和天氣產生影響 。

### 土壤水分動態

土壤水分是一個通用術語，描述存在於包氣帶或地面以下不飽和土壤中的水量。由於植物依靠這種水進行關鍵生物過程，所以土壤水分是不可或缺的生態水文學的研究對象。

土壤水分通常用含水量， $\theta $ , 或者飽和 (化學), $S$ 來描述。這些項與孔隙度相關， $n$ , 公式為 $\theta =nS$ . 土壤水分隨時間的變化被稱為土壤水分動態。

### 時空尺度

時間尺度可劃分為日尺度、季節尺度和年份尺度。在日的尺度上，研究土壤水分波動對植物的脅迫作用情況；在季節尺度，研究降水和生長季節是否在同一時期及其植被類型、格局的變化等；在年份尺度，分析年份間降水波動對生態系統結構和功能的影響。

空間尺度一般包括局部尺度、流域尺度和大陸尺度。在局部尺度上，土壤的有效深度不同，對降雨將產生不同的響應，進一步的對植物產生水分脅迫的程度不同。地形對於土壤水的空間分布可能是很重要的。另外坡度和地貌也控制著當地的淨輻射輸入，因此也影響土壤水的變化。在流域尺度上，側重於降雨、土壤水、流域幾何學特徵和植被之間的相互關係研究；在大陸尺度上，則應包括對氣候土壤植被整個系統的研究。

## 生態水文模型

### 微觀尺度

生態水文學的一個基本公式是在景觀微觀尺度的水平衡。一種水平衡指出進入土壤的水量必須等於土壤的失水量加上存儲於土壤中的水的變化量。水平衡有四個主要組成部分：降水進入土壤的入滲量，蒸散發，滲漏水進入土壤深處無法被植物利用的部分，以及地表徑流。方程如下： $nZ_{r}{\frac {ds(t)}{dt}}=R(t)-I(t)-Q[s(t),t]-E[s(t)]-L[s(t)]$

方程左邊描述了根部的總水量。這部分水量可被植物利用，其體積等於土壤孔隙度 ( $n$ ) 乘以其飽和度 ( $s$ ) 和植物根的深度 ( $Z_{r}$ )。微分方程 $ds(t)/dt$ 土壤飽和度隨時間的變化。 方程右邊的部分描述了降雨 ( $R$ )、林冠截留 ( $I$ )、徑流 ( $Q$ )、蒸散發 ( $E$ ) 和滲漏 ( $L$ )，單位（mm/d）。

### 流域尺度

Penman-Monteith 公式以能量平衡方程和水汽擴散理論為基礎，同時考慮作物生理特徵和空氣動力學參數的變化，是計算區域蒸散發最常用的方法之一，也被聯合國糧食及農業組織推薦作為計算參考蒸散發的方法。詳見 Penman Monteith 公式。

## 外部連結

* FAO Irrigation and Drainage Paper No. 56

## 參見

* 陳志愷主編。中國水利百科全書：水文與水資源分冊。北京：中國水利水電出版社.2004.ISBN 7-5084-1065-3
* 夏軍，豐華麗，談戈等。生態水文學 —— 概念、框架和體系。灌溉排水學報，2009,22（1）：4-10.
* 王根緒，錢鞠，程國棟。生態水文科學研究的現狀與展望。地球科學進展，2001,16（3）:314-323.
* 陳臘嬌，朱阿興，秦承志等。流域生態水文模型研究進。地球科學進展，2011,30（5）:535-544
* García-Santos, G.; Bruijnzeel, L.A.; Dolman, A.J. Modelling canopy conductance under wet and dry conditions in a subtropical cloud forest. Journal Agricultural and Forest Meteorology. 2009, **149** (10): 1565–1572. doi:10.1016/j.agrformet.2009.03.008.
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