生态水文过程对水环境影响研究述评

当前生态水文过程对水环境影响的国内外研究主要包括生态水文过程的形成、基于生态水文格局分析的生态需水研究、流域尺度上生态水文过程对水文、水质和水生态的影响以及理论、方法与模型研究;但这些研究尚未过渡到生态水文过程的揭示上来,我国的生态水文学研究尤为薄弱。未来生态水文过程与水环境安全调控研究中的主要议题包括:①生态水文过程形成、演化及驱动机制分析;②基于生态水文过程的生态需水时空分异;③流域生态水文过程对地表水水质分异的影响;④流域生态水文过程与水的生态空间变化;⑤近海陆域生态水文过程与近海水质调控;⑥基于现代地理信息技术的生态水文模型研究;⑦基于水环境安全的生态水文决策与管理研究。     

景观格局与水土流失的尺度特征与耦合方法

景观格局与生态过程的耦合研究是景观生态学研究的核心科学问题,也是综合自然地理学深化和发展的关键.尺度广泛存在于生态学现象中,尺度效应与尺度转换是景观生态学研究面临的挑战,探讨格局与过程之间相互作用机理与尺度特征是为解决尺度问题提供理论依据的必然途径.水土流失作为一种生态过程,是国内外颇为关注的生态问题.依据多种研究手段,在不同尺度上开展景观格局与水土流失的相互关系与尺度特征的研究,在分析景观格局的时空异质性、水土流失的影响因子与尺度效应的基础上,揭示流域景观格局与水土流失的耦合机理,发展尺度转换方法和景观格局-水土流失过程耦合模型,是完善景观生态学的理论基础,是为水土流失区生态建设提供科学依据的重要途径.     

新书介绍:生态水文过程观测方法

生态水文学(Ecohydrology)是生态学和水文学的新兴交叉学科,研究陆地表层系统生态格局与生态过程变化的水文学机理,揭示陆生环境和水生环境植物与水的相互作用关系,了解与水循环过程相关的生态环境变化原因与调控机理.生态水文学关注在不同时空尺度上和一系列环境条件下的生态水文过程,系统性研究气候—土壤—植被动态过程中的水文机制.目前水资源短缺已经成为全球性问题,对生态水文过程的认知是评估全球变化对水安全和生态系统功能影响的基础,这不仅是联合国可持续发展目标的重要议程之一,同样也是"未来地球"和地球关键带研究的热点问题.     

新书介绍:生态水文过程观测方法

生态水文学(Ecohydrology)是生态学和水文学的新兴交叉学科,研究陆地表层系统生态格局与生态过程变化的水文学机理,揭示陆生环境和水生环境植物与水的相互作用关系,了解与水循环过程相关的生态环境变化原因与调控机理.生态水文学关注在不同时空尺度上和一系列环境条件下的生态水文过程,系统性研究气候—土壤—植被动态过程中的水文机制.目前水资源短缺已经成为全球性问题,对生态水文过程的认知是评估全球变化对水安全和生态系统功能影响的基础,这不仅是联合国可持续发展目标的重要议程之一,同样也是"未来地球"和地球关键带研究的热点问题.     

土壤水文属性及其对水文过程影响研究的进展、挑战与机遇

土壤水文属性对水文过程、能量过程、碳氮循环过程及各过程间相互作用有重要影响.首先简要回顾近30年来土壤水文属性的研究进展,包括土壤水文属性的监测分析、土壤水文属性对水文过程的影响机理,以及不同尺度土壤水文属性对水文过程的影响差异及联系.其次,论述土壤水文属性研究的挑战与机遇.最后介绍祁连山区土壤水文属性对水文过程的影响及多尺度特征研究.力求加深对土壤水文属性变异规律及其对水文过程影响机理的认知,发展土壤水文学和山区水文学,支持水资源科学管理和区域可持续发展.     

流域生态水文过程模拟研究进展

生态水文学作为生态学和水文学的交叉学科,得到了相关研究者的广泛关注,并成为水文水资源研究领域中的一个热点,生态水文过程主要包括水文过程、生态过程以及二者之间相互作用的过程。从生态水文学内涵的角度,对山地、湿地、干旱区生态水文过程模拟以及流域集成模拟进展做了阐述,并分析建模的策略和统计了部分生态水文模型,考虑了建模过程中的尺度、数据、精度3个关键问题。并对生态水文模拟发展趋势做了展望,指出在未来的研究中应更多的关注以下几个方面:①生态水文过程模拟建模基础研究;②生态水文过程集成模拟研究;③基于数据库和GIS/RS技术的生态水文过程耦合模拟研究;④与原型观测相结合的生态水文过程模拟研究。建立符合我国实情的生态水文模型,是现阶段我国生态水文学研究的重要任务。     

干旱区流域生态水文耦合模拟与调控的若干思考

系统识别全球变化和高强度人类活动影响下干旱区流域生态水文耦合作用机制及演变规律,并通过综合生态水文调控,构建健康水循环和生态安全格局,是干旱区流域亟待解决的关键科学问题。传统的基于水文过程与生态过程的分离模拟与调控,尚不能满足上述实践需求;需结合原型观测与实验,对大气模式、水文模型、生态模式（包括天然生态模拟模型和作物生长模式）进行耦合开发,构建具有统一物理机制的流域生态水文模型。以此为支撑,对干旱区流域生态水文过程演变规律及阈值特征进行系统识别;并结合水生态服务功能评价,提出流域生态安全修复及水资源合理配置与调度方案;制定有效的风险管理措施,对流域生态水文过程进行动态调控。     

内陆河流域水文过程研究的一些科学问题

水科学研究的发展，对水文科学提出了新的挑战，即如何在流域、区域和全球尺度进行学科交叉、综合集成和协同研究，从而更全面地认识水在地球资源和环境变化中的作用，认识水圈及其与大气圈、岩石圈和生物圈的相互作用。为了解内陆河流域水文循环和水量平衡各分量之间的变化和转化关系及其与生态和环境之间的相互作用，以及对全球变化和人类活动的响应和反馈，基于内陆河流域上游山区径流形成区、中游人工绿洲水资源开发利用区和下游荒漠绿洲径流散失区的流域水文循环特征，从能水通量、生态和生物地球化学过程讨论了山区水文过程；从生态水文、尺度转换、阈值和反馈讨论了水文和植被的相互作用；从国外提出的关键作用带的概念讨论了内陆河流域地下水—土壤—植被作用层的水文过程。提出了开展内陆河流域水文过程观测和研究的基本框架。     

水文土壤学面临的机遇与挑战

水文土壤学是以土壤发生学、土壤物理学和水文学为主的新兴交叉学科,综合研究不同时空尺度土壤与水的相互作用关系,在地球表层系统科学综合集成研究中具有特殊地位和重要作用。阐述了水文土壤学形成背景与内涵、学科与理论基础及研究进展,并展望未来面临的机遇与挑战。水文土壤学重点解决以下2个科学问题:①土壤结构及土壤—景观分布格局在不同时空尺度上如何主导和影响水文过程以及与其相关的生物地球化学循环和生态系统演变;②景观系统水文过程如何影响土壤发育、演变、异质性及其功能。水文土壤学面临研究方法和理论创新、多尺度综合观测网络体系构建及人才培养等方面的挑战。     

新书介绍:生态水文过程观测方法

正生态水文学(Ecohydrology)是生态学和水文学的新兴交叉学科,研究陆地表层系统生态格局与生态过程变化的水文学机理,揭示陆生环境和水生环境植物与水的相互作用关系,了解与水循环过程相关的生态环境变化原因与调控机理。生态水文学关注在不同时空尺度上和一系列环境条件下的生态水文过程,系统性研究气候—土壤—植被动态过程中的水文机制。目前水资源短缺已经成为全球性问题,对生态水文过程的认知是评估全球变化对水安全和生态系统功能影响的基础,这不仅是联合     

土地利用结构与生态过程

本文从土地利用与土壤水分、土地利用与土壤养分、土地利用与水土流失3个方面系统讨论了土地利用结构与生态过程研究的现状和特征,指出:1)土地利用结构对土壤水分的影响涉及生态系统、坡面、小流域和区域等系列尺度,土地利用的分布及景观特点影响土壤水分的时空变异;2)土地利用对土壤养分的影响表现在土地利用的镶嵌格局影响土壤养分的分布和迁移,土地利用的变化可以引起土壤养分的变化;3)土地利用与水土流失关系密切,土地利用的改变能够减少或增加径流和土壤侵蚀.尺度不同,土地利用与水土流失的机制也不尽相同.土地利用结构与生态过程的研究,还需要注重大尺度和多尺度上的综合研究.     

湿地景观格局与生态过程研究进展

20世纪70年代以来，湿地研究成为国际环境科学和生态学研究的热点领域之一。尤其是景观生态学的兴起为湿地研究注入了新的活力,为在区域尺度上开展湿地的综合研究起到了启发和指导作用。空间格局、生态过程与尺度之间的相互关系是景观生态学研究的核心内容。同样，从景观尺度上来研究湿地空间格局与生态过程及其相互关系是当前湿地科学的研究热点。对景观格局与生态过程的研究方法、湿地主要生态过程、湿地景观格局与生态过程相互关系等方面的国内外研究进展进行了综述。最后分析了目前湿地景观格局与生态过程相互关系研究中存在的问题与不足,未来湿地生态过程以及湿地格局与生态过程相互关系的研究热点及发展趋势。     

内陆河流域生态-水文本体的构建方法及应用

大于10×10⁴ km²的大尺度流域建模面临诸多挑战, 在过程理解、数学表达、尺度转化、生态与水文过程的耦合机制等方面尚存在瓶颈. 基于本体的建模方法, 依据本体表示的多级过程, 将已有模型拆分成组件, 用户根据需求添加组件得到定制模型, 通过语义重组与技术创新, 为大尺度流域模型集成提供新的思路. 以黑河流域生态水文研究为范例, 在解释生态水文本体内涵、分析现有本体构建方法的基础上, 提出“基于知识的生态-水文本体构建方法”, 通过荒漠生态系统生态-水文本体的构建, 证明了该方法的有效性与可行性.     

Using landscape indicators and Analytic Hierarchy Process (AHP) to determine the optimum spatial scale of urban land use patterns in Wuhan,China

Quantifying land use patterns and functions is critical for modeling urban ecological processes, and an emerging challenge is to apply models at multiple spatial scales. Methods of determining the optimum scale of land use patterns are commonly considered using landscape metrics. Landscape metrics are quantitative indicators for analyzing landscape heterogeneity at the landscape level. In this study, due to their widespread use in urban landscape analyses and well-documented effectiveness in quantifying landscape patterns, landscape metrics that represent dominance, shape, fragmentation and connectivity were selected. Five metrics include Patch Density, Contagion, Landscape Shape Index, Aggregation Index and Connectivity. Despite a wide application of landscape metrics for land use studies, the majority mainly focuses on the qualitative analysis of the characteristics of landscape metrics. The previous models are limited in exploring the optimum scale of land use patterns for their lack of quantitation. Therefore, taking the City of Wuhan as an example, the land use unit was treated as a patch, and the landscape pattern metrics at different spatial scales were calculated and compared so as to find the optimum one. Furthermore, a mathematical model of landscape metrics was proposed to quantify the scale effect of urban land use patterns, generating a complementary tool to select the optimum scale. In addition, Analytic Hierarchy Process (AHP) was introduced to determine the respective weights of the chosen landscape metrics in this model. Fractal dimension was ultimately applied to verify the chosen optimum scale of our study region. The results indicated that 60 m is confirmed to be the optimum scale for capturing the spatial variability of land use patterns in this study area.     

Effects of land use classification on landscape metrics based on remote sensing and GIS

Landscape metrics are important when studying landscape structure and function. This study investigated the sensitivity of two core sets of landscape metrics to different land use classification systems by analyzing two typical landscapes at a small watershed scale and a county scale on the Loess Plateau, China. The results showed that (1) eight landscape metrics, selected using Spearman’s correlation coefficient method and principle component analysis, adequately reflected the major landscape properties at both scales. (2) Land use classification had a significant influence on most of the selected landscape metrics, affecting their magnitude and the way in which they changed with increasing classification details; four general patterns were exhibited, i.e., increasing; decreasing; increasing and then decreasing; and relatively constant at the small watershed scale, while for the county scale, they were increasing; decreasing; increasing and then decreasing; and remaining relatively constant after initially increasing. (3) The general response patterns of most of the selected landscape metrics to the changing land use classification were similar among different years at both scales, which implied that the age of the data source used to generate the land use maps since 1982 had little effect on the landscape metrics, and that the underlying landscape pattern described by the metrics had not notably changed.     

空间尺度转换与跨尺度信息链接:区域生态水文模拟研究空间尺度转换方法综述

空间尺度转换是近年来区域生态水文研究领域的一个基本研究问题。其需要主要是源于模型的输入数据与所能提供的数据空间尺度不一致以及模型所代表的地表过程空间尺度与所观测的地表过程空间尺度不吻合。综述了目前区域生态水文模拟研究中常用的空间尺度转换研究方法,包括向上尺度转换和向下尺度转换。详细论述了2种向下尺度转换方法: 统计学经验模型和动态模型。前者是通过将GCM大尺度数据与长期的历史观测数据比较从而建立统计学相关模型, 然后利用这个统计学经验模型进行向下的空间尺度转换. 然而动态模型并不直接对GCM数据进行向下尺度的转换,而是对与GCM进行动态耦合的区域气候模型(RCM) 的输出数据进行空间尺度转换. 通常后者所获得的数据精度要比前者高,但是一个主要缺点就是并不是全球所有的研究区域都有对应的RCM。还详细论述了2种向上尺度转换方法: 统计学经验模型和斑块模型。前者是建立一个能代表小尺度信息在大尺度上分布的密度分布概率函数, 然后利用这个函数在所需的大尺度上进行积分而求得大尺度所需的信息。而后者是根据相似性最大化原则将大尺度划分为若干个可操作的小尺度斑块,然后将计算的每个小尺度斑块的信息平均化得到大尺度所需的信息。通常在计算这种斑块化的小尺度信息的时候,对每个小尺度也会采用统计学经验模型来计算代表整个斑块小尺度的信息。建议用斑块模型与统计学经验模型相集合的方法来实现向上的空间尺度转换     

生态水文科学古人的现状与展望

生态水文科学研究是区域生态系统研究和区域水文科学研究的交叉领域，其核心内容是揭示不同环境条件下植物与水的相互关系机理，探索各种植被的生态水文作用过程。近年来，生态与水文相互作用过程的数学模拟和专门模型研制日益成为重要的发展领域，同时，生态水文学的研究十分注重尺度效应，把在一定尺度上获得的水文与生态原理或模型向其它不同尺度转换已成为最具挑战性的问题。山地生态系统成为全球变化研究最为重要的研究场所，开展与全球变化相关的生态系统物质与能量循环、生态过程的梯度效应及其与水文过程的耦合关系、生态系统结构与功能及其变化等方面的研究，是生态水文学研究最具活力的方向，其中建立包含区域气候变化因素的多元生态过程动态模拟模型，并使该模型具有不同时空尺度、不同地貌和生态带的广泛适应性是目前广泛关注的热点问题。     

Monitoring land use change at a small watershed scale on the Loess Plateau, China: applications of landscape metrics, remote sensing and GIS

Rapid land use change has taken place in many arid and semi-arid regions of China including the Loess Plateau. In this study, changes in land use and landscape fragmentation in the small Shanghuang watershed on the Loess Plateau were investigated by the combined use of remote sensing, GIS and landscape metrics. Land use classes were mapped and analyzed from a time series of maps and remotely sensed images that were ground truthed in 2008. Analyses of the data showed that land use had undergone substantial changes in this small watershed from 1982 to 2008, and these changes could be divided into three phases according to the change in the landscape matrix whereby the dominant land use was grassland (1982–1990), cropland (1990–2002) and forestland (2002–2008). During each phase, conversions between different land use types took place frequently, especially among cropland, orchards, grassland and forestland. Landscape fragmentation increased from 1982 to 1990 and then decreased from 1990 to 2008 as indicated by four landscape metrics. These changes in land use and landscape fragmentation in this small watershed were mainly controlled by human factors (land management, construction, population pressure, and government policy) rather than natural factors.     

Research Progress of the Heihe River Basin Based on Bibliometrics

Water resource is the focus and hinge between ecological environment and socio-economic development. Watershed is the basic unit of hydrology and water resource studies. It is the current hotspot in water science research to carry out the integrated research of the hydrology and water resource at the watershed scale. The Heihe River Basin is the second largest inland river basin in northwestern China, which becomes one of the hot watersheds for its unique hydrological and geographical characteristics. Based on the Web of Science Core Collection, the scientific advances achieved in the Heihe River Basin were estimated from the new sight by combining disciplinary development and problem focus, time evolution and spatial variations. The results indicated that the Heihe River Basin has made positive contribution to the world science in remote sensing, evapotranspiration, water cycle, water resources management and utilization, and climate change research in arid areas. The great achievements has promoted the Heihe River Basin up to the same levels as the international typical basins in the past 30 years, especially after the performances of the major research program entitled “Integrated Study of Eco-hydrological Processes in the Heihe River Basin” (referred to as “Heihe River Program”) supported by a grant from the National Natural Science Foundation of China and large field observation experiments. The number of published articles has ranked the top 20 in the global watershed science research. Some important scientific achievements have been obtained at the mechanisms of eco-hydrological processes in inland river basins, which can actively serve the decision making of the water resource management and sustainable development in the Heihe River Basin. The data mining and contrastive study based on bibliometrics can afford scientific reference for the watershed science research.     

基于文献计量分析我国生态水文学研究现状及热点

利用中国期刊全文数据库（CNKI）、万方数据库和维普中文期刊全文数据库,通过检索2000-2015年我国以中文形式刊载的生态水文学领域的成果论著,采用文献计量分析方法,系统分析了国内生态水文学研究领域的发展现状,剖析了主要研究知名机构的热点研究主题,讨论该研究领域的国内研究热点及前沿方向。结果表明：生态水文过程、效应以及不同尺度的生态水文模型是现阶段生态水文学的前沿热点,生态需水（量）、干旱区的生态水文过程、森林水文生态作用及其资源和环境效应、河湖湿地植物与水关系及其水环境效应以及陆地生态系统水碳耦合关系等,一直是生态水文学关注的焦点。2000-2008年是我国生态水文学领域研究高速发展阶段,2009-2015年进入平稳调整阶段。中国科学院、中国水利水电科学研究院和北京师范大学等是我国生态水文学研究的主力机构。