综述 | 草原流域生态水文过程模拟

半干旱草原生态环境脆弱，水资源短缺，人类活动干扰严重，近年来，相关研究逐渐受到广泛关注。水分、能量（热量）、碳、氮等要素在土壤植物大气连续体（Soil-Plant-Atmosphere Continuum，SPAC）中不断循环，互相衔接，形成了一个统一的、动态的、互相反馈的连续系统，然而由于起步较晚、草地植被动态变化的水热碳效应复杂多变等原因，导致多个亟待解决的前沿难题始终未能取得显著突破。

流域的水通量循环（水文循环）大致可分为降水、蒸散发（ET）、产流、汇流、植物水、土壤水、地下水等。其中，ET 是水循环和能量平衡、陆地和大气交互的重要物质和能量流的重要载体，准确量化ET 及其时空格局分布对于理解水分稀缺的干旱半干旱地区水和能量平衡，草原典型群落演替过程的生理特性以及提高模型准确性和地方水资源管理水平至关重要。随着卫星遥感技术的逐渐成熟，大量面尺度、长时序的ET 数据集和模型不断推出，其大致可分为三类：基于地表能量平衡计算的ET、基于植被指数-地表温度（vegetation index-land surface temperature，VI-LST）三角/ 梯形模型计算的ET，以及基于P-M 或Priestley-Taylor 模型计算的ET。以上也是生态水文模型中计算ET 的常用方法，例如Zhang 等将VIC 模型与作物生长模型耦合，引入基于土壤水分胁迫方法的改进ET 模型，改进了环境政策综合气候模型的两个水分胁迫误差；Bechtold等提出了一套泥炭地特定的陆地表面水文模块，明显改进了泥炭地在全球地球系统建模框架中的表现。可见针对不同的研究区域状况，我们可以选择合适的ET 计算手段来提高生态水文模型模拟精度的要求。

由于遥感卫星在获取数据时的瞬时性会导致其在两次间隔的过境空窗期存在不确定性，基于FAO ET 算法的模型利用气象数据驱动和植被参数计算植物蒸腾、积雪蒸发、土壤和树冠拦截蒸发，其在等于或低于日时间尺度的生态水文模型的ET 模块中，获得了较高的使用优先级。然而在缺乏历史实测资料的半干旱草原流域，使用单一的ET算法不足以同时满足时间和空间的估算精度；大多数生态水文模型缺乏草原群落详细分类且时序变化率高的地表参数，也不足以细致区分典型草原多种植被群落的ET 特征。因此在物联网和大数据普遍应用的今天，探索和建立一套包含多种模型和数据优点的模式与方法，对精准把握生态水文过程具有重要意义。

降水或冰雪融水在重力作用下，由地面与地下汇入河网，流出流域出口断面的水流成为径流。径流的形成过程可概化为产流过程和汇流过程，产流过程模拟也就是降水的损失模拟，又可分为蒸散发及下渗两个部分（由于植物截留和洼地填洼等过程的拦蓄水量最终通过蒸发进入大气或下渗进入土壤，在此不将其单独列出）；汇流也包括水文响应单元内的汇流计算和河道汇流计算（洪水演算）。目前结合日新月异的遥感技术以及较容易操作的田间试验，大量有关蒸散发和下渗的研究不断开展。而由于汇流过程在时间和空间上的连续观测难度大、影响要素较多、洪水波偏微分方程求解困难等因素，不论是对于汇流过程的理解还是相关的研究，都是远远不足的，这在河道蜿蜒多变、水量陡涨陡落的半干旱草原流域体现地更加明显。

计算明渠非恒定流有两大方程：连续性方程和动量方程，它们是圣维南方程组的基础。通过将连续性方程简化为河段水量平衡方程并把动力方程简化为河段的水量槽蓄关系，可以推求出汇流计算中广泛应用的马斯京根法。而应用马斯京根法的关键是如何合理地确定参数k 和x，即河段平均传播时间与衡量入流和出流对河道蓄量作用的权重。然而诸如平均传播时间这样的传统水文学变量，已不适用于如今生态退化严重的草原型河流。瞬时变化迅速的流量、储水能力低下的砂质土壤、河型不规整且易迁移等特点，都使得现有的模型难以甚至不具备模拟草原型河流的汇流过程。

土壤呼吸、动植物呼吸作用、工业碳排放和微生物呼吸作用等都是流域生态系统的碳释放源。对于半干旱草原的典型群落来说，规律和影响要素认识仍不充分，大量研究发现温度、土壤水、土壤微生物、地形、化学物质、凋落物等是直接或间接影响碳循环的因素，这些因子细微的差异也具有影响碳循环的可能性。有关半干旱草原碳循环的研究内容主要分为碳排放的特征及其与环境因子的关系、估算区域内土壤呼吸和植物呼吸等碳排放量、土地的利用方式对碳循环的影响以及地区碳循环对全球变化的响应等方面，但真正揭示土壤、植被群落等应对干旱胁迫环境下的水分利用策略及其动态变化的机理性研究尚不深入，而这恰恰只是水碳耦合关系的重要指标和分析途径。

水汽和物质的运移也同样伴随着能量的传递和变化，在年际尺度上，水热通量的驱动因素主要包括温度和辐射，在日内尺度及更小的小时尺度，饱和水汽压差、土壤湿度和气孔导度也会影响水热通量的变化。目前，半干旱草原不同植被群落或景观的蒸散发强度及其对周围环境因子的响应机制的研究结果仍不明确，着眼于在不同时间尺度上的影响机制研究仍很有限，而其又是通过生态水文模型定量预测未来气候变化和放牧及人类扰动下的水热通量变化的重要一环，其可以对地区适应性管理策略的制定提供指导和决策支持作用。

由于模拟半干旱草原生态水文过程需要考虑的因素较多，各因素间的相互作用又十分复杂，加之受到干旱半干旱地区特殊的监测条件、数据可获得性等限制，很多已有的模型难以广泛应用。例如为了提高反演地表植被参量的融合植被指数（mVI），吸纳了多种遥感的优点并表现出了较高的地域普适性，其计算方式仍局限于多种植被指数的再融合，而结合雷达数据的mVIs 研究也并未充分运用雷达波对地物的散射特性。多孔径雷达获取的散射矩阵在经过非相干目标的极化分解后，可以将地物分解成若干简单或基本目标的二阶描述子的组合，从而分析观测目标的物理性质。在研究中经常被使用的Freeman-Durden 分解与Cloude-Pottier 特征分解可以有效获得观测介质的表面、二面角及体散射属性，进而计算基于Freeman-Durden 分解的雷达植被指数（Rf），以及基于Cloude-Pottier特征分解等散射熵和各向异性。再比如有关草原地区土壤参数的获取方面，大量研究还仅停留在点尺度，通常是对有代表性的试验点数据进行分析，大部分研究还未扩展到面或是小流域尺度上来，同时出于对经济条件（运输成本及试验消耗）和环境保护（入渗仪对试验场的破坏）的考量，尤其是在路途较远且交通不便利的地区，我们使用的很多野外测试设备会产生不可避免的尺度效应影响，探索一种既可以反映和模拟宏观测试过程，又可以刻画尺度效应影响的方法，将为地区生态水文过程的模拟提供更精准的数据支持。

通过以上分析，我们可以看到，由于气候变化和过度放牧的双重影响，水分限制的半干旱草原承受的压力与日俱增，我们迫切需要利用高精度空间数据，优化模型过程参数，改进现有建模方式，进而了解和掌握草原生态水文过程与生物系统相互作用中的物理化学耦合机制，更准确地评估和分析流域生态水文状况，在维护区域可持续性的基础上，保障经济社会的发展。

因此，针对草原流域生态水文退化与恢复过程中的相关问题，搭建空-天-地交互的嵌套式多尺度生态水文一体化综合观测试验网络，解析气候变化和过度放牧影响下生态水文耦合作用关系，并揭示其耦合互馈机理与驱动机制，构建基于物理机制的流域多尺度多过程分布式生态水文模型，明晰生态水文退化和恢复机制，基于生态优先、绿色协调发展的原则，遵循“山水林田湖草” 系统治理理念，提出生态水文恢复过程的系统调控方案。对丰富和完善干旱地区生态水文学理论，支撑国家生态文明建设，打造祖国北疆绿色生态屏障具有重要意义。

《 》（刘廷玺等著.北京： 科学出版社，2024. 10）选择草原内陆河流域为研究对象，围绕流域生态水文过程的相互作用和反馈及其对变化环境的响应，通过水文学、生态学、遥感科学等多学科综合、跨学科交叉的途径，基于观测试验、机理研究、模型构建、模拟分析相结合的研究方法，系统辨析气候变化和放牧活动影响下流域生态水文过程及其耦合作用关系，深入探讨流域生态水文时空格局异质性的定量归因，科学揭示流域生态水文耦合作用机理与互馈机制，重点研发融合多源多元信息的流域动态过程分布式生态水文模型，并对流域生态水文系统要素的演变过程及互馈响应进行模拟解析和情景预测，可以为草原流域生态水文良性关系维持以及畜牧业可持续发展提供理论基础和科学依据。

本文摘编自《草原内陆河流域生态水文过程与模拟》（刘廷玺等著.北京：科学出版社，2024. 10）一书“第1章 绪论”，有删减修改，参考文献删略，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-075706-7

责任编辑：刘 超

本书既可以作为研究干旱区生态水文过程及其耦合模拟问题的参考资料，也可以作为水文学及水资源、生态水文学、地理学、资源环境科学等相关领域的专家、学者、研究生以及高年级本科生的参考用书。

（本文编辑：刘四旦）

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