1、流域生態水文模型研究進展摘要：流域生態水文模型是全球變化下流域生態水文響應研究的重要工具，通過定量刻畫植被與水文過程的相互作用及全球變化對流域生態水文過程演變的影響機制，為流域水資源管理和生態恢復提供科學支撐，是生態水文研究的前沿和熱點。基于植被與水文過程相互作用規律，流域生態水文模型一方面要充分描述植被與水文過程相互作用和互為反饋機制，另一方面要精確刻畫流域的空間異質性。本文在分析流域尺度陸地植被與水文過程相互作用特點的基礎上，將現有流域生態水文模型進行歸納和分類，剖析不同類型模型的優缺點，并總結現有模型應用的代表性研究成果，最后，對流域生態水文模型存在的關鍵問題(如植被與水文相互作用機制的

2、描述、模型參數的估計、模擬結果的不確定性分析等)進行討論。在全球變化加劇水資源危機的背景下，傳統的水文學研究難以解決流域出現的新問題，生態水文過程的耦合研究日益引起學者們的關注1-6。國際地圈生物圈計劃及聯合國教科文組織(UNESCO)國際水文計劃(IHP)等都將陸地植被生態過程與水文過程的耦合研究作為核心內容1992年召開的國際水和環境會議首次將生態水文學作為一個獨立的學科提出，其核心是在不同的時空尺度上揭示不同環境條件下植物與水的相互作用關系，為解決流域水資源危機和生態環境問題提供理論支持。指出生態水文耦合研究將是21世紀水文學研究最前沿和最激動人心的創新領域。流域生態水文模型是定量評估環

3、境變化流域生態水文響應的重要工具，通過定量刻畫植被與水文過程的相互作用及全球變化對流域生態水文過程演變的影響機制，為流域水資源管理和生態恢復提供科學支撐。目前，國內外對流域生態水文模型已開展了一定深度的研究，并取得了一些階段性成果。本文主要針對陸地生態系統的流域生態水文模型，在分析陸生植被與水文過程相互作用特點的基礎上，將現有的生態水文模型進行了歸納和分類，剖析不同類型模型的優缺點，并總結現有模型應用的代表性成果，最后，對流域生態水文模型存在的關鍵問題進行討論。2 流域植被與水文過程的相互作用2.1 流域植被與水文過程相互作用機制陸地植被生態過程(碳循環、植被動態生長等)與水文過程通過各種物理

4、和生物學過程發生交互作用，其密切聯系和交互作用滲透到水、熱、碳等物質和能量傳輸的各個環節,兩者之間的相互作用主要體現在，一方面，水是植被生長的驅動力和制約因素，植物主要的生理過程，如光合作用、呼吸作用、養分循環，對水分限制具有高度敏感性水循環過程尤其是土壤水的時空變化決定了植被的生長動態、形態功能和空間分布格局另一方面，植被通過生物物理過程與生物化學循環作用于水循環過程，表現為：植被通過根系吸水和蒸騰作用直接參與水循環過程；植物冠層通過攔截降水，增大了蒸發量，減少到達地表的降水量，對降水進行了重新分配，如森林植被枯枝落葉層提高了地表粗糙度，增加地表水下滲，減小洪峰流量，延長地表徑流形成時間。近

5、年來的研究表明，植被冠層氣孔行為和土壤水運動是植被與水文相互作用中最為關鍵兩大過程。由于植物光合作用與蒸騰作用同時受氣孔行為的影響，形成光合作用-氣孔行為-蒸騰作用耦合機制。植被冠層的氣孔阻抗控制著植被與大氣能量傳輸和湍流交換，決定了植被蒸騰作用。而植被冠層的氣孔行為取決于葉內保衛細胞和葉表皮細胞的膨壓變化，而膨壓變化取決于從土壤到葉片的水分供應和葉片蒸騰失水之間的水分收支。土壤水運動又取決于地表的水循環過程，由此將大氣過程、植被生態過程和水循環過程耦合在一起形成一個整體。氣候變化通過改變降水、溫度等影響植被動態生長及植被結構與功能，進而影響水循環過程。同時，植被通過改變下墊面的基本特征(地表

6、反照率、土壤濕度、地表粗糙度等)調節地氣界面的能量交換影響水熱過程，從而對氣候系統產生作用。例如，森林的砍伐會增加地面反射率，降低粗糙度，減弱植被對水文循環的調節作用，增加顯熱交換和地面溫度。盡管人們早就意識到生態系統對氣候有重要作用，但直到20世紀70年代后期才開始深入研究植被變化的氣候響應。最早注意到植被對氣候的反饋機制，提出了生物-地球物理反饋機制。鑒于氣候、植被-水文過程之間互為反饋的復雜交互作用，若模擬過程中將任意一個過程進行靜態化考慮，都可能因缺乏動態反饋造成模擬結果的嚴重偏差，因此，在流域生態水文過程模擬中，需要動態刻畫植被與水文過程相互作用的各個環節，力求接近真實情況，以準確預

7、測環境變化對流域生態水文過程的影響。2.2 流域植被與水文過程相互作用的空間異質性受氣候、地質條件、土壤和地形等自然條件的影響，植被與水文過程交互作用具有顯著的空間異質性。在較大的地理尺度上，氣候是影響植被-水文相互作用最為重要的因子；在景觀尺度上，地形、地貌影響小氣候同時影響土壤的發育，控制了物質的再分配(水分、有機質等)，尤其是土壤水的空間差異，直接決定了植被生長狀況的差異。在山區或丘陵區，森林生態和水文過程依賴于地形條件，地形的差異造成輻射、降水、溫度條件和土壤水出現很大的空間變異性，植被冠層與局地土壤屬性的緊密耦合與動態演變形成景觀尺度上地貌、土壤、和植被的復雜空間格局。因此，要合理描

8、述流域尺度的植被-水文過程及其相互作用，需在空間上精確表達各環境要素的一定的精度，只有空間上分布式的模型才能充分體現流域空間單元的環境條件差異。3 流域生態水文模型研究現狀傳統的水文和生態模擬研究一直集中于建立單一模型，孤立地看待生態過程與水文過程。水文模型關注流域的產匯流等物理過程，很少或沒有考慮植被的生物物理和生物化學過程。 生態模型則重點關注土壤-植被-大氣連續體垂向機制，基本不考慮或者采用“水桶模型”簡化處理土壤水運動，并且忽略水平方向上的側向徑流過程。流域生態水文模型的興起一方面得益于地理信息技術、遙感等空間信息獲取技術為流域過程模擬提供詳細的流域下墊面條件的空間分布信息；另一方面流

9、域分布式水文模型的出現，使得在各個空間單元上耦合田間尺度的生態模型成為可能。流域生態水文模型的起源有兩大分支慮植被的物理和生物化學作用，主要包括植被蒸騰、根系吸水、冠層能量傳輸及CO交換等過程的描述；從植被生態過程模擬的角度出發，增加了垂向的土壤水運動和二維水文循環過程的模擬。3.1 流域生態水文模型的分類目前，國內外對生態水文模型已開展了一定深度的研究，并取得了一些階段性成果。根據不同的標準，流域生態水文模型有著不同的分類。以下按照模型中對流域植被與水文過程相互作用的描述，將現有模型歸為兩大類：在水文模型中考慮植被的影響，但不模擬植被的動態變化，為單向耦合模型；將植被生態模型嵌入到水文模型中

10、，實現植被生態-水文交互作用模擬，為雙向耦合模型。3.1.1 單向耦合模型單向耦合模型，主要是從水文模擬的角度出發，顯式地引入了植被層，在降雨-徑流過程模擬中詳細描述植被的冠層截留、降水攔截、入滲、蒸散發等生物物理過程，使得模型對水文過程的模擬更符。但這一類模型僅考慮植被對水文過程的單向影響，不考慮水文過程對植被生理、生化過程及植被動態生長的影響，因此，也就不能描述植被的動態變化(如LAI的季節性增長)對水文過程的影響。DHSVM模型是單向耦合模型的典型代表，該模型是Wigmosta等開發的具有物理意義的流域生態水文模型。該模型充分考慮了植被對于蒸散發作用的影響，采用雙源模型區分計算植被蒸騰與

11、土壤蒸發，在垂直方向上劃分植被林冠層和地面植被層，詳細描述冠層內的短波、長波輻射傳輸，分別計算各層的蒸騰作用。采用Penman-Monteith公式結合冠層導度計算蒸散發，冠層導度采用Jarvis提出的多環境因子的階乘公式計算。該模型在空間上為全分布式，通過將流域劃分為柵格單元充分體現下墊面的空間異質性，柵格之間通過坡面流和土壤中流的逐網格匯流發生進行物質交換。3.1.2 雙向耦合模型隨著生態水文研究的不斷深入，學者們逐漸認識到植被的生長發育及其季節性變化會對水文過程的重要影響，流域生態水文雙向耦合模型開始出現。雙向耦合模型的植被與水文過程的耦合體現在植被為水文模型提供動態變化的葉面積指數、根

12、系深度、枯枝落葉層厚度等，水文模擬為生態過程模擬提供土壤含水量的動態變化等。根據模型中對于植被-水文過程相互作用機制描述的復雜程度，本文將雙向耦合模型分為概念性模型、半物理模型、物理模型3大類。3.1.2.1 概念性模型概念性生態水文模型是主要是在水文模型的基礎上，耦合了參數模型(或光能利用率模型)或者經驗性的作物生長模型建立起來，主要模型有SWAT 模型、SWIM 模型、EcoHAT 模型等。其特點是：采用簡單的、經驗性的關系計算植被動態生長，大多通過先計算潛在生長，再引入水分脅迫、養分元素脅迫等來計算實際生產，如光能利用率模型；對于蒸散發的計算，通過先計算潛在蒸發再折算實際蒸發；這一類模型

13、對流域空間異質性的表達，大多呈空間半分布式，各個子單元之間相互獨立。這一類模型的缺陷主要在于對植物生長和植被-水文相互作用關系的描述缺乏機理性，植被與水文過程之間只是松散的耦合關系，限制了模型對環境變化引起的流域生理生態響應的模擬能：從水文模擬忽略植被的問題出發，在降雨-徑流過程模擬中考慮植被的物理和生物化學作用，主要包括植被蒸騰、根系吸水、冠層能量傳輸及CO交換等過程的描述；從植被生態過程模擬的角度出發，增加了垂向的土壤水運動和二維水文循環過程的模擬。3.1 流域生態水文模型的分類目前，國內外對生態水文模型已開展了一定深 度的研究，并取得了一些階段性成果。根據不同的標準，流域生態水文模型有著

14、不同的分類。以下按照模型中對流域植被與水文過程相互作用的描述，將現有模型歸為兩大類：在水文模型中考慮植被的影響，但不模擬植被的動態變化，為單向耦合模型；將植被生態模型嵌入到水文模型中，實現植被生態-水文交互作用模擬，為雙向耦合模型。3.1.1 單向耦合模型單向耦合模型，主要是從水文模擬的角度出發，顯式地引入了植被層，在降雨-徑流過程模擬中詳細描述植被的冠層截留、降水攔截、入滲、蒸散發等生物物理過程，使得模型對水文過程的模擬更符合實際，主要模型有DHSVM模型。但這一類模型僅考慮植被對水文過程的單向影響，不考慮水文過程對植被生理、生化過程及植被動態生長的影響，因此，也就不能描述植被的動態變化(如

15、LAI的季節性增長)對水文過程的影響。DHSVM模型是單向耦合模型的典型代表，該模型是Wigmosta等開發的具有物理意義的流域生態水文模型。該模型充分考慮了植被對于蒸散發作用的影響，采用雙源模型區分計算植被蒸騰與土壤蒸發，在垂直方向上劃分植被林冠層和地面植被層，詳細描述冠層內的短波、長波輻射傳輸，分別計算各層的蒸騰作用。采用Penman-Monteith公式結合冠層導度計算蒸散發，冠層導度采用Jarvis提出的多環境因子的階乘公式計算。該模型在空間上為全分布式，通過將流域劃分為柵格單元充分體現下墊面的空間異質性，格之間通過坡面流和壤中流的逐網格匯流發生進行物質交換。3.1.2 雙向耦合模型隨

16、著生態水文研究的不斷深入，學者們逐漸認識到植被的生長發育及其季節性變化會對水文過程的重要影響，流域生態水文雙向耦合模型開始出現。雙向耦合模型的植被與水文過程的耦合體現在植被為水文模型提供動態變化的葉面積指數、根系深度、枯枝落葉層厚度等，水文模擬為生態過程模擬提供土壤含水量的動態變化等。根據模型中對于植被-水文過程相互作用機制描述的復雜程度，本文將雙向耦合模型分為概念性模型、半物理模型、物理模型3大類3.1.2.1 概念性模型概念性生態水文模型是主要是在水文模型的基礎上，耦合了參數模型(或光能利用率模型)或者經驗性的作物生長模型建立起來，主要模型有SWAT 模型、SWIM 模型、EcoHAT 模

17、型等。其特點是：采用簡單的、經驗性的關系計算植被動態生長，大多通過先計算潛在生長，再引入水分脅迫、養分元素脅迫等來計算實際生產，如光能利用率模型；對于蒸散發的計算，通過先計算潛在蒸發再折算實際蒸發；這一類模型對流域空間異質性的表達，大多呈空間半分布式，各個子單元之間相互獨立。這一類模型的缺陷主要在于對植物生長和植被-水文相互作用關系的描述缺乏機理性，植被與水文過程之間只是松散的耦合關系，限制了模型對環境變化引起的流域生理生態響應的擬能地 理 科 學 進 展 30卷 5期出發較為合理地刻畫植被-水文動態耦合關系。由于植被-土壤-大氣之間的復雜作用，不存在統一的生態水文的優化機制，因此，還需要深入

18、開展不同氣候條件和不同生態系統類型植被-水文相互作用的最優化機制及其定量化的研究。目前，基于最優化機制建立的生態水文模型僅在點上進行應用，在流域尺度尚缺乏研究，將其推廣應用到流域尺度建立流域尺度的生態水文最優性模型將是未來流域生態水文模型發展的重要趨勢。4.2 流域的空間離散化流域下墊面的空間離散化或異質性的表達是生態水文模型的核心內容之一70-72。由于生態過程與水文過程的發生都具有明顯的尺度依賴性，特定的過程具有特定的尺度，即特征尺度73。例如水文過程中，霍頓產流過程是點過程，而蓄滿產流的發生則需要一定的空間作用范圍。生態過程的發生往往具有一定的空間作用范圍，小于這個最小空間范圍的粒度對刻

19、畫生態過程不僅沒有意義，而且還可能引入人為誤差。生態要素的作用只有在空間范圍大于最小作用范圍時才能體現，即生態要素的空間作用范圍必須大于或等于最小空間作用范圍。因此，流域離散化的不合理將導致過程發生的特征尺度與模擬尺度的不匹配，可能引入人為的誤差。現有的生態水文模型對流域的空間離散化，主要有兩種：基于網格劃分，大多數基于正方形柵格單元，少數采用等高線和分水嶺來劃分不規則的山坡單元，如TOPOG模型；基于子流域方法的劃分，如SWAT模型中，通過劃分為土地利用和土壤類型同質的水文響應單元(HRU)來表達空間異質性。這兩種方法都存在一定的主觀性，如何在流域空間離散化過程中，從流域空間異質性的內在規律

20、出發，充分體現流域過程的特征尺度，將是未來生態水文模型研究的一個非常值得重視的研究問題。4.3 不確定性問題生態水文過程包括多種生物物理和生物地球化學過程，具有高度復雜性，對這樣的復雜系統進行模擬，往往會出現“失真”現象，導致模型的不確定性74。不確定性的存在影響了模擬結果可靠程度，從而限制了模型的應用與發展。針對輸入數據、參數、模型結構的不確定性，國內外已經開展大量的研究，其中，普適似然不確定提出，該方法認為決定模型最優結果并不是唯一的最優參數組合，而是存在多組功能類似的參數值組合，通過探索模型誤差空間，確定敏感性參數，其缺陷在于對模擬結果不加選擇、采用主觀判斷確定可行參數組的閾值、推導得出

21、的后驗概率分布過于平坦等，適合于多參數，參數先驗知識缺乏的情況。貝葉斯方法將參數的先驗分布與似然函數結合獲得參數后驗分布，對其進行隨機抽樣得到模擬值的經驗分布，根據參數的后驗分布及模擬值的經驗分布確定參數的不確定性。目前各種不確定性問題的研究方法仍處于探索階段，有必要深入開展不確定性分析的方法體系研究，以提高模型應用的置信度。4.4 模型參數估計與數據同化流域生態水文模擬包括光合作用、呼吸作用等多個過程，每個過程都含有大量數，在分布式模擬的框架下，如何獲取區域異質的模型參數成為生態水文模型區域應用所面臨的瓶頸問題。傳統的模型參數獲取方式主要為站點觀測，但觀測站點數量有限且分布稀疏，雖然通過插值

22、等空間推測方法可獲得參數的空間分布信息，由于植被參數在空間上的變異強烈，參數誤差很大。遙感數據以大面積、快速、動態的優勢被廣泛應用于模型參數估計中，相對于傳統的稀疏離散點獲取參數是一種革命性的變革78。遙感技術能反和提取區域的地面物理參數和植被生物物理參數，如地表反照率、土壤水分、葉面積指數、光合有輻射、森林郁閉度、冠層結構參數等。但僅僅依靠遙感觀測數據勢必在模型參數估算中引入了很大程度的不確定性。為最大限度地利用易獲取的遙感數據，減小參數估算的誤差，數據同化開始活躍于模型參數估算中。遙感數據同化研究興起于20世紀90年代后期，主要采用模型模擬與遙感觀測數據相結合的途徑來估算地表參數79-80

23、，其中卡爾曼濾波方法是數據同化中應用最為廣泛的方法81-82。應用數據同化能最大限度地利用不同來源和不同時空分辨率的遙感數據，將是未來流域生態水文模型參數獲取的重要手段。5 結語流域生態水文模擬是定量評估環境變化下流5405 期 陳臘嬌 等: 流域生態水文模型研究進展按所模擬的生態系統類型的不同，模型應用代表性成果可以總結為以下兩個方面：3.2.1 在濕潤森林流域中的應用濕潤區森林流域植被與水的相互作用關系是生態水文學的重要研究內容，利用流域生態水文模型模擬森林管理和氣候變化對水循環、碳循環和蒸散發過程的影響等。Band等構建的RHESSys在加拿大、美國森林流域氣候變化與土地利用變化的生態水

24、文響應過程模擬中得到非常廣泛的應用53。Vertessy 等54基于TOPOG模型模擬澳大利亞熱帶森林小流域生態水文過程，結果表明模型能較好地模擬植被生長及其對水文過程的影響。Chen等42利用BEP-TerrainLab模型模擬了加拿大北部森林小流域的蒸散發的季節變化，能夠得到合理的流域蒸散發值。這些模型應用成果都顯示了流域生態水文模型在濕潤森林生態系統中應用的巨大潛力。3.2.2 在干旱半干旱流域中的應用干旱半干旱區的生態系統非常脆弱，缺水嚴重制約著植被的生長與生存，植被生態系統對氣候變化的響應極其敏感，因此，流域水文模型被廣泛應用于干旱半干旱流域中氣候變化對蒸散發過程及對農田作物產量的影

25、響及作物耗水的影響等。Ro-driguez-Iturbe 等55-56在深入研究水分限制條件下大氣-植被-水文獨特的相互作用的基礎上，構建基于生理生態學基礎的生態水文模型，研究了地中海地區稀疏草原氣候變化下土壤水的變化及其對植物的生理生態過程響應；Krysanova等31SWIM模型模擬德國的干旱區Elbe流域的生態水文過程；Mo 等57、王永芬等58構建的VIP模型，能模擬流域不同水平年的(豐水年、平水年、干旱年)的蒸散發及的變化，在我國華北平原和黃土高原等地的區域蒸散發和農田產量研究中得到較好的應用。存在的關鍵問題現有模型在對植被-水文相互作用機制的刻畫、流域空間的離散化、模型參數估計、不

26、確定性研究等方面尚存在問題，這些問題也是未來生態水文模型研究的重點，需要開展深入的研究。4.1 植被-水文相互作用機制的描述對植被-水文的相互作用機制的描述，是生態水文模擬的關鍵。由于對植被-水文之間交互作用的復雜機理認識尚不完整，在模型中如何合理刻畫生態水文交互作用和動態耦合是生態水文模型構建的難點問題。現有大多數模型所描述的植被與水文過程之間只是松散的耦合關系，并沒有充分考類型的碳循環過程和Century模擬生態系統的氮循環過程。此后，涌現了許，多物理過程模型，這一類模型的主要特點是采用植被生理生態機理過程模型來描述植被的光合作用等生理過程，將植被的生化過程與水文過程耦合在一起，一方面刻畫

27、水文過程尤其是土壤水對于植被生化過程的影響，另一方面能夠模擬植被的動態生長如LAI 的季節動態變化對于水文過程的影響。模型的缺陷在于計算復雜，涉及植物生理特性參數(如電子傳輸率、酶活性等)、植被形態參數(如冠層高度)等眾多參數，且大部分參數都難以獲得51-52，限制了模型的推廣與應用。BEPS-TerrainLab模型是物理過程模型的代表模型之一。該模型是DSHVM模型基礎上耦合生物地球化學循環模型BEPs建立的流域生態水文模型，用于加拿大北部森林區碳循環與水循環耦合的基礎和應用研究。模型中對于光合作用的模擬采用區分受光葉和隱蔽葉的二葉模型，葉片光合作用基于Farquhar生化模型；植被蒸騰作

28、用的計算，采用引入冠層氣孔導度的Pen-，冠層氣孔導度采用 Jarvis 提出的環境因子階乘公式。模型為全分布式模型，在空間上將流域劃分為柵格單元，模型采用逐網格進行匯流演算，柵格之間通過坡面流和壤中流的逐網格匯流發生水文聯系，這一算法充分考慮了柵格單元的交互作用，但該匯流方法計算繁瑣，在較大的流域應用困難。3.2 流域生態水文模型應用的代表性成果流域生態水文模型自提出以來，廣泛應用于氣候變化和人類活動影響下流域生態水文響應研究，30 卷 5 期 陳臘嬌 等: 流域生態水文模型研究進展域生態水文響應的重要手段。目前，國內外對流域生態水文模型已開展了一定深度的研究，并取得了一些階段性成果。按模型

29、中對植被與水文過程相互作用的描述，將現有模型歸為兩大類：單向耦合和雙向耦合模型，其中雙向耦合模型可歸納為模型、半物理模型和物理模型。目前，流域生態水文模型在濕潤森林流域和干旱半干旱區氣候變化的流域生態水文過程響應(如蒸散發過程)及氣候變化對作物產量影響研究中得到廣泛應用。但現有模型在對植被-水文相互作用機制的刻畫、流域空間的離散化、模型參數估計等方面存在一些問題，這些問題也是未來生態水文模型研究的重點。生態水文耦合模型的研究依賴于生態水文學的學科發展和理論研究，生態水文模型的發展要結合生態水文學的最新研究進展，才能夠實現模型在理論上的突破構成某一地區、某一時段水文狀況的必要因素。如降水、蒸發和徑流。是水文循環中的3個基本要素。此外，水位、流量、含沙量、水溫、冰凌和水質等也可稱為水文要素。各種水文要素可以通過水文站網的水文測驗和觀測來測定，是預報、研究水體水文情勢的不同物理量。成某一地點在某一時間的水文狀況的必要因素。包括各種水文變量和水文現象。降水、蒸發和徑流是水文循環的三要素。有時，也把水位、流量、含沙量、水溫、冰凌和水質等稱為水文要素。水文要素由水文站網通過水文測驗和觀測加以測定，取得數據。 水文要素 (hydrological elements) 構成某一地點或區域在某一時間的水文情勢的主要因素。水文要素是描述水文情勢的主要物理量，包括各種水文變量和水文現