生态用水的理论基础研究

国内外的专家们均从不同角度对水与生态问题进行了研究，但是由于研究的目的和研究问题本身特点的不同，研究的侧重面和使用的方法都有所区别。大体归纳为：以物理学为基本理论的研究、以生态学为基本理论的研究和综合性的研究（吴增生，1993；陈义华，1995；余新晓，1996；加帕尔·买和比尔，1999；贾宝全和慈龙骏，2000；王芳，2002；丰华丽，2003；杨志峰，2003；陈昌毓，1995，1998；董翊立，2004）。

以物理学为基本理论的研究认为：生态用水主要受控于物理因子，主要是以气象因子为主的环境因子，认为气象因子是左右生态用水的决定性因子。如由于气候条件的不同，干旱的绿洲地区和干旱半干旱的北方大部分地区与降水充沛的南方地区生态用水的内容完全不同。基于上述观点从能量守恒与质量守恒定律出发，考虑影响生态用水的主要环境因子，从而确定生态用水。目前以可持续发展理论为基础，从生态用水角度分析生态问题或从土地利用变化问题，是最近几年有关学科的重要研究方向。其中研究合理的水资源开发利用与生态环境保护模式下的生态用水，是这类问题中比较前沿的内容。

Gleick等（1995）明确界定了基本生态需水的概念，并建议水资源管理应当基于合适的模型，依据最新信息给出决策意见。陈昌毓（1995）从生态平衡的角度出发，确定河西走廊各市、县绿洲和农田的生态需水量分别为400～500mm和450～650mm，据此计算出能保持各市县自然生态平衡的适宜绿洲面积。目前，以物理学为基础的研究基于水量平衡的水文—生态模型研究，主要是模拟生态系统中水文循环、营养物循环，建立水与植物生命过程的数量关系，实现植物—土壤—水的联结。此类模型一般是在传统的水文模拟方法基础上，考虑人类活动引起的土地利用变化，如农业、道路建设等改变水流分布、地表地下水体污染等。以水循环或水量平衡为基本框架结合土地管理的模型，是将微分方程和经验公式的概念模型嵌入到综合性模型中，此类模型多是综合管理的决策系统，一般均借助于遥感和GⅠS技术（关蔚禾，王璐，1992）。主要模型有：

（1）基于宏观研究的模型有SWAT（Soil and Water Assessment Tool）和VⅠC-2L（two-layer VariableⅠnfiltration Capacity）模型。

（2）基于微观研究，即从植物个体水平到生态系统水平，或从树叶到陆地景观水平的详细的模拟模型有GePsi（the Generic Plant Simulator）、Pn ET BGC/CHESS、ECOMONT模型和MAGE（the Alkaline Grassland Ecosystem）模型。这类模型包括光合作用（生物量的形成）、氮碳元素的吸收和分解、水分吸收和消耗的模拟。所不同的是GePsi模型没有与水管理模型直接联结，但通过土壤水含量给出水管理模型的接口；ECOMONT模型考虑了研究区大气环境变化和土地利用风险。

（3）考虑经济效益的模型有NELUP（NERC BSRC Land-Use Programme）模型。该模型结构简单，基于宏观层面，将经济、生态和水文模型集成，通过流域范围内土地利用变化引起经济和环境的损失来决策农业生产政策。

（4）基于降水平衡，通过试验研究防护林、草地与水分条件的相互作用和相互依存的定量关系，提出了径流林业的概念，通过一系列物理的、生化的技术措施将人类不可控制的降水性水资源最大限度地转化为径流性水资源，以保证在干旱的黄土高原地区植被建设的水分需求（王斌瑞，1996；贺康宁，1998；胡振华，2001，2003）。

以生态学理论为基础的研究认为：生态用水主要受控于生态系统本身，主张从生态系统的组成结构分析其用水量。从生态与水的关系方面入手分析研究，更多地强调生态对水分条件的被动适应；从生态在水文循环中的作用，如森林的水文效应、湿地缓洪作用等的研究；从物种多样性以及种群自然增长量等方面入手进行研究，目的是为水管理提供有关生态问题的理论和技术依据。

这方面研究所用的模型主要是响应模型或以响应函数为基础的综合模型。构造响应函数的基本特点是：响应是建立在黑箱关系上，每一个生态系统对其周围可能结合的每一个环境条件都有一个响应，对于给定的生态系统，各种生命指标或生态景观对实时的（也可能是过去的）环境因子的响应关系可以用响应函数定量描述，其中生命指标包括植物种数、生长的强度、生产量、生命阈、死亡率、新陈代谢等。比较典型的生态水文响应模型是依据植被与环境的相互作用关系，即根据植物种出现或消失的关键环境变量确定植物种最大概率出现的环境条件，预测植被对水文与水管理变化的响应，从而来支持自然保护政策。(https://www.xing528.com)

这些响应模型主要是以专家知识为基础，或以实测统计数据为基础。

（1）专家知识模型是以植物种随环境梯度（盐分、水分、温度等）变化的排序，有NTM模型、DEMNAT—2模型和MOVE模型。NTM和DEMNAT模型是用来预测水量的干扰，其环境变量是分段表示的。MOVE模型是用来预测在供水影响下的土壤湿度、酸度、营养物等对植被的影响，是专家判断和统计回归的结合，且模型的环境变量是连续的。

（2）以经验统计为基础的回归模型是描述生态位作为生境条件的函数，如HYVEG模型，HCHORS、ⅠTORS及动态模型CLⅠPSⅠM。其中ⅠTORS和HCHORS模型是评价水质干扰的，HYVEG模型预测植被对水量、水质共同干扰作用的，且ⅠTORS是唯一评价水生生态系统的模型。

也有单纯研究降水—径流水文循环与植被结构或生态景观的响应关系，其中水文起着重要的作用，地表、地下径流作为主要的传输机制，传输必要的元素到生物体。

综合性研究是将经济、水资源、生态环境综合考虑，通过多指标决策技术（MCDM、层次分析法等）分析水资源管理项目的合理性。指标分析的优点是反映问题的结构，且指标排序有助于分析变化程度，其最大的缺点是将问题均化。

此类模型应用比较普遍，也有在此基础上构造其他模型，如生态环境的预警模型等。

另外，考虑水文情势在生态系统的组成、结构和作用等方面的关键作用，构造生态系统变化的敏感性生物指标作为评价人类活动改变水文情势的指示器，从而为生态系统管理与恢复计划奠定基础。