我国生态需水研究现状、面临挑战与未来展望，本文主要内容关键词为：现状论文,生态论文,未来论文,我国论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
文献标识码：A 文章编号：1004-8227(2011)06-0755-06
竞争用水条件下，以人类需求为中心的水资源开发利用活动从水量、水质等方面不同程度地影响、挤占和掠夺了地球各类生态系统水分，并通过水循环的改变控制着生态系统的演变，由此引发了生态受损、生态退化等一系列生态环境问题，危及生态安全，并最终危及人类安全与可持续发展。在此背景下，生态需水(Ecological Water Requirements)研究引起了国内外的广泛关注，成为当前研究热点。生态需水不是一个新术语，是伴随生态环境问题的产生而逐渐引起重视的。生态需水研究起源于国外早期针对航运功能开展的河道枯水流量(Low flow)研究[1，2]，发展于20世纪40年代美国为保护渔业开展的河道基流(Base Flow)研究[3，4]，以及之后的河岸带(Riverine)生态需水研究，至20世纪90年代后，伴随一系列国际科学计划的推进[5]，生态需水基础理论不断丰富，研究范围不断扩大，国外开始考虑基于河流生态系统完整性的生态需水研究，标志着西方国家进入了流(区)域的综合管理阶段，并形成了一套相对成熟的生态需水理论和方法体系[6]。与国外类似，我国生态需水研究源于20世纪70年代末的河流最小流量(Minimum Flow)研究，通过引进国外经验和成果，经过摸索与实践，于1998年后进入有中国特色的起步性研究阶段[7]。由于我国地域辽阔，自然地带性差异大，与国外相比，水循环生态效应更复杂，生态需水问题更严重，生态需水研究更具紧迫性。
通过回顾近年来国内公开发表的生态需水研究成果，时间多集中在2000-2008年，研究范围多集中在水资源供需矛盾突出、生态环境相对脆弱的干旱、半干旱和季节性干旱的半湿润区，研究对象涉及河流、湿地、湖泊、植被、绿洲、城市等生态系统，研究内容涵盖了从基础理论到量化方法以及实践应用等。从国内现有成果看，生态需水概念尚未统一，生态需水基础理论研究仍显不足，导致计算方法可信度不高，研究成果缺乏可操作性，且往往达不到预期效果。因此，本文将在前人研究基础上，系统归纳、总结近年来我国生态需水研究现状，并探讨不足，提出若干关键科学问题，旨在为完善生态需水理论和方法体系提供有益借鉴。
1 典型区(流)域和研究对象
我国生态需水研究的典型区(流)域和研究对象见表1。
西北干旱区既是我国生态环境问题突出区域，也是生态需水研究的热点和典型区域[5]，典型流域为内陆河流域。干旱区内陆河流域由于径流形成区与径流耗散区分离的水资源分布特征，导致降水多分布在山区，山区生态系统需水靠降水便可满足，属绿水范畴[8]，不属于生态需水的研究对象；平原区生态系统以河流水生态系统为轴心，依次分布有绿洲(人工、天然)、交错带及荒漠生态系统，生态需水研究对象为河流水生态系统及河道外由可控水资源(蓝水)支撑的非地带性植被[9]。在竞争用水条件下，鉴于绿洲的特殊意义，干旱区河道外生态需水优先度优于河流水生态系统[9]；而荒漠区生态系统大部分处于无流区，依赖极少的降水(年均不足50 mm)发育地带性荒漠植被或无植被分布，是干旱区的生态基质，不属生态需水的研究对象。
我国半干旱和季节性干旱的半湿润区大部分河流受季风影响显著，降雨径流关系不稳定(
<0.3)，易受人类活动干扰。近年来，受区域内山区坡面水土流失治理导致的“减水减沙”效应[9]及地表水、地下水过量开采导致的“准内陆化”效应[9]影响，流域生态问题凸显。典型流域如黄河流域等。该区(流)域生态需水研究对象包括河道内生态需水和河道外(有学者进一步划分为河岸带和坡高地[10])生态需水，其中，河道外生态需水核算中需扣除有效降水(年均降水大于300 mm以上)，且优先度不及河道内生态需水。
我国湿润地区河网密布，河川径流量充沛，水资源开发利用活动对生态系统的影响突出表现为快速城市化、土地利用结构急剧转变[11]导致的河道外生态需水研究对象的频繁变化，以及大量河道外取水及污水排入导致的河流水生态系统服务功能受损等。因此，该区(流)域生态需水研究重点主要是维持生态系统服务功能的最大化。
2 生态需水概念内涵辨识
生态需水概念至今尚未统一。比较有代表性的定义包括：Gleick(1998)[12]提出基本生态需水概念框架，即提供一定质量和数量的水给天然生境，以求最小化改变天然生态系统过程，并保护物种多样性和生态整合性；国际水文计划(IHP)[13]提出生态需水指以水文循环为纽带、从维系生态系统自身生存和生态功能角度，相对一定生态环境品质目标下客观需求的水；“中国可持续发展水资源战略研究综合报告”[14]将生态需水概括为广义和狭义生态需水，广义生态需水指维持全球生物物理过程水分平衡需水，包括水量平衡、水热平衡、水沙平衡、水盐平衡等，狭义生态需水指为维护生态环境不再恶化并逐渐改善所需要消耗的水资源总量。其中，狭义生态需水定义主要针对径流性水资源，更符合水资源规划和配置的需要，实际意义更大[13]。因此，我国学者多从狭义生态需水概念出发，分别依据各自研究区(流)域、研究目标等进行定义，如汤奇成[15]、王芳[16]、程国栋[5]、胡顺军[7]、闫正龙[17]等提出西北干旱区、内陆河流域及绿洲天然植被生态需水定义；严登华[18]、宋进喜[19]、徐志侠[20]等提出河流、湖泊、水库生态需水定义；王西琴[21]基于自然水循环和社会水循环提出生态需水定义；徐志侠[20]从生态价值角度提出基于价值的期望生态需水等。
一系列生态需水概念的提出，从主要针对航运功能、到符合鱼类生存需求，最终考虑生态系统的完整性等，体现出生态需水概念、内涵的不断丰富。与生态需水相关的概念较多，较易混淆的概念主要有环境需水、生态环境需水、生态用水、环境用水、生态环境用水、生态耗水、生态缺水、生态储水、生态退水等[7，22]。刘昌明[23]指出，生态需水与生态环境需水相互关联，前者偏重自然，后者侧重污染与水环境容量，但计算上需统一；王芳[16]认为区分生态需水与环境需水的关键在于判断是否有植被作为第一性生产力，且环境需水与环境容量概念应保持一致；郑红星[22]认为生态用水基于水资源配置角度提出，有明显的社会属性，而生态需水不涉及人为的水资源调配；何永涛[24]认为生态用水一般都小于生态需水；左其亭[25]对生态需水与用水、环境需水与用水、生态环境需水与用水等概念进行了区分。
笔者认为，生态需水概念差异的原因不仅与我国生态环境问题复杂多样有关，还与研究者视角、研究重点、研究对象及研究目标的差异相关。目前达成的较一致的共识为，生态需水概念的界定应考虑时间性、空间性、目标性3要素，即须与一定时空范围内特定的生态系统相对应，并考虑其动态变化阈值特性。
3 生态需水的研究内容、计算方法及应用
现有生态需水研究内容及计算方法，主要涵盖了两个方面：一是河流生态系统需水(河道内)；二是陆地生态系统需水(河道外)。
3.1 河流生态系统需水的研究内容、计算方法及应用
河流生态需水的研究范围主要包括河道及其相通的湖泊、水库、沼泽、湿地等。河流生态需水主要由以下几部分组成[7，12，13，26]：(1)河道基流量；(2)入渗补给量和蒸发消耗量；(3)维持水生生物生存需水；(4)维持河道水沙平衡需水；(5)维持河流稀释和自净能力需水；(6)维持航道通航要求需水；(7)景观和娱乐需水；(8)防止海水入侵的河口需水。河流连续性概念要求一条河流应保证其从河源至河口水流的连续性，且不同的河流或同一条河流的不同区段应根据河流生态水文季节特征及相应功能区划，分不同水文年提供一定保证率下的满足相应水质要求的水量。因此，从维系河流生态系统完整性角度出发，河流生态需水应考虑不同时空尺度下各单项需水的消长变化，进行有机耦合，且各单项需水不是一个定值，应存在一定的阈值范围，以反映河流生态系统的不同耐受特性。
目前，河流生态需水研究大多遵循纵向(顺水流方向)、横向(垂直水流方向)、垂向(地表水与地下水上下交换方向)和时间域的四维研究手段[27]，常用的河流生态需水计算方法分为4类[12，18，24，25]，即水文学法、水力学法、生物栖息地法以及整体分析法。各类方法的描述，代表模型、优缺点及适用范围等见表2。我国大部分河流缺乏长期且有效的生物监测数据，生境法和整体分析法在我国应用较困难，水文学方法最普遍。我国学者多应用改进后的水文学方法计算河流各单项生态需水。其中，改善河流水质环境需水计算方法主要包括最小月平均流量法、水质目标约束法、断首控制法、水质稳定模型模拟法、水环境容量法、污径比法[26，28，29]等；维持水生生物生存的生态需水计算方法主要包括最小月平均流量法和月(年)保证率设定法[7]等；河流输沙需水研究是我国的特色，主要在泥沙含量较高的黄河、渭河等流域展开，依据河流输沙特性，研究汛期输沙需水，主要计算方法包括基于最大月平均含沙量的河流汛期输沙水量、最小河段输沙需水量[26，30，31]等。近年来，新理论、新技术的应用不断创新生态需水计算方法。如基于生态价值理论的河道期望生态需水[20]、基于地貌临界理论的河流最小生态需水[32]、基于渔获量Logistic确定性模型的河流适宜生态需水[32]等。这些研究成果标志着我国河流生态需水计算方法正经历着由简入繁，由粗略到全面的发展过程，计算方法的可信度、可操作性逐渐提高，计算结果的实用价值逐步上升。
3.2 陆地生态系统需水的研究内容、计算方法及应用
陆地生态系统需水指维持河道外植被群落稳定所需水量，主要包括：(1)天然和人工植被蒸腾发量(有学者归为植被—土壤复合生态系统需水量[33])，其中农田生态系统作物需水属农业需水范畴，但人工防护林草需水属生态需水范畴；(2)生态环境建设需水量，如小流域水土保持生态需水、防治耕地盐渍化需水、地下水位回补需水等；(3)拯救退化生态系统的紧急调水，如2000年5月开始的塔里木河下游生态应急输水工程[17]等。
常用的陆地生态系统需水计算方法主要包括直接计算法、间接计算法、植被蒸散发法、潜水蒸发法、水量平衡法及基于3S技术的计算方法[4，7，10，17，34，35]等。各类方法的比较及适用范围见表3。我国学者分别采用不同方法展开研究。如龙平沅[35]采用直接计算法，在对汉江上游植被类型划分基础上，结合气象因素，扣除有效降水，得到净需水定额，计算了汉江上游植被生态需水量；胡顺军[7]通过塔里木河干流典型植被(柽柳、芦苇、胡杨)蒸散量实验，分别采用蒸散模型和潜水蒸发法估算生态需水量；闫正龙[17]基于RS和GIS，采用潜水蒸发法计算了塔河干流分不同植被类型不同盖度的生态需水量，并分析其时空变化规律。纵观我国陆地生态系统需水研究发展历程，近年来，基于3S技术及多学科交叉融合，从微观层面剖析GPAC系统生态水文过程，从宏观层面寻求满足水资源规划及配置要求的生态需水计算方法正成为当前热点。
4 我国生态需水研究面临挑战与未来展望
我国地域广阔，自然地带性差异大，生态环境问题复杂，生态需水研究涉及面广。现有生态需水研究仍处于起步阶段[4，6～8，20～22]，无论从基础理论到量化方法等均存在较大分歧，一些关键科学问题未得到有效解决，需从以下几方面进一步加强。
(1)进一步加强生态需水基础理论研究，强调理论研究与管理实践的有机结合，构建适合我国国情的生态需水研究理论方法和技术体系。
目前，我国生态需水基础理论研究不足，主要体现在概念及内涵存在较多分歧、机理研究未能系统剖析生态—水文相互作用关系、研究缺乏与宏观水资源管理有机结合、评价指标体系不完善等，直接影响生态需水计算方法的可信度，导致生态需水计算结果风险大，生态用水控制指标缺乏可靠依据，难以在水资源规划及配置中落实，且常常达不到预期目标。今后研究中亟待加强生态需水基础理论研究，以概念界定为基础，以生态水文耦合机理研究为突破口，以基于生态需水的水资源合理配置和科学管理为落脚点，构建适合我国国情的生态需水标准理论和方法体系。
(2)变化环境下，气候变化和人类活动对生态需水影响的科学辨识是目前及今后生态水文学领域研究的热点和关键科学问题。
生态需水不是一个新名词，是伴随水循环过程的改变导致水生态空间发生逆向演替，并出现不同程度生态环境问题后，而引起人们重视的。对水循环生态效应的驱动力，目前普遍得到共识，即近几十年时间尺度内主要由剧烈人类活动引起，但如何识别气候变化和人类活动驱动力，以及如何辨识人类活动驱动机制，是目前及今后生态水文学研究的热点和关键。
(3)基于生态系统完整性、稳定性、功能性角度，以河流生态系统为中心研究各子系统生态需水特征，以流域生态系统整体功能及价值最大化为目标，研究流域生态系统需水是今后生态需水研究的重点方向。
今后我国河流生态需水研究应将河流生态系统视为整体，寻求符合河流生态水文季节及功能区划要求的生态需水计算方法。由于我国现有大部分方法多借鉴国外，这些方法在国内的适用性问题还需进一步探讨。首先，从研究目标看，国外现有经验和成果多集中于生态系统维持正常状态需水，以避免危机的产生，而我国生态需水研究目标虽然最终目标与国外一致，但现阶段目标多集中于受损生态系统修复、恢复需水，因此，借鉴国外研究方法时需考虑不同阶段目标的一致性，并根据我国具体国情改进；其次，国外河流生态需水计算方法大多是经验模型，针对性较强，应用时，须考虑初始条件及边界的适用性等；第三，国外生态需水研究大多不涉及季节分配，而我国河流受季风影响显著，水文情势存在显著年际、年内变化，相应的生态需水研究应从河流生态水文季节特征出发，以符合我国实际；最后，现有生态需水计算成果常以年为单位，与水库调度、水资源规划及配置的计算口径不一致，直接影响应用。我国现有河道外生态需水计算方法存在差异的原因主要由于计算范围的不一致，有的方法是基于径流式水资源得出，有的方法是基于降雨性水资源得出，归根到底是缺乏对生态需水核心机理的系统剖析。
(4)不同尺度生态需水规律不同，加强尺度转换过程中生态需水规律研究是目前急需解决的生态需水“瓶颈”问题。
生态学研究强调尺度的异质性。当植株样地或小河段成果由点、线向面尺度转换时，会导致生态—水文异质性信息的缩小，而当基于RS的大尺度成果向局地尺度转换时，则会导致异质性信息的放大，均会影响计算结果的精确性，需要对机理机制和计算模型等做出相应修正和再参数化。因此，不同时空尺度信息转换及相应生态需水规律的差异性研究是目前生态水文学研究中迫切需要解决的关键问题。