论水文生态学的建立及其历史使命

论水文生态学的建立及其历史使命

本文刊登在《灌溉排水学报》2012年，第31卷第1期。

李佩成^[1]

（西安长安大学710054）

【摘　要】通过水文生态学的背景及过程，给出了水文生态的内涵和定义，水文生态学就是研究水文和生态相互关系及其形成各种水文生态系统的科学。对水文生态做了论述，认为水文生态实际上表现为水文生态系统，它是由水文系统和生态系统耦合而成，生态要素中必然包含着水，水文系统必然影响和伴随着相应的生态系统，生态系统的变化也必然影响水文系统，2个系统相互影响，相互依存，从而启示人们在认识和揭示生态问题时不应忘记水文作用，而在研究和揭示水文问题时也必须考虑相应的生态条件。以灌区、梯田和绿洲为例，进一步论述了不同水文和生态条件下水文生态系统。水文生态学将以生态学、水文学、河流学、湖泊学、水文地质学、水工建筑学、农田水利学等为基础而获得发展，从而推动人类认识自然的新飞跃，推进水利建设和生态建设的新发展。

【关键词】水文，生态，水文生态学

The Establishment and

Historic Mission of Hydroecology

LIPei－cheng

（Chang’an University，Xi’an 710054，China）

【Abstract】The background and evolution of hydroecology formation were introduced，as well as its connotation and definition.Hydroecology is a science of the interrelationship between hydrology and ecology and the various united systems of them—various hydroecology systems.Hydroecology was discussed and it performs as hydroecology system actually.Hydroecology system was combined by hydrology system and ecology system.Thus，it is inevitable thatecological elements includes water factor，hydrology system influences and is companied by relevantecology system and the variation of ecology system impactshydrology system.The interaction and interdependence of two systems require taking hydrological function into account on ecological researches，vice versa，it is necessary to take ecological conditions into consideration on hydrological studies.　The oasis，terrace and irrigation district were took as examples to discuss the hydroecology systems on differentecological and hydrological conditions.Hydroecology will develop on the bases of ecology，hydrology，potamology，limnology，hydrogeology，hydraulic architecture and farmland water conservancy，motivate new leap of recognizing nature and promote advances of water conservancy and ecological construction.

【Key words】hydrology，ecology，hydroecology

1.名词界定

水文:是指自然界中（地球上）存在的水及其变化、运动等各种涉水现象。

水文学:是研究自然中各种水体的生成、分布、赋存、运移、循环转化规律的科学，它的研究主要针对水体本身。

生态:常指生物（群落）的生活状态，也可泛指包括人类在内的一切生物的生存状态，以及它们之间和它们与环境之间相互关系态势。

生态学:就是研究生物生存状态以及研究生物之间和生物与环境之间的相互关系的科学。

水文生态:是指将水（文）视为生态主体的生态系统。

水文生态学:是研究将水视为作用主体的生态系统，以及在该系统中生态系统与水文系统相互影响及相互作用的科学。

2.水文生态理论的产生背景

水文生态理论是1988年冬出现在作者头脑中，它的出现主要是受4件事的激发。

第一件事:20世纪80年代初，在陕西渭北发生了面积超过3万hm²的严重渍涝灾害，墙倒屋塌，庄稼被毁，甚至付出人民生命代价。其原因是宝鸡峡灌区长时间大水漫灌，引起地下水大幅度上升到达地面所致，作者亲眼看到水文系统的变化，引发了生态环境的变化，甚至是严重恶化。

第二件事是作者1982年在日本考察，亲眼看到由于过量开采地下水，而引起地沉地裂和海水入侵。

第三件事是1987年作者去美国考察，在德克萨斯州同样看到了因过量开采地下水引发大面积地面沉降。

第四件事是1988年至1989年期间，作者在前苏联考察干旱地区的水问题时，研究了咸海萎缩的原因。咸海分布在哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦，原湖面积6.7万km²，水量109万亿m³，被誉为镶嵌在大沙漠中的蓝色宝石，但因在前苏联时期将它的补给河流阿姆河与锡尔河水大量堵截抽用，咸海水位大幅度下降。从1961年到1986年的25年间，咸海水位下降12.5m，湖面缩小了2.5万km²，蓄水量减少6400亿m³，相当于黄河流淌14年的水量。咸海周围300万居民用水困难，大量喜水生物消亡，形成6万km²的盐化沙漠，疾病流行，生态环境严重恶化。这又是一个人类活动改变水文系统而引发生态系统恶变的实例^［1］。

这些事例加上发生在作者身边的西安因过量开采地下水而出现的地沉地裂等地质灾害，显示一个事实，那就是水文与生态的确是密切相关的，而且水利建设可能引发的生态问题，若不及早关注和研究，人类将为此付出沉重的代价，有些恶果甚至是无法挽救的，在干旱半干旱地区尤其如此。

历史和现实启示，必须加强水文生态的研究和人才培养。1992年，作者指导的博士生冯国章同志，以“水事活动对区域水文生态系统的影响”为博士论文选题开展研究，该论文2000年获全国百篇优秀博士论文奖，说明专家学者对这方面研究的支持。

作者积极建议开展干旱半干旱地区水文生态与水安全研究和人才培养，值得高兴的是教育部和国务院外国专家局批准了“111”引智计划——“干旱半干旱地区水文生态与水安全学科创新引智基地”项目，经过3年多的研究，我们对水文生态有了进一步的认识。

3.关于水文生态（学）的科学界定与学科内涵

在冯国章教授的论文中，我们对水文生态作了这样的界定:“所谓水文生态，实际上就是水文生态系统，它是由水文系统和生态系统复合而成的，集水文循环与生态进化及其共同的自然环境、人工环境于一体的，具有耗散结构和远离平衡态的、开放的、动态的、非线性的复杂巨系统。”^［2］

具体的水文系统是指由一定的地理空间内的各种水体及其形成、运移和赋存环境（自然的、人工的或复合的）所构成的地理、地质、生物（包括人类）等环境功能系统整体，是一个开放的复杂巨系统，同时又是一个动态的非线性系统。

生态系统的定义是人们比较熟知的，它是生物群落及其生存环境共同组成的动态平衡系统；具体的生态系统是在一定的地理空间和地质系统内，生物和非生物成分通过物质循环、能量传输和信息交换而相互作用，相互依存所形成的生态学功能单元。

由于水是生命之源，是万事万物之本，是生态环境的基本要素，因此，生态要素中包括着水，水文系统必然影响生态系统，生态系统的变化——如退耕还林、修造梯田，也必然影响水文系统，两个系统相互影响，具有明显的关联性和协同性，应当是一个统一的水文生态功能整体，如图1所示。

图1　水文生态系统示意图（李佩成构思、李启垒作图、郑飞敏成图）

Fig.1　Theschematic diagram of hydroecology system（Designed by Li Peicheng，painted by Li Qilei and mapped by Zheng Feimin）

因此，随着自然和人类认识的发展以及生产实践的需要，把水文系统和生态系统作为一个整体——水文生态系统而加以看待和研究是科学发展的必然，具有十分重大的理论意义和实用价值！在水文系统和生态系统都很脆弱敏感的干旱半干旱地区尤其如此。

正因为这样，我们把教育部和国务院外国专家局下达的项目:“干旱半干旱地区水文生态与水安全学科创新引智基地建设”，看作一项时代的需求加以对待，通过向世界引智，向全国合作加以实现^［3］。

从图1可以看出水文生态系统有大有小，人们也可以把地球看成一个大的水文生态系统，一条大江大河也会构成水文生态系统，而在其内的小江小河和中、小河流域也可以构成相应的水文生态系统。因此，水文生态系统是具有层次性的。

水文生态系统的组成因子可以概括为“水—土—光—热—气—植（物）—动（物）和人类”。再具体一些可列成图2。

图2　水文生态系统的组成因子

Fig.2　The composition factors of hydroecology system

4.水文生态系统的实例举示

水文生态系统可能是天然形成的，也可能是人工的是人工参与雕琢的。水文生态系统满目皆是，这里举示几个最具代表性的水文生态系统——灌区、梯田和绿洲。

4.1　灌区水文生态系统

如图3所示，所谓灌区水文系统是人为地修筑引、输、配水渠（管）道系统，将河水或井水引至田间，浇灌农田的灌溉工程。依靠灌溉工程保证作物、林果茁壮成长所需水分，配合光、热、气、土壤资源和生物资源的组合，形成具有很好农业生产条件的新的生态系统——灌区水文生态系统。

4.2　梯田水文生态系统

梯田是在易于产生水土流失的坡地上，分段沿等高线建造的阶梯式农田。梯田是治理坡耕地，保持水土、蓄雨纳渗的重要工程措施，梯田的最大作用是蓄积降水截流纳渗，结合土壤改良和窑窖等工程措施，消除径流，从而形成能够保持水土，有利农耕的水文生态系统，图4显示了这种系统及其功能。

图3　灌区之一角

Fig.3　Part of irrigation district

图4　黄土高原上的梯田水文生态系统

Fig.4　The hydroecology system of terrace in loess plateau

4.3　绿洲水文生态系统

绿洲是指在荒漠地区比较平坦的地方，由于来自山区的地表水的滋润或地下水的抬升溢，使当地出现生长茂盛的生物群落，呈现较大面积的绿色景观，如图5所示。

图5　内蒙古阿拉善左旗腰坝绿洲卫星遥感影像图

Fig.5　The satellite remote sensing image of Yaoba oasis in Left Alxaqi，Inner Mongolia

绿洲的出现充分体现了水的生态功能。绿洲的出现仰赖于水的滋润，如果补给水源遭到截取，则绿洲陷入萎缩消亡。因此，要保护和恢复绿洲生态系统，就必须保护和复壮水文系统，要破解绿洲生态的兴衰问题，其要害在于抓住水文生态系统的动态变化。

5.研究水文生态，建立水文生态新学科的意义

尽管研究是初步的，但也可以归纳出水文生态的理论核心，就是任何水文系统必然产生或影响着相应的生态系统，而任何生态系统必然包含着或受制于一定的水文系统。

这一基本理论或观点启示人们，在研究或解决生态问题时不要忽略或忘记相应的水文问题；而在改变扰动水文因子或系统时，不要忽略或忘记可能由此而引起的生态系统的变化。从另一个方面讲，人类可以通过改变地形、地物等生态因子，改变水文系统——如修造梯田；人们也可以通过改变水文系统而改变生态系统——如修筑堤坝、建设灌区等，其结果必将形成新的水文生态系统。

水文生态学理论还要求水利工程建设的环境评价，要受生态学的理论指导，要全面的研究和评价可能引起的流域范围内的水文变化，或者说是水文生态变化，而不能只评价工程本身及其附近地域，也就是说水利工程应进行“水文生态”评价。例如:三峡水库的水文生态评价应当包括修坝蓄水后可能对涉江湖泊、支流乃至上、下游地下水的影响。因为这些流域水体是长江水文生态系统的组成部分。长江水体的大规模阻截，可能影响流域水文生态乃至旱涝灾害。

由此可见，水文生态理论的提出和学科建立，不仅具有学术价值，而且具有明显重大的指导实践的意义，它将带动生态学、水文学、河流学、湖泊学、水文地质学、水工建筑学、农田水利学等的发展，也将推进水利建设进入生态水利的新阶段！

参考文献（Reference）

［1］李佩成.论咸海萎缩问题及其对国土开发治理中水事活动的启示［J］.国土开发与整治1993，3（4）:53－59

［2］冯国璋.水事活动对区域水文生态系统的影响［M］.北京高等教育出版社，2002

［3］李佩成，李启垒.干旱半干旱地区水文生态与水安全研究文集［M］.西安:陕西科学技术出版社，2010

【注释】

[1]作者简介:李佩成，中国工程院院士。长安大学水与发展研究院院长，教授、博导。