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生态水文学学科体系及学科发展战略

时间:2019-08-09 信息来源:科技外事处

生态水文学学科体系及学科发展战略

1 引 言

   随着经济社会发展,人水关系越加复杂,原有生态系统结构、功能和水文过程受到一定的影响,仅靠单一学科已经无法全面科学地解释生态一水文伴生过程。在此背景下,生态与水文之间的内在联系逐渐被人们所认识,从而逐渐衍生出一门由生态学和水文学相交叉的新兴学科“生态水文学”。

   生态水文学最早由国外学者提出,并很快得到发展,我国的研究则相对较晚。生态水文学被正式提出前,学者们围绕生态和水文过程已开展了大量的研究工作,为后来生态水文学的建立奠定了基础。在生态水文学的发展历程研究方面,目前有很多学者进行过总结和论述,有针对整个学科方面的,也有针对某一个研究方向的。总体来看,学者们对生态水文学发展历程尚未形成较为统一的认识,在阶段的划分上持有不同见解。在生态水文学学科体系研究方面,该学科的新颖性及学科交叉的特性造就了本身具有极度复杂性,争议较多,系统阐述者较少。当然,也有一些不同角度的研究成果,如席秋义等提出生态水文学是基于水文学和生态学理论的,包含生态水文过程与生态水资源2个理论与实践相结合的学科体系;夏军等从学科背景入手初步提出了生态水文学的框架和体系;严登华提出了分支学科应用生态水文学的学科体系。

   本文拟通过系统归纳和总结生态水文学发展中的关键历史事件,对学科的发展历程进行划分;基于学科分析,提出生态水文学科体系框架;最后从战略层面构建今后我国生态水文学学科发展布局。

2  生态水文学的发展历程

   根据不同时期生态水文学发展的状态及特征,本文以生态水文学发展的关键历史事件为节点。将该学科的发展历程共划分成5个阶段。

2.1  生态水文学萌芽期(1970年左右至1986年)

   “生态水文学”一词被提出之前,经历了一段时间的演化,也是生态学和水文学逐渐交叉在一起研究的伊始,目前很难考证和说清具体的起源时间。能找到的具有代表性的较早事件有:国际水文科学协会(International Association 0f Hydrological Sci- ences,IAHS)提出的国际水文十年计划(1965—1974),对水文过程的研究开始考虑来自生态环境及其他交叉学科的影响;1970 年Hynes出版的《The Ecology of Running Water》中初步对水文过程和生态过程的结合展开研究;1971年联合国教科文组织(United Nations Educational.Scientific and Cultural Organization,UNESCO)倡议的人与生物圈计划(Man and Biosphere Programme,MAB),从生态学的角度对人与环境的关系进行了深入研究,并于1986年举办了第一阶段会议,讨论了陆地生态系统和水生生态系统之间的过渡带.此外,这一时期其他学科如生态水力学、土壤水文学、山坡水文学和河流生态学等的新理论和发现也有助于该学科的形成。总体来看,该时期学者们已经开始尝试对水文和生态的交叉过程开展研究。为生态水文学奠定了基础。

2.2  生态水文学术语提出与初步探索期(1987—1991年)

   1987年Ingram]在研究中使用了“Ecohydrolo-gy”一词,随后被很多学者采用,并逐步成为生态水文学的代名词。此后几年,学者们围绕生态水文过程开展了大量工作,其中以湿地的生态水文过程研究居多,如1991年Bragg等和Hensel等所开展的研究;其他方面诸如对生态水文参数、生态水文框架等也有少量研究,如1990 年Pedroli和 Caspary.该时期还召开了几次与生态水文研究相关的代表性会议,如1988年UNESCO筹划的过渡带研究国际研讨会,并筹划了水陆过渡带功能方面的合作研究项目:1991年荷兰景观生态协会组织的服务与政策和管理的水文生态预测方法会议.可以看出。自“Ecohydrology”一词提出之后.生态水文学学科已经初见雏形,学者们针对生态水文过程所展开的探索工作,为生态水文学的研究拉开了序幕。

2.3  生态水文学学科建立与初步发展期(1992—1995年)

   1992年联合国水和环境国际会议正式提出生态水文学概念。1993年Heathwaite出版了以生态水文学为主题的专著《Mires:Process.Exploita- tion and Conservation》。1995年Kloosterman等从生态水文学的角度对荷兰南部近几十年来的植被格局和水文状况进行了分析,从而揭示了湿地和栖息地环境恶化的原因;Gieske 等应用生态水文学理论提出了一种定量描述地下水短缺或干枯对水生态和湿地生态系统影响的方法。我国在该阶段没有及时引入生态水文学概念,没有开展专门的研究,但是相关研究已有所涉及,如马雪华对森林水文生态的研究。可以看出,该阶段是生态水文学学科创立的初始时期,还处于摸索阶段。

2.4  生态水文学学科快速发展期(1996—2007年)

   1996年是生态水文学开启快速发展的起点。在这一年,Wassen等给出生态水文学的明确定义;欧洲实验与代表性盆地网络(European Network of Experimental and Representative Basins。ERB)第6次研讨会出版了论文集《Ecohydrological Processes in Small Basins》;联合国教科文组织国际水文计划第五阶段(UNESCO/IHP)。V(1996—2001)启动,其中生态水文学首次被作为其中的重要研究内容之一。在接下来的几年里,生态水文学获得了长足的发展。一直持续到(UNESCO/IHP)-Ⅵ(2002—2007)末期。在著作方面:如1997年Zalewski等,1999年 Baird等(2002年由赵文智等译为中文),刘昌明,2001年Acreman。2002 年Eagleson(2008年由杨大文等译为中文)编著的生态水文学相关专集和著作。在会议召开方面:如1998年召开的(UNESCO/IHP)-V(2.3-2.4)关于生态水文学的工作组会议;1998 年召开的ERB第7次会议“变化环境中流域的水文和生物地球化学过程”;2003年举办的UNESCO MAB/IHP有关“生态水文学:从理论到实践”的联合讲习班。在研究机构及期刊发展方面:如2000 年合并而成的英国沃林福德生态与水文学研究中心;2001 年创办的Ecohydrology&Hy- drobiology学术期刊;2004 年成立的英国生态与水文中心;2005年组建的UNECSO欧洲生态水文学中心。在科学研究方面,产生了大量代表性成果.如 Hatton等、Rodriguez、Zalewski、王根绪等、严登华等、武强等、Nuttle、夏军等、崔保山等、Suschka、Naiman等、 Porporato等、Kundzewicz、Bonnell和Hi- wasaki等的研究。可以说,这些丰富的研究成果极大地促进了生态水文学的发展。

2.5  生态水文学学科完善期(2008年至今)

   2008年开始,(UNESCO/IHP)-Ⅶ(2008—2013)的主题3“面向可持续的生态水文学”、(UNESCO/IHP)-Ⅷ(2014—2021)的主题5“生态水文学——面向可持续世界的协调管理”中均将生态水文学作为一个独立的专题来进行研究。同年, Ecohydrology期刊创刊和UNESCO海滨生态水文学中心成立。在著作方面,如2008 年Wood等(2009年王浩等译为中文)、Harper等(2012年严登华等译为中文),2010 年程国栋等,2012年杨胜天编著的生态水文学著作。在技术和应用方面,开展了较为系统的研究,特别是对生态水文模型的研究。在研究机构建设和会议召开方面.如2009 年成立的南京水利科学研究院生态水文实验中心,2014 年举办的国际水文及应用生态大会。在科研成果方面:如Ghimire等、Zalewski等和张琪琳等开展的研究,拓展到了更广阔的领域。可以说,生态水文学能取得今天的成就,是广大科研工作者共同努力的结果,但仍不完善,需不断深入和补充。

3  生态水文学学科体系探讨

3.1  生态水文学概念

   关于生态水文学概念及内涵的认识,不同专家之间存在相同点,也有不同点。相同点是,基本都认为这是一门交叉学科,主要关注生态学和水文学之间具有相互影响关系的交集领域。但对其概念的定义、研究对象、研究方法以及理论体系的认识存在较大的差异。

   一门独立的学科需要具有明确的研究对象、扎实的理论体系和具体的方法论。生态水文学在多年的发展中已经具备了成为一门独立学科的基本要素。作者在分析大量文献的基础上,给出如下定义:生态水文学是生态学与水文学的交叉科学,从不同尺度(全球、区域、流域)研究和揭示生态水文多要素之间的相互作用关系以及形成和制约生态系统格局及其过程变化的水文学机理.

3.2  生态水文学学科体系框架

   针对生态水文学学科体系的构建问题,可以从不同的角度和分类出发,形成不同的学科体系框架,但均应能够体现出学科的研究对象、特点、核心内容和分支任务,能够为学科的建设和可持续发展提供导向。

   本文构建生态水文学学科体系的思路是:以生态水文学的研究对象为切入点,按照“理论—方法—应用—分支学科”的逻辑主线,构建了以“理论体系—方法论—应用实践”为核心内容支撑,以分支学科为导向的生态水文学学科体系框架。该体系包括:①生态水文学的研究对象。明确的研究对象是学科的立足之本,其涵盖的基本要素既能彰显出学科自身的特点和不可替代性,也能表现出与相关学科的联系及区别。②生态水文学的核心内容(理论体系、方法论和应用实践)。理论、方法和实践三者相辅相成,构成一个严密的系统,是学科的重要组成部分,也是学科发展的主要推动力。③生态水文学的分支学科。按照研究对象、研究范围和手段的不同,可细分为不同的分支体系。

3.3 生态水文学的研究对象

   生态水文学的研究对象可以是一个流域、区域甚至全球系统。在这个系统里,流域或景观可以被视为基本的生态单元,涵盖2个基本要素(水文循环和生态系统)。直观来看,与生态水文学密切相关的学科是水文学和生态学,它将2门学科中彼此独立而又存在联系的水文要素与生态过程有机地进行了结合,但又不仅仅局限于这2门学科,其研究内容的交叉和系统性需要综合运用多学科的相关知识、如水力学、土壤学、植物学和气象学等。

3.4 生态水文学的核心内容

   理论体系:由2个部分组成,一是以观察、观测、实验等手段为基础,摸清生态水文基本原理、本质和规律,形成生态水文学基础理论:二是针对特定研究对象和目标,以多要素间的相互联系和作用所形成的多学科之间综合和交叉的研究理论。

   方法论:主要包括系统工程(生态水文系统工程方法及技术)、物理实验(生态水文过程模拟与仿真的方法和技术)、观测监测(生态水文观测估算、定位监测、数据采集和处理及同化的方法和技术)、数值模型(生态水文的物理、化学、生物过程的数值模型及软件研发)等。

   应用实践:主要包括从生态水文学的角度开展的预警、评估、调控、管理和保护等应用,一方面将理论方法应用于实践,一方面又通过实践来检验和完善其理论方法。

3.5 生态水文学的分支学科

   生态水文学由众多分支学科组成,各分支学科间互有联系,有时又自成体系。本文按照尺度、生态类型和地理环境分类方法,对生态水文学各分支学科进行归类。

   按尺度分类:①全球生态水文学。以全球尺度的大生态系统作为研究对象,重点研究全球陆地和海洋的生态格局及其变化(地圈、生物圈、岩石圈、水圈、大气圈、人类圈等之间的相互作用)的水文学规律、机制和认识。②区域生态水文学。以区域尺度的陆地、人类活动等生态系统为研究对象,重点研究区域生态水文的相互作用关系,区域环境变化的生态水文特征及变化规律。③流域生态水文学。以流域尺度的河流、山川、湖泊、植被、湿地、城市等生态系统为研究对象,重点研究流域多要素的生态水文相互作用关系,形成和制约流域生态系统格局及过程变化的水文学机理。

   按生态类型分类:①森林生态水文学,以森林生态系统为研究对象,重点研究森林生态系统的分布、结构和功能与水的相互作用的过程、机理、效应和与应用相关的问题。②湿地生态水文学。以湿地生态系统为研究对象,重点研究湿地景观生态格局和生态过程演变的水文学机理,及水文过程对湿地植被生长的影响及反馈机制。⑧草地生态水文学。以草地生态系统为研究对象,重点研究草地生态系统过程与水文过程的相互作用关系与影响。④河流生态水文学。以河流生态系统为研究对象,重点研究河流水文要素及其变化过程所产生的影响及其反馈,包括河床形态、水流运动、水文泥沙以及河床冲淤作用下河流的生态格局和生态变化过程及其相互作用机理及关系等,⑤湖库生态水文学。以湖泊水库生态系统为研究对象,重点研究湖泊水库中水文要素及其变化过程对生态系统的影响及其反馈.包括水量、水位、湖流、波浪、光照和温度等对生态系统的直接和间接影响。⑥农业生态水文学。以农业生态系统为研究对象,重点研究农业生态水文过程的相互作用和反馈机制,环境变化对农业生态过程的影响及作物耗水和产量的响应等。⑦城市生态水文学。以城市生态系统为研究对象,重点研究城市、城市化过程和气候变化背景下日益突出的水灾害、水环境、水资源等生态水文问题。

   按地理环境分类:①干旱区生态水文学:②湿润区生态水文学;③寒区生态水文学;④热带区生态水文学;⑤温带区生态水文学;⑥荒漠区生态水文学:(Z)内陆区生态水文学,等。以某一特定地理环境区的生态系统为研究对象,重点研究特定环境下该区域生态系统水文生态的作用关系,及形成该特定地理环境区生态系统格局及过程变化的水文学机理.

4  生态水文学学科发展战略

4.1  学科发展战略框架

   为了更好地助力生态水文学学科发展,需要超前谋划学科发展战略布局,制定可行的行动策略和建议,对于进一步推动生态水文学学科发展,提高生态水文专业教育的整体水平和功能,响应新时代对生态水文科学研究的新要求,均具有重要意义.

   在对学科发展现状做出系统分析的基础上,对未来学科发展方向做出科学判断,对学科近期、远期发展目标及行动路线做出宏观的、有预见的、战略性的构想和安排。根据我们对生态水文学学科发展的理解和对国际、国内研究动态的了解和掌握.拟从科学研究计划、重点研究项目、国家重大需求、学科建设和国际合作5个方面提出未来我国生态水文学学科发展战略展望。

4.2  发展战略布局与实施计划

   (1)科学研究计划

   组织和制定国家/国际层面的大型生态水文学科学研究汁划,有助于促进多学科之间的交叉与融合,培养创新性人才和团队,提升国内和国际基础研究的原始创新能力,为经济社会发展和国计民生安全提供持续性的科学支撑和引领。建议的研究计划有:①生态水文学全同试验观测网与大数据研究计划。在全罔布局一定的生态水文试验站,形成全国层面的试验观测网平台,通过试验建设生态水文学研究大数据平台,供科学工作者研究。②全球变化及其区域生态水文响应科学研究计划。研究全球变化对生态水文系统的影响及反馈,揭示生态水文系统过去、现在和未来的变化规律和控制这些变化的原因和机制,为生态水文过程的预测和系统的管理提供科学基础和依据。③脆弱区生态保护与修复研究计划。围绕生态脆弱区,提出生态保护与修复问题的有效解决途径和方法。④城市生态水文结构及管理研究计划。针对城市人口密集和人工生态特点,研究其生态水文结构、功能及机理、提出城市可持续发展的策略。⑤生态水文调控及关键技术研究计划。针对日益严重的生态形势,开展生态水文调控研究并攻克关键技术,对生态水文过程及格局进行调控,促进人与自然和谐发展。

   (2)重点研冗项目

   围绕国家经济社会发展中亟待解决的重大科学问题,结合国家的现实需要,编制重点研究项目的研究方向和项目指南,并作为重点扶持对象列入到国家优先发展的研究领域,设立专门的基金和项目支持。建议的重点研究项目有:①生态水文过程演变及规律。研究不同尺度下生态水文之间的相互作用机理,探索生态水文过程的演变规律和趋势。②生态水文模拟的新技术方法。研发高精度生态水文模拟模型。③全球变化下的生态水文响应与适应。研究全球变化下的生态水文响应机制与适应性策略。④人类活动与生态水文系统互馈机制及协调发展。揭示人类活动影响下的生态水文格局演变及结构变化,探索生态水文协调平衡及可持续发展。⑤水生态系统保护与修复。针对不同水生态类型区域.开展恢复自然生态体制的关键技术、模式和应用研究。

   (3)国家重大需求

   面对不断恶化的生态环境状况,如何在保证不突破生态红线的基础上,改善生态环境和水文状况.助力落实和实现国家发展需求,需要用到生态水文学相关理论、技术与方法,主要表现在:①支撑生态文明建设。生态文明的重要前提是修复和保护好生态,涉及生态系统的各种类型,需要生态水文学。②支撑海绵城市建设。对海绵城市水文水质效应、生态调控过程的认识与相关技术研发,探清和解决生态海绵体的过程与响应机理、生态海绵体的技术开发与设计、生态海绵体的水文水质模拟、海绵城市建设综合效应的监测与评估等,均需要应用到生态水文学。③助力“一带一路”倡议。“一带一路”倡议中的绿色丝绸之路,提出要践行绿色发展理念,先保护好生态。而沿线一些国家自然灾害频发、缺水少绿、荒漠化等生态问题严重,需要运用生态水文学研究“一带一路”沿线生态安全。④促进长江经济带发展。响应“共抓大保护、不搞大开发”的号召,研究长江经济带生态保护的对策,保障长江经济带可持续发展,需要生态水文学。

   (4)学科建设

   学科建设旨在巩固生态水文学学科地位,解决生态水文学学科转型过程中面临的基本矛盾,提高生态水文学学科发展速度及建设质量,主要包括:①明确学科定位。明晰生态水文学学科在自然、人文、社会科学体系中的位置和意义,完善和确立生态水文学学科知识体系、理论、实践领域、学科方向、发展层次及研究规范等。②构建学科队伍。建立生态水文学学科创新团队,搭建合理优秀的学科梯队,培养学科带头人,组建合理的研究群及研究链条,开展生态水文学理论—方法—实践相结合的科学研究工作。③深入科学研究。创建先进的实验室等物质条件和科研环境,形成深厚的学科建设氛围和良好的学术声誉,不断深化生态水文学科学研究,提高科研创新水平,促进国际科研交流,加强科学研究成果总结。④加快人才培养。增设生态水文学学科点,适当加大生态水文学专业课程占比,编写高质量生态水文学课程教材,加强高层次人才培养和师资队伍建设,做好生态水文学的科普与宣传工作。⑤建设学科基地。在相关人员密集、技术力量强的单位或地区建设学科发展基地,发挥带头示范作用,加强学科的辐射和示范效应。⑥强化学科管理。建立和健全学科管理系统,制定学科发展规划,做好学科专业的评审与认定工作。⑦创建工程技术研究中心。组建研究开发部门、工程设计部门、生态水文服务中心等,强化科研项目孵化和培育,成果转化和推广,提供技术与数据服务。⑧搭建重点实验平台。在科研机构建设实验室,搭建生态水文实验科研平台。

   ⑤国际合作

   响应国家推动学科建设国际化的号召,按照建设世界一流学科的目标,积极开展国际合作:①建立学术合作关系。与国际知名院校、研究机构、科研中心及学科相关的部门建立密切的合作关系,提升我国生态水文学学科及相关研究在国际社会的影响力和声誉。②项目合作与资源共享。联合申请科研项目,共同进行科研工作;在科研数据、资料、信息、设备等方面实现资源共享。③学术交流及研讨。组织和参加国际学术会议,选派年青科技工作者到世界一流科研机构进修和合作,聘请国际著名学者来中国讲授课程。④长短期培训与学术访问。组织和开办长短期的生态水文学专业技术培训和进修班及公开课,鼓励生态水文专业方向的学者进行长短期的国外学术访问。⑤人才联合培养。加强本科生和研究生培养的国际化,选派优秀学生到国外高校进行交流和学习,继续和扩大与国际知名大学和研究机构的联合培养项目。⑥引进海外高层次人才。有计划地从国际一流大学、一流研究机构引进人才,招聘博士、博士后壮大青年教师队伍,助力我国生态水文学科的建设,缩小与国际生态水文学专业顶尖院校、研究机构之间的差距,并实现弯道超车。

5 结   语

   生态水文学学科的完善需要经历漫长的发展和积累,任重而道远,需要靠广大科研工作者对此不断努力和贡献。本文通过对生态水文学发展过程的归纳和总结,将该学科的发展历程划分为5个阶段,即生态水文学的萌芽期、术语提出与初步探索期、学科建立与初步发展期、学科快速发展期和学科完善期,并对每个阶段的特征和代表性事件进行了介绍;基于生态水文学发展历程和现状分析,构建了以“理论—方法—实践—分支学科”为框架的生态水文学学科体系,为中国科学院学部学科发展战略研究项目 《生态水文学学科发展报告》专著撰写奠定基础。同时,结合当前研究动态和需求,提出了未来生态水文学学科的发展战略展望,为我国生态水文学学科发展战略制定提供参考。本文提出的生态水文学学科体系框架是一种尝试,可能存在不完善之处,希望能起到抛砖引玉的作用,吸引更多学者共同探讨和完善生态水文学学科体系,促进生态水文学发展。

 

摘自:《地球科学进展》第7期