譚志強(qiáng)，李云良，張 奇，郭宇菲，王曉龍**，李 冰，萬榮榮，王殿常，吳興華

(1:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，中國科學(xué)院流域地理學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

(2:中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

(3:中國長江三峽集團(tuán)有限公司，北京 100038)

湖泊濕地是發(fā)育在湖泊邊緣，即枯水期水深不足2 m的部分，并且總面積不低于0.08 km2[1]. 如果該湖泊受潮汐影響，那么由于潮汐導(dǎo)致的鹽度應(yīng)該小于0.5%，對于一些淤淺程度高的淺水湖泊，整體都屬于湖泊濕地[1]. 湖泊濕地是一類廣泛存在的濕地類型，包括了《拉姆薩濕地公約》分類體系內(nèi)的：永久性淡水湖(>0.08 km2)；季節(jié)性/間歇性淡水湖(> 0.08 km2)；永久性咸水/半咸水/堿性湖泊；季節(jié)性/間歇性的咸水/半咸水/堿性湖泊和淺灘；永久性咸水/半咸水/堿性沼澤/池塘；季節(jié)性/間歇性的咸水/半咸水/堿性沼澤/池塘；永久性淡水沼澤/池塘，無機(jī)土壤上的池塘(< 0.08 km2)、沼澤和濕地[1].

地表上大約90%的液態(tài)淡水都儲存在天然湖泊和人工湖泊中[2]. 根據(jù)GLWD(global lakes and wetlands database)，全球湖泊和水庫總面積約為2.7×106km2，占陸地總面積的2.0%(南極洲冰川和格陵蘭除外). 全球濕地面積約為0.8～1.0×107km2，占陸地總面積的6.2%～7.6%. 全球面積≥0.1 km2的湖泊達(dá)到甚至超過150萬個；面積≥0.01 km2的湖泊總數(shù)可能達(dá)到或超過1500萬個[3](圖1). 目前尚沒有針對全球“湖泊濕地”分布面積的權(quán)威報道.

湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)有著區(qū)別于其他生態(tài)系統(tǒng)的水文過程和生物地球化學(xué)循環(huán)過程，因此其提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)也從一定程度上區(qū)別于其他生態(tài)系統(tǒng)類型[4]. 主要體現(xiàn)為涉水的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，包括供應(yīng)服務(wù)(如淡水供應(yīng))、調(diào)節(jié)服務(wù)(如凈水、洪水調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié))、支持服務(wù)(如野生動物棲息地)和文化服務(wù)(如娛樂)等，在保障全球水生態(tài)安全格局中占有重要地位[5-7].

湖泊生態(tài)系統(tǒng)是最容易受到威脅的水生生態(tài)系統(tǒng)之一[8-9]. 受加劇的氣候變化[10]和不斷增長的人口對內(nèi)陸水體的消耗[11]疊加影響，越來越頻繁的干旱正威脅著這種脆弱的生態(tài)系統(tǒng)平衡[12]. 旱生化是淺水湖泊面臨的主要問題[13-14]. Davidson調(diào)查了189份濕地面積變化的報告得出：1900年以來，世界自然濕地?fù)p失的比例約為54%～57%[15]，其中包括湖泊濕地的加速萎縮或消失. 在中國，從1978年到2008年，總共損失了1.02×105km2的濕地面積[16].

水文過程是水文要素在時間上持續(xù)變化或周期變化的動態(tài)過程，特別是洪水泛濫的時機(jī)、范圍、程度、持續(xù)時間及其變異性是湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)育和演化的主要驅(qū)動力[17-18]. 由于湖泊濕地范圍廣，甚至難以到達(dá)，變化程度和頻率具有高度異質(zhì)性，如何提高濕地水文要素監(jiān)測的時空分辨率和準(zhǔn)確性是濕地生態(tài)水文研究一直以來所面臨的挑戰(zhàn)[19-20]. 在全球氣候變化和人類活動的雙重影響下，湖泊水文過程發(fā)生深刻變化，由此給湖泊周邊人類社會和濕地生態(tài)系統(tǒng)造成的影響引起國際社會和專家學(xué)者的高度重視. 目前，對于湖泊濕地水文過程的驅(qū)動因素及其生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的認(rèn)識往往存在片面性. 鑒于此，以下從辯證的角度對湖泊濕地水文過程的研究進(jìn)展分4部分總結(jié)：1)關(guān)鍵水文要素的獲取方法；2)水文過程對氣候變化和人類活動的響應(yīng)；3)水文過程的典型表現(xiàn)形式；4)水文過程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng). 通過對湖泊濕地水文過程“是什么”、“為什么”和“怎么樣”的系統(tǒng)綜述，補(bǔ)充對相關(guān)領(lǐng)域新問題和新方法的認(rèn)識，總結(jié)未來需要加強(qiáng)探索和創(chuàng)新的科學(xué)前沿.

1 關(guān)鍵水文要素的獲取方法

湖泊濕地水文要素主要包括地表水水位/水深、地下水水位、土壤含水量、水面蒸發(fā)、地表蒸散發(fā)和表層水溫等. 其中，水位是水生植物賴以生存的淺水湖泊最重要的水文要素之一，根據(jù)地表水位和觀測點(diǎn)的地形高程可計(jì)算水深，進(jìn)而反映濕地蓄水量[21]. 湖泊濕地通常河網(wǎng)密集，下墊面自然屬性具有高度空間異質(zhì)性；湖濱帶地勢平坦，水流運(yùn)動呈現(xiàn)非穩(wěn)定性，匯流特征復(fù)雜；受高度動態(tài)的水位變化影響，干濕交替頻繁；位置相對偏遠(yuǎn)，交通閉塞，可達(dá)性差，給湖泊濕地水文要素監(jiān)測帶來挑戰(zhàn). 目前，湖泊濕地水文要素的獲取方法可以歸納為3種：原位觀測，數(shù)值模擬和遙感技術(shù).

1.1 原位觀測

原位觀測能夠在不同時空尺度上捕捉更接近實(shí)際的水位、流量、水溫、蒸發(fā)量和土壤含水量等水文要素變化[22-23]. 以水位觀測為例，按需求和實(shí)際觀測場合可分為水尺直接觀測和水位計(jì)自動測量. 目前國內(nèi)外常用的水位計(jì)主要包括浮子式水位計(jì)、聲波式水位計(jì)和壓力式水位計(jì)等，各自優(yōu)缺點(diǎn)及適用環(huán)境詳見表1.

原位觀測的時空范圍取決于資源的可用性，大多數(shù)通過現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)僅能提供一定時段、有限地理單元內(nèi)的水文和生態(tài)要素信息. 即使在合理大小的系統(tǒng)中，監(jiān)測也多集中于系統(tǒng)的特定部分，無法對各要素之間相互作用過程進(jìn)行定量測量.

1.2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬以現(xiàn)有觀測資料為基礎(chǔ)，能夠滿足不同時間分辨率和不同空間尺度水文過程研究的需要，在定量解析界面過程及預(yù)測關(guān)鍵水文要素的變化趨勢方面具有顯著優(yōu)勢. 從面向的生態(tài)系統(tǒng)劃分，國內(nèi)外較為熟知的濕地綜合水文模型主要有WETLANDS模型[24]、Jorge-MODFLOW濕地模型[25]、DRAINMOD模型[26]、MIKE-SHE模型[27]和HYDRUS-1D/2D模型[28]. 通常情況下，濕地水文模型要考慮生物群落能量和結(jié)構(gòu)、生命史、養(yǎng)分循環(huán)、脅迫因子選擇和體內(nèi)平衡，進(jìn)而發(fā)展為生態(tài)水文模型. 從生態(tài)水文模型構(gòu)建的空間結(jié)構(gòu)來看，可以分為集總式和分布式；從耦合方式來看，主要包括單向耦合和雙向耦合兩類；從描述生態(tài)水文過程的復(fù)雜程度來看，可劃分為概念性模型、半物理模型和物理模型[29](表2). 總體而言，集總式、單向耦合以及概念性模型計(jì)算過程簡單，參數(shù)容易獲取、適用于廣泛的地理?xiàng)l件和水文情景研究. 而分布式、雙向耦合、半物理以及物理模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)難以獲取，需要專業(yè)的建模知識和豐富的數(shù)據(jù)積累. 此外，水文要素的時空動態(tài)影響濕地植被的生長競爭，反之植被退化恢復(fù)影響界面水分循環(huán)；三角洲在河道沖淤的影響下不斷演變，需要在模型中對徑流路徑進(jìn)行實(shí)時調(diào)整. 目前考慮水文過程與生態(tài)過程互反饋機(jī)制的雙向耦合模型仍有待發(fā)展和完善.

1.3 遙感技術(shù)

遙感技術(shù)可以在短時間內(nèi)獲取大空間尺度濕地水文實(shí)況信息，實(shí)現(xiàn)對地持續(xù)觀測，從而捕捉濕地水文過程的周期性節(jié)律變化、突變及其發(fā)生的時間[31]. 1972年，美國第一顆陸地資源衛(wèi)星(Landsat-1)發(fā)射升空，許多先驅(qū)性研究就此開展. 此后幾十年，湖泊濕地水文過程遙感監(jiān)測在數(shù)據(jù)獲取、技術(shù)方法和產(chǎn)品研制等方面均取得了長足的進(jìn)步(圖2). 以傳感器類型為例，雷達(dá)測高數(shù)據(jù)具備全天時和全天候的特點(diǎn)，例如ICESat/ICESat-2[32]、CryoSat-2[33]、Jason-1/2/3[34]、Sentinel-3 SAR[35]和RADARSAT-2[36]等常被用于水面提取，湖泊水位、水深監(jiān)測及水量估算. 然而，作為陣列單元的回波信號，絕大多數(shù)雷達(dá)僅適用于對寬度大于2 km的水體的監(jiān)測[37]. 另外，受儀器偏差影響，掃描軌跡及脈沖位置無法保證前后觀測的一致性[38]. 微波遙感數(shù)據(jù)雖然空間分辨率低，但其亮溫數(shù)據(jù)的獲取不受天氣條件的限制，被廣泛應(yīng)用于土壤濕度和積雪厚度反演[39]. 但微波傳感器重返周期一般比較長，而且數(shù)據(jù)獲取費(fèi)用高，解譯難度大，目前還多局限于個例的研究. 光學(xué)傳感器，尤其是一系列中高分辨率多光譜遙感，例如Landsat TM/ETM+、SPOT、ASTER和ALOS等為精確識別和提取水體提供可能[40-42]. 但是，中高分辨率衛(wèi)星因?yàn)閽呙鑾捫?、重返周期長等原因在湖泊濕地洪泛監(jiān)測中往往受到限制[43-44]. 與之相比，MODIS和AVHRR等高時間分辨率的多光譜數(shù)據(jù)在中尺度和大尺度洪泛監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用[45-47]. 然而，其較粗的空間分辨率對于小型湖泊水面積測量結(jié)果的不確定性達(dá)到-6%～13%[48]，難以滿足小尺度水文過程研究的需要[49].

圖2 用于水面監(jiān)測的常用衛(wèi)星傳感器發(fā)展歷程

多源遙感數(shù)據(jù)融合方法為同時滿足高時空分辨率的濕地水文要素監(jiān)測提供了一個新的解決思路[43,50-53]，主要包括間接策略和直接策略兩種. 間接策略是利用較高分辨率的遙感數(shù)據(jù)(如Landsat)分解較低分辨率的遙感數(shù)據(jù)(例如MODIS)，融合模型包括STARFM[54]、半物理融合方法[55]、STAARCH[56]、ESTARFM[57]、STDFA[58]和ISTDFA[59]等. 直接策略是輔助以土地覆蓋/土地利用數(shù)據(jù)庫等對NDVI進(jìn)行像元分解達(dá)到降尺度的目的，例如WLM[60]、STAVFM[61]、RMMEH[62]和NDVI-LMGM[63]等模型. 多源遙感數(shù)據(jù)融合作為深入挖掘遙感大數(shù)據(jù)應(yīng)用潛力的有效途徑之一，無論是直接策略還是間接策略都建立在一定假設(shè)的基礎(chǔ)上，我們將在本文的展望部分進(jìn)一步評述. 未來，改進(jìn)的融合模型及其對不同監(jiān)測目標(biāo)、不同地物屬性和不同空間尺度的適用能力有待深入研究.

2 水文過程對氣候變化和人類活動的響應(yīng)

隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長和氣候變化，湖泊豐度已經(jīng)減少，濕地面積正面臨萎縮風(fēng)險[21]. 例如，全球變暖導(dǎo)致水面蒸發(fā)加快，長時間降水異常導(dǎo)致入流減少，這些都很容易對湖泊水文、水生態(tài)和水環(huán)境產(chǎn)生連鎖反應(yīng). 此外，不可持續(xù)的土地利用和以利潤最大化為唯一目標(biāo)的水資源管理大大加劇了極端氣候的影響. 但是，水文過程對氣候變化和人類活動的響應(yīng)則表現(xiàn)為兩面性.

2.1 氣候變化

氣候變化通過改變降雨、氣溫、輻射、風(fēng)速以及洪水、干旱等水文極值的發(fā)生時間、頻率和強(qiáng)度等影響濕地水文過程和水文情勢[64]，進(jìn)而影響濕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，如碳儲存、支持生物多樣性、提供野生動物棲息地和凈化水質(zhì)[42,65]. 濕地因其水源補(bǔ)給方式不同對氣候變化的響應(yīng)具有顯著差異.

一方面，冬季積雪減少和早期融雪正通過改變徑流的時間和流量影響高緯度和高海拔地區(qū)湖泊濕地的水文過程[66]. 例如，2000-2015年，全球氣候變暖引起的冰川凍土融水增加和降雨年代際增加導(dǎo)致青藏高原內(nèi)的湖泊面積擴(kuò)張了4542.3 km2[67]. 1973-2017年，五大湖的平均冰覆蓋范圍(12月1日-4月30日)減小了67%，其中密歇根湖的冰覆蓋率下降了70%[68]. 氣溫升高可能會推遲冬季冰的形成，并在春季加速冰的融化[69]，大多數(shù)冬季結(jié)冰的湖泊在未來可能保持無冰的狀態(tài). 另一方面，在全球氣溫升高的背景下，濕地往往面臨退化和萎縮的風(fēng)險，因?yàn)闅鉁孛可?℃，需要降水量增加20%才能補(bǔ)償濕地生態(tài)系統(tǒng)因溫度升高而產(chǎn)生的旱化效應(yīng)[70]. 例如，受氣候變化影響，北美大草原[71]、土耳其圖茲湖濕地[72]、加拿大境內(nèi)流域濕地[73]、瑞典中東部高位沼澤濕地[74]、波蘭境內(nèi)的雷夫河流域濕地[75]以及中國的若爾蓋高原濕地[76]、黃河源區(qū)濕地[77]、松嫩平原扎龍濕地[78]、白洋淀濕地[79]等均出現(xiàn)了水位下降、水文周期縮短、干旱程度增強(qiáng)以及部分水功能喪失等現(xiàn)象.

在過去的幾十年里，決定生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵氣候因素變化非常快[80-81]，這種快速變化伴隨著不同極端天氣的出現(xiàn)[82-84]. 聯(lián)合國領(lǐng)導(dǎo)的政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)布的第六次評估報告第一工作組報告顯示，北美、歐洲、澳大利亞、拉丁美洲眾多地區(qū)、非洲的西部和東部、西伯利亞、俄羅斯和整個亞洲都在經(jīng)受高溫極端天氣(包括熱浪)的“考驗(yàn)”. 湖泊熱浪可能會加劇湖泊長期變暖的不利影響，改變湖泊的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而威脅到湖泊濕地的生物多樣性以及湖泊濕地為社會提供的關(guān)鍵生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益[85]. 《中國氣候變化藍(lán)皮書(2021)》指出：1961-2020年，中國極端強(qiáng)降水事件呈增多趨勢，極端高溫事件自1990s中期以來明顯增多. 高溫、強(qiáng)降水等極端事件增多增強(qiáng)，使降水變化區(qū)域間差異更加明顯，給湖泊濕地水文過程帶來深刻影響. 例如，2020年，長江流域和松花江流域地表水資源量均為1961年以來最多. 2005年以來，青海湖水位連續(xù)16年回升，累計(jì)上升3.47 m；2016-2020年水位加速上升，2020年已達(dá)到1960s初期的水位[86]. 相反，受干旱影響，1960年以來華北平原最大的淡水湖泊濕地白洋淀水位降低，水量減少，面積萎縮，生物多樣性減少[87]. 極端氣候事件引發(fā)的湖泊濕地極端水文過程及其對生態(tài)系統(tǒng)-大氣之間碳交換產(chǎn)生的負(fù)面影響需要更廣泛的關(guān)注.

2.2 人類活動

人類活動同樣以不同的方式影響著湖泊濕地水文過程. 一方面，圍湖造田、筑堤建圩、挖溝排水以及流域水利工程等減少了地表徑流的輸入，加速了湖泊的旱化進(jìn)程，降低了湖泊濕地調(diào)蓄洪水的能力. 北美大平原是一個重要的農(nóng)業(yè)區(qū)，同時也是數(shù)百萬河湖濕地的發(fā)源地[88]. 大平原為美國供應(yīng)大部分小麥、玉米和棉花以及許多其他作物，但草原轉(zhuǎn)為農(nóng)業(yè)用地極大地影響了湖泊濕地水文過程[89]. 美國近幾年失去的淡水濕地中，約98%來自大平原[90]. 截至2007年，我國圍墾湖泊面積超過1.3×104km2，因圍墾消亡的天然湖泊近1000個. 號稱“千湖之省”的湖北目前只剩下326個湖泊，水面減少72%. 昔日“八百里洞庭”從1940s末的4300 km2減少至2400 km2，水面萎縮40%，水量減少約34%[91]. 此外，三峽水庫蓄水顯著改變了通江湖泊的水文過程，疊加湖區(qū)采砂活動導(dǎo)致鄱陽湖等中下游湖泊秋季提前退水、枯水期延長以及枯水期水位降低等[92-93].

另一方面，退田還湖、筑壩攔蓄和跨流域調(diào)水等措施能夠增加濕地面積，有利于濕地水文功能的恢復(fù). 例如，1998-2003年的退田還湖工程還鄱陽湖面積830.3 km2，湖區(qū)增加蓄洪容積45.7億m3[94]，還洞庭湖濕地面積1390.84 km2，增加蓄洪容積80億m3[95]；三峽工程運(yùn)行形成出露面積達(dá)437～446 km2的消落帶，造就了一類特殊的濕地生態(tài)系統(tǒng)[96]；松嫩平原地區(qū)河湖連通工程引蓄洪水21億m3，地下水水位抬升1 m左右，恢復(fù)和改善濕地面積2400 km2[97]. 黑龍江省政府制定了333.33 km2的三江平原濕地恢復(fù)計(jì)劃，從2000年到2014年，三江平原已經(jīng)恢復(fù)了100 km2的洪泛區(qū)[68].

人類活動不僅從減少地表徑流輸入或攔蓄徑流這兩方面影響湖泊水文過程，植樹造林、森林砍伐、土地利用方式等也會影響流域水文循環(huán)和濕地儲水空間，進(jìn)而改變湖泊濕地的水文過程. 一些湖泊濕地可能對氣候變化具有相對的彈性. 但是，因?yàn)槠渌麛_動的協(xié)同作用，由氣候變化導(dǎo)致的負(fù)面影響經(jīng)常表現(xiàn)為加劇的趨勢，這些擾動往往都與人類活動密切相關(guān). 如何管理和減少人類活動對生態(tài)系統(tǒng)的干擾，減輕氣候變化的影響，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)進(jìn)程是地球科學(xué)研究的永恒課題.

3 水文過程的典型表現(xiàn)形式

洪水是水文過程的一種極端表現(xiàn)形式，伴隨氣候異常導(dǎo)致的極端水文事件在世界各地頻發(fā)，近年來有關(guān)洪水的報道成為熱點(diǎn)話題. 湖泊濕地作為天然蓄水庫和水循環(huán)調(diào)節(jié)器，在調(diào)蓄洪水、減輕洪澇災(zāi)害方面發(fā)揮著極其重要的作用. 此外，水文連通性是表征河流、湖泊和濕地之間水文過程的綜合性指標(biāo)，通過調(diào)整河湖水文連通可以優(yōu)化水資源配置、改善生態(tài)環(huán)境和抵御水旱災(zāi)害等.

3.1 洪水

湖泊濕地通過蓄水、泄流和蒸散發(fā)調(diào)節(jié)洪峰大小以及洪峰的傳播時間，發(fā)揮著調(diào)蓄洪水的功能. 例如，五大湖中蘇必利爾湖最大蓄水量和最小蓄水量之差為5.76×105億m3，平均調(diào)蓄水量達(dá)9003億m3. 休倫湖、安大略湖、伊利湖和密歇根湖對夏季洪水的平均調(diào)蓄量分別為4057億、576億、386億和14億m3. 洞里薩湖是東南亞最大的天然淡水湖泊，其流域降水和湄公河徑流的季節(jié)性轉(zhuǎn)換形成面積達(dá)1.06×104km2的洪泛濕地. 洞里薩湖在雨季水位上漲7～8 m，湖泊面積由2500 km2增加至1.3×104km2，調(diào)蓄洪水約800 億m3[98]. 亞馬遜洪泛區(qū)分布著數(shù)量眾多的子湖，在調(diào)蓄流域洪水的過程中發(fā)揮著重要作用. 其中，Lago Grande de Curuaí (Pará)湖在豐水年調(diào)蓄來自河流的水量就達(dá)87億m3，是該湖泊最大水儲量的4.7倍[99].

2020年夏季，我國南方遭受特大洪澇災(zāi)害，長江中下游地區(qū)梅雨期持續(xù)時間較常年偏長23 d，平均降雨量753.9 mm，比常年偏多168%，為1961年以來最多. 在本次洪水過程中，洞庭湖城陵磯水位持續(xù)超警60 d，其中18 d入湖流量大于出湖流量，共計(jì)調(diào)蓄洪水62.35億m3[100]. 鄱陽湖區(qū)運(yùn)用185座單退圩堤接納洪量約26.2億m3，有效降低了鄱陽湖水位0.35 m[101]. 兩個大型通江湖泊在應(yīng)對2020年中國南方特大洪災(zāi)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用(圖3).

圖3 Landsat記錄的洞庭湖和鄱陽湖洪水變化(最小云量合成影像)

3.2 水文連通性

隨著湖泊濕地水文過程研究的發(fā)展，水文連通性“hydrological connectivity”引起廣泛關(guān)注[102-103]. 水文連通性是指以水為介質(zhì)的物質(zhì)、能量及生物在水文循環(huán)各要素內(nèi)或各要素之間的傳輸過程，對河湖洪泛濕地的水量平衡，泥沙沖淤，水鳥、魚類、浮游藻類和大型底棲動物的生物量及生物多樣性維護(hù)等至關(guān)重要[104-105]. 根據(jù)連通主體和水量交換關(guān)系的不同，可以把水文連通劃分為3個空間維度，即沿水系流向的縱向連通、水系與漫灘之間的橫向連通和河湖地表水與地下水之間的垂向連通(圖4). 水文連通性減弱是全球河流、湖泊濕地面臨的一個主要威脅[106].

圖4 不同空間維度的水文連通示意圖

建壩等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是湖泊濕地水文連通性變化的重要原因. 目前全球已建大壩數(shù)量估計(jì)超過5萬座，計(jì)劃和在建大壩有3600座[107]. 僅亞馬遜流域，在建和規(guī)劃中的大壩項(xiàng)目就超過400座[108]. 大壩建設(shè)破壞了湖泊濕地水文過程的天然節(jié)律，導(dǎo)致河湖換水周期延長，下游徑流量減少，濕地淹沒深度和歷時增加等，給湖泊水環(huán)境和濕地生態(tài)帶來重要影響. 例如，1950-1970年間，長江流域大建節(jié)制閘，絕大多數(shù)湖泊失去了與長江的天然聯(lián)系，水文連通性急劇減弱，使支撐長江魚類生存的有效湖泊面積減少了76%，以魚為餌料的白鰭豚、江豚種群數(shù)量銳減[109]. 2003年以后，三峽工程運(yùn)行改變了長江與鄱陽湖的連通關(guān)系(包括長江對鄱陽湖的“拉空”、“頂托”和“倒灌”作用等)，并由此引起鄱陽湖濕地高灘地中生植被退化，水陸過渡帶濕生、挺水植被優(yōu)勢度降低，低灘地沉水植被向退水方向演替等[18]，生長季的平均地下水埋深變化是濕地植被格局演變最重要的影響因素[110]. 由此可見，橫向、縱向水文連通與垂向水文連通之間存在著密切的關(guān)聯(lián)性.

湖泊濕地是地表水-地下水垂向連通非?；钴S的區(qū)域，削弱的橫向水文連通性可能會減少垂向水文連通，導(dǎo)致濕地地下水位下降[6]. 地表水-地下水之間的垂向連通不僅決定了界面水分交換通量，對鹽分、潛流層生物遷移等也有重要影響[111]. 盡管國內(nèi)外在地表水-地下水交互作用方面取得了大量研究進(jìn)展，但受原位條件約束，飽和-非飽和帶的土壤水、地下水采樣困難，相關(guān)地質(zhì)背景資料和經(jīng)驗(yàn)不足，加上缺少量化指標(biāo)和評價工具，考慮垂向連通性及其與其他維度連通性的交互關(guān)系研究仍面臨著很大挑戰(zhàn)[112].

4 水文過程的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

干濕交替的水文過程形成湖泊濕地獨(dú)特的植物和動物群系. 水文過程可直接、顯著改變濕地諸如營養(yǎng)物質(zhì)和氧的可獲取性、土壤鹽漬度、pH和沉積物特性等物理化學(xué)條件，進(jìn)而影響水質(zhì)和動植物的群系結(jié)構(gòu)[113-114]. 同時，湖泊濕地的植物、動物和水質(zhì)格局反映了物理化學(xué)(外力)和生物(內(nèi)力)兩種力量之間復(fù)雜、動態(tài)的相互作用.

4.1 水文過程對植物的影響

植物作為濕地生態(tài)系統(tǒng)最重要的組成部分之一，在為水生動物提供食物和棲息地、凈化水質(zhì)、儲存碳等方面發(fā)揮著重要作用[115]. 濕地植物變化被認(rèn)為是指示水環(huán)境安全性和可持續(xù)性躍遷的關(guān)鍵生態(tài)指標(biāo)[116-117].

地表水文過程主導(dǎo)了濕地植物的基本生態(tài)過程和生態(tài)格局，是濕地植物生態(tài)系統(tǒng)演替的主要驅(qū)動力(表3). 水位直接影響種子萌發(fā)、植物存活、生長和繁殖[118-119]，并通過土壤養(yǎng)分的有效性或種間競爭間接影響物種組成[120-121]. 例如，水位下降引起土壤鹽分增加，并且缺水會影響湖濱帶植物物種組成，最終導(dǎo)致某些植物群落的面積減少甚至消失[122]. 此外，水文節(jié)律改變會導(dǎo)致濕地植物種群結(jié)構(gòu)的變化. 例如，水位變化幅度升高會導(dǎo)致建群種的優(yōu)勢度降低[123].

表3 濕地植物對地表水文過程的生態(tài)響應(yīng)

除此之外，地下水位也是決定植物生長和繁殖的一個關(guān)鍵因素[134-135]. 近幾屆國際濕地會議(IWC)和國際水文地質(zhì)大會(IAH)分別設(shè)置了“濕地與地下水流”、“地下水與濕地的相互影響”以及“生態(tài)系統(tǒng)中的地下水作用”等專題，在全世界引起關(guān)于濕地-地下水交互作用的多學(xué)科交叉研究與探討[114]. 地下水位是地下水與濕地生態(tài)系統(tǒng)之間相互作用的關(guān)鍵性指標(biāo)[136]. 一方面，地下水位的微弱變化可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部生物、物理乃至化學(xué)過程發(fā)生根本變化[137-138]，造成物種組成以及種群結(jié)構(gòu)改變. 另一方面，植物生態(tài)系統(tǒng)本身具有一定的自我適應(yīng)和調(diào)節(jié)能力，即不同生活型的植物通過調(diào)整物質(zhì)代謝、能量轉(zhuǎn)化和生長發(fā)育適應(yīng)改變后的地下水位[139]. 植物對地下水位波動的響應(yīng)存在兩種可能：一種是線性比例響應(yīng)，另一種是臨界突變響應(yīng)[140]. 在現(xiàn)實(shí)的植物演替過程中線性響應(yīng)極為罕見，絕大部分表現(xiàn)為臨界突變，即非線性響應(yīng)：通常植物退化對地下水位下降的響應(yīng)具有一定的滯后期；這種遲滯效應(yīng)同樣存在于地下水位抬升后植物的恢復(fù)過程中[30]. 當(dāng)前，“哪些濕地植物依賴地下水？”、“植物蒸騰耗水在什么時段以及多少是來自地下水？”、“引起植物功能發(fā)生正向和逆向改變的地下水位閾值分別是多少？”等問題仍待解答.

4.2 水文過程對動物的影響

湖泊濕地特有的水文過程為水鳥、魚類和無脊椎動物，特別是其中瀕臨滅絕的物種提供了理想的棲息場所. 水文過程變化將顯著改變濕地的物質(zhì)流、能量流和信息流，進(jìn)而引發(fā)不同的動物行為，比如候鳥遷徙、魚類洄游以及無脊椎動物的繁殖和遷徙等. 其中，水鳥對水文過程變化非常敏感，其多樣性水平常被用來衡量湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況[141].

湖泊濕地提供的淺水、沼澤、灘涂和稀疏草灘是水鳥的天然棲息地和覓食場所[142]. 每年春季，太平洋70%(超過200萬只)的遷徙水鳥經(jīng)過俄勒岡南部-加利福尼亞東北部的湖泊濕地[143]，遷徙高峰期約有150萬只涉禽在大鹽湖停歇，10.2萬只在莫諾湖，8.3萬只在阿伯特湖. 水鳥在遷徙途中需要一系列的停歇地補(bǔ)充食物并積蓄能量，如果缺失這些湖泊濕地作為棲息地，就可能導(dǎo)致水鳥向南遷徙失敗[144-145]. 鄱陽湖湖泊水位季節(jié)性變化強(qiáng)，水情特征復(fù)雜，生物多樣性豐富，平均每年有34萬多只候鳥在此越冬，包括世界上約99%的白鶴(Grusleucogeranus)及超過80%的東方白鸛(Ciconiaboyciana)[146].

在氣候變化和快速城市化過程中，湖泊濕地景觀由簡單、均勻、連續(xù)的整體演變?yōu)閺?fù)雜、異質(zhì)、間斷的斑塊. 鳥類自然棲息地的破碎化越來越嚴(yán)重，可用棲息地和食物資源大量減少，導(dǎo)致種群數(shù)量減少，生物多樣性降低[147-148]. 從地中海地區(qū)鹽田的消失到北美大草原坑洞地區(qū)和莫哈韋沙漠濕地的退化，在氣候變化的影響下大規(guī)模的遷徙水鳥(如水禽、濱鳥、涉禽)和其他鳥類物種的種群數(shù)量正在顯著下降[149-150]. 通過研究北美太平洋航道過去100年的水資源利用率和氣候變化趨勢，發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉和不斷增加的蒸發(fā)導(dǎo)致水鳥遷徙路線上融雪流域27%的湖泊、47%的濕地和季風(fēng)流域13%的湖泊地表水減少，水鳥物種組成發(fā)生顯著變化[151-152]. 長江上游的三峽工程運(yùn)行改變了鄱陽湖洪泛濕地的水文過程，尤其是淺水面積和水文連通性，對越冬水鳥棲息、覓食產(chǎn)生直接和間接影響[153]. 研究證實(shí)：群體水平上，天鵝、鵝和鴨的豐度與豐水期月平均水位顯著相關(guān)；涉禽數(shù)量與豐水期平均水位和高水位持續(xù)時間顯著相關(guān)[154]. 此外，上文提到的濕地水文過程變化導(dǎo)致三江平原水禽數(shù)量減少了90%以上[155]；松嫩平原濕地鳥類數(shù)量由1983年的137只/km2減少至1995年的105只/km2[156]等.

相反，湖泊濕地水文條件的改善及合理的水資源利用則有利于水鳥種群數(shù)量的增加和物種多樣性的恢復(fù). 例如，美國自然資源部和Ducks無限公司修復(fù)了愛荷華州的38個淺水湖，修復(fù)后的淺水湖(58萬只，78種)比未修復(fù)的淺水湖(13萬只，70種)發(fā)現(xiàn)的水鳥數(shù)量和種類更多. 修復(fù)結(jié)果顯示，水位變化對涉水鴨和濱鳥種群數(shù)量有負(fù)面影響，對潛水鴨和水鳥物種多樣性有正面影響；水位恢復(fù)時長對鵝/天鵝和隱匿沼澤鳥類物種多樣性有正面影響；濕地總面積對各類群數(shù)量和多樣性均有正面影響[157]. 此外，受河湖連通工程影響，莫莫格濕地過境白鶴數(shù)量由原來的500多只增加到3800多只，占全球白鶴數(shù)量的95%[97]. 對云南大理洱海的候鳥種群動態(tài)的持續(xù)觀測發(fā)現(xiàn)，水位下降后鉆水鴨和潛水類的種群數(shù)量和物種多樣性都有所增加[158].

4.3 水文過程對水質(zhì)的影響

濕地水文過程對于水質(zhì)的影響同時表現(xiàn)為濕地的源和匯的功能. 一方面，濕地是下游水域溶解性有機(jī)物、營養(yǎng)物和污染物等的重要來源. 例如，磷和硝態(tài)氮等受“蓄積-溢出”效應(yīng)或近地表電勢差驅(qū)動由底泥釋放至上層水體，并隨著地表水或淺層地下水轉(zhuǎn)移到下游水域，起到化學(xué)源的功能[103,159]. 對大型淺水湖泊而言，風(fēng)浪發(fā)育充分，底泥再懸浮頻繁，磷的內(nèi)源供給通量大、速度快、效率高[160]. 例如，基于靜態(tài)釋放培養(yǎng)法估算的太湖內(nèi)源磷負(fù)荷可達(dá)899 t/a[161]，而基于動態(tài)釋放的通量則更高[162-163]. 此外，濕地植物在完成一個生命周期后凋落物會落入水中，分解并釋放有機(jī)物和氮進(jìn)入水體，進(jìn)而增加水體中氮濃度[164]. 研究發(fā)現(xiàn)，濕地植物的秋季1次收獲對土壤中氮的去除量最大(81.62 g/m2)，說明土壤微生物的硝化和反硝化作用對土壤脫氮的貢獻(xiàn)最顯著[165].

另一方面，濕地通過儲水稀釋、沉淀和置換作用對有機(jī)物、營養(yǎng)物和污染物等進(jìn)行截留，使得氮、磷及一些重金屬元素在植物-土壤系統(tǒng)中周轉(zhuǎn)，最終達(dá)到富集的效果，從而發(fā)揮化學(xué)匯的功能[6,166]. 例如，湖泊是氮最重要的匯庫之一，氮可以被反硝化、固定或儲存在沉積物中[167]. Harrison 等估計(jì)全球湖泊每年可去除約13 Tg的氮，占內(nèi)陸水域氮輸入量的20%[168]. 沉積物通過反硝化將硝酸鹽(HNO3)轉(zhuǎn)化成氧化亞氮(N2O)和氮?dú)?N2)實(shí)現(xiàn)對氮的永久性去除，是湖泊生態(tài)系統(tǒng)中主要的氮去除途徑[169]. 沉積物也是磷的一個即時“儲存庫”，沉積物對磷酸鹽的吸附能力受沉積物顆粒粒徑[170]、溫度[171]和pH、氧化還原電位、鹽度、溶解氧等環(huán)境因子影響[172-174]. 此外，濕地植物根系發(fā)達(dá)，生長速度快，生物量大，在生態(tài)系統(tǒng)中對金屬的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和生物地球化學(xué)循環(huán)起著至關(guān)重要的作用[175]. 研究表明，一些濕地植物，如蘆葦(Phragmitesaustralis)[175]、香蒲(TyphalatifoliaLinn.)[176]以及莎草(CyperusarticulatusL)表現(xiàn)出很高的金屬積累能力[177].

湖泊濕地地表水的橫向、縱向、垂向運(yùn)移隨時間和空間變化，水文過程對水質(zhì)影的源、匯和滯后效應(yīng)往往同時發(fā)生，進(jìn)而抵消它們作為下游水域物質(zhì)和能量來源的作用. 如何提高湖泊濕地的固碳作用，探索碳達(dá)峰、碳中和的實(shí)現(xiàn)路徑是未來湖泊濕地水文生態(tài)研究的重要方向.

5 展望

作為一種具有全球意義的自然資源，湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)在過去一個世紀(jì)發(fā)生了重大改變，由此帶來的生態(tài)環(huán)境壓力和社會經(jīng)濟(jì)問題受到廣大學(xué)者的廣泛關(guān)注. 湖泊濕地水文過程已成為當(dāng)前水資源管理、水文地球化學(xué)和生態(tài)水文學(xué)等多個領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和前沿. 在已有研究建立的科學(xué)理論和開創(chuàng)性認(rèn)識的基礎(chǔ)上，未來在以下5個方面有待探索和創(chuàng)新：湖泊濕地多要素綜合觀測體系、氣候變化與人類活動協(xié)同作用機(jī)制、水文連通多維度轉(zhuǎn)化機(jī)理及其生態(tài)效應(yīng)、地下水驅(qū)動下的植物非線性演變規(guī)律和基于關(guān)鍵水文要素的水鳥棲息地質(zhì)量評價.

1)濕地多要素綜合觀測體系. 在濕地關(guān)鍵水文要素監(jiān)測方面，主流的多源遙感數(shù)據(jù)融合方法建立在預(yù)測期內(nèi)沒有土地覆蓋變化或只存在線性變化的假設(shè)基礎(chǔ)上，而這一假設(shè)并不適用于快速變化的濕地水文要素監(jiān)測. 此外，融合過程需要的成對無云影像，在受多云覆蓋影響的濕潤區(qū)很難得到滿足. 當(dāng)前，迫切需要突破上述瓶頸改進(jìn)多源數(shù)據(jù)時空融合技術(shù). 此外，隨著遙感產(chǎn)品日趨豐富以及水文模型的逐漸成熟，遙感科學(xué)與水文學(xué)相結(jié)合為濕地水文要素監(jiān)測開拓了更為廣闊的前景. 水文/水動力模型通過結(jié)合遙感技術(shù)提供的地形、土地利用和植被等下墊面信息以及降水、蒸散發(fā)等氣象參數(shù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵水文要素的長期、動態(tài)和連續(xù)模擬和預(yù)測是未來湖泊濕地生態(tài)水文過程研究的重要方向.

2)氣候變化與人類活動協(xié)同作用機(jī)制. 受氣候變化和人類用水增加，特別是灌溉耗水影響，世界各地的湖泊濕地面臨減少和退化風(fēng)險. 政府通過教育和激勵的手段調(diào)整農(nóng)業(yè)用水方式，分擔(dān)基礎(chǔ)灌溉設(shè)施的成本支持生產(chǎn)者，從而獲得在節(jié)約用水和維護(hù)濕地生境方面的生態(tài)補(bǔ)償. 與此同時，灌溉效率的提升會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者種植更多的耗水作物和擴(kuò)大種植面積. 因而需要不斷地將新的節(jié)水措施重新應(yīng)用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，針對湖泊濕地生態(tài)水文系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)發(fā)展、水資源開發(fā)利用等社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)相互作用的雙向機(jī)制，制定湖泊濕地管理的政策制度和規(guī)劃方案，提升湖泊濕地生態(tài)服務(wù)功能.

3)水文連通多維度轉(zhuǎn)化機(jī)理及其生態(tài)效應(yīng). 水文連通性伴隨著水循環(huán)過程的發(fā)展表現(xiàn)出動態(tài)性、多維性、系統(tǒng)性、閾值性和異質(zhì)性等主要特征. 同水文過程相比，水文連通性更加側(cè)重于從系統(tǒng)角度來識別水流的空間聯(lián)系與多維度轉(zhuǎn)化. 盡管相關(guān)研究在縱向和橫向地表水文連通性方面取得較多進(jìn)展，但受地表-地下水交互作用的復(fù)雜性以及土壤水變化的時間動態(tài)性和空間異質(zhì)性影響，垂向水文連通性研究仍有不足. 如何探明洪泛系統(tǒng)多維度水文連通時空轉(zhuǎn)化的協(xié)同性、連續(xù)性和臨界條件是維護(hù)湖泊濕地結(jié)構(gòu)完整，提升生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能亟待解決的一個關(guān)鍵科學(xué)問題.

4)地下水驅(qū)動下的植物非線性演變規(guī)律. 地下水位是地下水與濕地生態(tài)系統(tǒng)之間相互作用的關(guān)鍵性指標(biāo). 然而，由于濕潤區(qū)地表水資源相對豐富，地下水對濕地植物的作用和貢獻(xiàn)往往被忽視. 地下水位波動的方式、強(qiáng)度和頻率無疑會影響植物退化/恢復(fù)的非線性過程，改變濕地植物演替的方向、速度、趨勢或終結(jié)類型，甚至帶來不可挽回的退化結(jié)果. 如何定量刻畫植物對地下水變化的響應(yīng)仍面臨挑戰(zhàn). 亟需從生態(tài)水文學(xué)的角度研究洪泛濕地不同生活型植物種群退化/恢復(fù)過程對地下水位波動的響應(yīng)差異及其演變的非線性動力學(xué)機(jī)制，為湖泊水位調(diào)控和退化濕地的恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù).

5)基于關(guān)鍵水文要素的水鳥棲息地質(zhì)量評價. 湖泊濕地資源的空間位置及其相對于個體物種遷徙時間的可用性是評估水鳥棲息地質(zhì)量的必要條件. 無論是由于濕地喪失、可利用時間的改變，還是不合適的鹽度或水深，都可能導(dǎo)致棲息地適宜度降低或候鳥遷徙失敗. 因此，需要更精細(xì)的棲息地質(zhì)量評估來充分了解特定物種的彈性力和恢復(fù)力. 當(dāng)前，對候鳥遷徙路線的可持續(xù)性主要圍繞以保護(hù)濕地這一土地利用類型為目標(biāo)的政策調(diào)整，而忽略了對決定湖泊濕地生態(tài)功能的關(guān)鍵水文過程的影響評價，如洪水發(fā)生的時機(jī)、范圍、強(qiáng)度、頻率、歷時以及漲退水速率等. 基于湖泊濕地關(guān)鍵水文過程，綜合考慮水鳥覓食場所的可用性和棲息場所的安全性，才能為水鳥提供最佳的生境條件.