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我国地域辽阔,地理、气候等自然环境复杂,水资源相对不足且时空分布不均,很多地区生态系统脆弱。相当长时间内,我国的经济增长方式粗放,资源利用效率低下,导致生态环境恶化、水土流失加剧、生物多样性锐减。生态水文学是20世纪90年代兴起的水文学和生态学交叉学科,在解决实际问题过程中已凸显出巨大作用,成为近些年来国内外的研究热点。尽管在理论和实践中己取得了丰硕的成果,但作为一门新兴学科,生态水文学还有很多方面值得进一步深入研究。区域生态水文的特征如何表述,流域生态水文的过程如何再现,生态特征和水文要素之间的关系如何定性,不同外部环境条件对生态水文的过程如何影响等等,在生态水文学研究中都具有十分重要的意义。
本文以位于福建省泉州市的晋江流域为研究区,围绕生态特征和水文要素两条主线,以乡镇级行政区为基本单元进行了区域生态水文区划,以子流域为基本单元进行了流域生态水文过程模拟,将区域的生态特征与流域的水文要素相结合,探讨生态特征与水文要素之间的相互关系,最后研究了气候变化和人类活动情景下的生态水文响应。全文共六章,第一章为绪论,综述生态水文学的发展背景和生态水文过程研究的进展;第二章在确立生态水文区域指标体系和构建生态水文区划模型的基础上,将研究区划分为具有区域特征的生态水文区,为生态水文特征研究奠定重要基础和技术支撑;第三章基于SWAT模型构建流域生态水文过程模型,经过对模型的率定和验证,模拟研究区的生态水文过程,研究与生态水文过程相关的水文要素时空分布与变化规律;第四章对各生态水文区景观生态特征和水文要素分布特征进行分析,探讨生态特征和水文要素之间的关系;第五章结合气候变化和人类活动对生态水文过程的影响分析,研究不同降水、气温、土地利用和取用水情景下的生态水文响应;第六章对本文研究进行总结和展望。通过上述研究,得到以下主要结论:
(1)建立了研究区生态水文区划指标体系和模型,以68个乡镇级行政区为基本单元,完成了晋江金鸡闸以上流域的生态水文区划,研究区共划分为4种生态水文区,即低林地覆盖高强度活动生态水文区(1区)、中低林地覆盖强度活动生态水文区(2区)、中高林地覆盖中度活动生态水文区(3区)、高林地覆盖轻度活动生态水文区(4区)。
(2)对比各生态水文区的水文过程要素发现:各种生态水文区的实际蒸散发、土壤水含量、产流深变化趋势基本一致,但在量值上有一定差别。1区的实际蒸散发最高、土壤水含量和产流深最低,4区完全相反,2区、3区介于中间,属于过度区。1区降水量低,持水性较差的红壤分布广,土壤水含量总体最低;在降水量低的同时,高比例的农田,进一步降低了1区的产流效率,扩大了与其它区产流深的差距,尤其在枯水期;同时,1区人类活动显著,存在大面积水田,温度相对较高,农作物生长旺盛,蒸腾作用显著,实际蒸散发最高。4区降水量高,林地、草地有利于水分保持,土壤的蓄水持水性能较好,土壤水含量总体最高;整个研究区降水量对产流深起主导作用的特性,使得4区产流量也最高;由于4区处于山区,林地、草地比例高,温度相对较低,蒸散发处于较低水平,实际蒸散发最低。
(3)各生态水文区景观类型水平和景观水平上的植被分析表明:1区景观生态指标显示该区受人类活动影响显著、指标覆盖度低、斑块破碎化程度高、水田连通性好,各类型斑块在景观中分布均衡、无明显优势斑块类型,完全表现出其低林地覆盖高强度活动生态水文区的特性;4区景观生态指标显示该区受人类活动影响微弱、植被覆盖率高、斑块破碎化程度低,存在大面积林地斑块、斑块优势度明显,完全表现出其高林地覆盖轻度活动生态水文区的特征;2区和3区的特征介于1区和4区之间,2区是1区的过渡阶段,3区是4区的过渡阶段。各生态水文区景观指标值与区域特征基本一致。
(4)景观生态指标和水文过程要素具有紧密的相互关系。各生态水文区生态指标和水文要素的关联度分析结果表明:与降水量关系最密切的景观生态指标为平均最近距离ENN MN,与实际蒸散发最密切的为香浓多样性指数SHDI,与土壤水含量和产流深最密切的均为斑块结合度指数COHESION。进一步分析生态指标和水文要素间的定量关系,对各子流域水文要素与其最密切的生态指标进行回归分析,相关系数在0.6以上;对各生态水文区水文要素与其最密切的生态指标进行回归分析,相关系数在0.8以上。子流域层面和生态水文区层面的定量研究均表明:降水量大的地区(生态水文区或子流域)ENN MN值高,实际蒸散发高的地区SHDI值大,土壤水含量、产流深高的地区COHESION值高。
(5)对不同气候变化、土地利用和取用水情景下的生态水文响应研究表明:径流量、产流深对降水变化的响应大于气温,实际蒸散发、土壤水含量对气温变化的响应大于降水;退耕还林还草都具有减少径流的效应,退耕还林较还草对径流的影响显著;退耕还林还草后,景观生态指标的变化和水文要素的变化对应关系符合(4)中的结论;随着取用水量的增加,年均径流量不断减少,采用地下水可缓解径流的减少量,但效果不显著。