陆地表层系统研究作为地球系统中重要的研究领域,受到地球科学各分支学科的高度重视。传统地理学以还原论的思维方式,对地表环境要素进行分解式研究,力求对单一环境要素进行基于物理机制的精确刻画,对环境空间分异予以静态的描述,对地理过程研究基于点上表达。随着学科发展,人们发现地球表层是一个复杂系统,环境要素存在着本质的内在联系,人类活动已经成为驱动地理过程不可忽视的重要因素。

自20世纪后半叶以来,由水资源短缺引发的生产、生活和生态等问题引起国际社会的高度重视,各国政府和科学界积极开展区域水文过程及其资源环境效应研究,为合理规划和利用水资源提供科学依据。随着涉水问题影响面的扩大和水科学研究的不断深入,研究的重点逐渐转向以流域为单元的生态—水文过程研究,以流域为研究对象的流域科学开始逐渐形成^{[ 1, 2]}。

占全国陆地面积1/3的中国内陆河流域集中分布在西北干旱区,年降水量低于200 mm,水资源量仅占全国的5%；光热条件优越,矿产资源丰富；生态脆弱,荒漠化、盐碱化、沙尘暴等生态环境问题直接威胁着区域可持续发展。为了解决西北地区所面临的日益严峻的生存环境问题,国家[JP2]先后投入巨资进行生态环境治理。据统计,国家在“十五”以来已先后在新疆塔里木河流域、黑河流域、石羊河流域、“三江源”、甘南和青海湖流域投资近400亿元用于生态建设和水资源保护工程。这些重大战略举措急需进一步从科学上加以深入研究,并做出准确的判断。

美国国家科学基金会(NSF)于2000年以来开始实施美国半干旱水文和河岸可持续性计划(Sustainability of Semi arid Hydrology and Riparian Areas, SAHRA)^{[ 3]},以流域为单元重点强调3方面的研究：流域尺度水量平衡、河流系统和集成模拟,水科学研究中的多学科交叉、区域模型集成耦合和流域尺度综合。历经半个多世纪发展的流域管理仍然是出自于经验,以工程管理为主。人类活动正在成为或已成为驱动水循环、水平衡的主要动力,正确认识和评价人类活动对流域水循环的影响是流域水文科学发展中的新课题^{[ 4, 5]}。

生态水文学研究中必须要解决水文尺度和生态尺度在空间域上的对应问题。景观格局和生态—水文过程的尺度推绎同样存在困难。生态—水文过程驱动机制随尺度变动发生质变。目前该方面的工作仍然停留在对蒸散的研究^{[ 6, 7]}。同时,由于流域水文变量的时空变异大、资料缺乏以及多尺度水文过程并存,流域水文模拟、数字流域成为解决、理解和认识流域水文过程和水资源形成过程的主要手段^{[ 8, 9, 10]}。

内陆干旱区植物长期适应干旱环境形成了独特的生理生态功能以便高效利用水分^{[ 11, 12, 13, 14]}。生态过程和水文过程控制着干旱区植被格局,Ludiwig等^{[ 15]}很好地解释了干旱区水文控制的生态格局的形成过程。生态学的中性理论^{[ 16]}认为群落中植物种的扩散特性决定了群落和生态系统的空间分布格局,这对传统生态位理论^{[ 17]}来说是个极大的挑战^{[ 18]}。

地表过程的定量科学实验推动了地球系统科学的快速发展,许多观测实验甚至成为一个阶段科学认识和研究方法进步的里程碑^{[ 19]}。观测体系的贫乏、数据标准及其质量控制、模型平台的不足限制了生态—水文过程理解、耦合机制、尺度转化等基础研究的深入乃至成为流域科学发展的瓶颈。美国CLEANER(Committee on Collaborative Large Scale Engineering Analysis Network for Environmental Research)科学计划强调“我们还不明确如何设计最优观测站网和实施具体观测内容；我们还缺乏对水文和生物地球化学过程在流域尺度或更大尺度上进行空间和时间综合观测的能力”^{[ 20]}。

通过建立联结观测、实验、模拟、情景分析以及决策支持等环节的“以水为中心的生态—水文过程集成研究平台”,揭示植物个体、群落、生态系统、景观、流域等尺度的生态—水文过程相互作用规律,刻画气候变化和人类活动影响下内陆河流域生态—水文过程机理,发展生态—水文过程尺度转换方法,建立耦合生态、水文和社会经济的流域集成模型,提升对内陆河流域水资源形成及其转化机制的认知水平和可持续性的调控能力,使我国流域生态水文研究进入国际先进行列。

陆地表层系统研究作为地球系统中重要的研究领域,受到地球科学各分支学科的高度重视。黑河计划以我国黑河流域为典型研究区,从系统思路出发,探讨我国干旱区内陆河流域生态—水—经济的相互联系。通过黑河流域生态—水文过程集成研究,建立我国内陆河流域科学观测—试验、数据—模拟研究平台,认识内陆河流域生态系统与水文系统相互作用的过程和机理,提高内陆河流域水文—生态—经济系统演变的综合分析与预测预报能力,为国家内陆河流域水安全、生态安全以及经济的可持续发展提供基础理论和科技支撑。

(1) 干旱环境下植物水分利用效率及其对水分胁迫的适应机制：通过对该问题的探讨,进一步认识干旱区植物在长期适应干旱环境的演化过程中形成的独特的水分利用方式,了解不同空间尺度水分循环特征,分析植物个体、 种群、群落、生态系统水分利用过程以及植物对水分胁迫的适应机制。

(2) 地表—地下水相互作用机理及其生态水文效应：通过对该问题的探讨,了解地表水与地下水的循环规律、交换过程和水质演化过程,认识干旱区水文和水资源、水环境的基本特征,以及对区域生态过程的影响。

(3) 不同尺度生态—水文过程机理与尺度转换方法：通过对该问题的探讨,进一步理解干旱区内陆河流域水文空间格局与植被格局的相互作用关系,认识不同空间尺度生态—水文过程相互作用机理,发展和完善尺度转换技术和方法。

(4) 气候变化和人类活动影响下流域生态—水文过程的响应机制：通过对该问题的探讨,认识人类活动的历史演变过程、空间作用方式及强度,发展人文因素空间参数化方法,建立流域生态—水文—经济耦合模型。

(5) 流域综合观测试验、数据—模拟技术与方法集成：通过对该问题的探讨,形成流域尺度意义上的集成观测、试验、数据、模拟研究平台,完善流域整体概念的野外观测试验研究网络,形成以流域为单元、科学问题为导向的生态—水文过程的数据—模拟研究平台。

黑河计划布设了流域生态水文调查样带,建成具有查询功能的数据库,为流域制图和生态水文耦合集成模型提供数据支持,共调查植被样方620个,土壤剖面594个,获取土壤样品1 675个,水文参数1 666个,地下水观测井134个。形成了黑河流域2 399个生态水文实验监测点,已获取8 493样品/参数。初步构建了复杂土壤景观区域的数字土壤制图方法体系,初步完成了覆盖全流域的较高分辨率(上中游90 m,下游250 m)的部分关键土壤水文属性制图。

开展了“黑河流域生态—水文过程综合遥感观测试验”,在中游试验区,建立了国际领先的通量观测矩阵和密集的生态水文无线传感器网络^{[ 21, 22]}。搭载激光雷达、光学—近红外—热红外波段成像光谱仪、多角度热红外成像仪、微波辐射计,获取了一套超高分辨率遥感数据。发展了针对中游核心试验区及黑河计划上游核心试验小流域的DEM产品(1 m分辨率),以及试验区土壤水分、叶面积指数、作物高度、反照率、地表温度等重要生态水文变量的产品^{[ 23, 24]}；初步完成了全流域土地覆被、生态系统生产力和积雪遥感产品,服务于流域生态—水文集成研究。

实现了黑河计划数据汇交系统,引导黑河项目汇交科学数据,并以高质量元数据为基础,实现了保护科学数据提供者权益并尽量简化用户申请数据流程的高效科学数据共享平台。数据库已整理数据5.7 TB,经过多轮评审的高质量ISO19115标准元数据320条,注册科学数据的DOI约460条。截至2013年7月,已为41个计划内项目提供了253人次数据服务,数据服务量为6 940 GB,为计划外用户提供了3 163人次数据服务,数据服务量为27 TB。基本完成流域生态—水文综合制图。

(1) 通过对冰冻圈水文过程的研究,揭示出祁连山高寒区是黑河水资源形成的主要区域。[HTSS]改进了冰冻圈水文预测方法,构建了适用于黑河流域小型山地冰川水文动力学的物理模型系统^{[ 25]}；查明黑河流域共有冰川428条,在过去40年间总面积缩小了29.6%,在IPCC AR4的情景下,所有冰川面积的90%将在2040年以前消失^{[ 26]}。查明了流域冻土时空分布特征及其退化速率,绘制了流域冻土平均月分布图,多年冻土占流域面积的15%。降雨同位素在祁连山存在显著的高程效应, δD减少1.78%/100 m,冰雪融水主要源自冬季积雪^{[ 27]}。小流域2009—2012年实验证实：高山寒漠年均径流深560 mm,径流系数0.84；高寒草甸年均径流深82.3 mm,径流系数仅为0.17；平缓高寒草原区蒸散发/降水比例约为99%。

(2) 首次形成了黑河关键地区水循环系统的基本认识,极大地推动了流域尺度水系统集成。首次开展了马鬃山无资料区基岩裂隙水系统水循环过程研究,基本回答了马鬃山作为黑河的一大子流域与东、南部平原区水力联系的科学问题。区内地下水补给量约为1.2亿m³/a,其中90%以上来自沟谷洪流渗漏补给；山区洪流对东部平原区补给量为280万m³/a,山区地下水对东部平原区地下水侧向补给量约为1 000万m³/a。首次确认巴丹吉林沙漠作为黑河流域的一大子流域,巴丹吉林沙漠下部是具有2个中生代凹陷、被第三系—第四系沉积物覆盖的复合型地下水盆地,其水分主要来源于本地及附近山前地带降水^{[ 28]},沙漠中的地下水补给下游的额济纳旗盆地0.1亿～0.7亿m³/a。首次揭示了黑河干流河道地表水—地下水频繁交换的时空细微结构,利用河道光纤测温新技术和机载热红外温度数据揭示了河道地表水—地下水交换的强度及时空变化,完成黑河中游张掖盆地地下水模型构建与校正。

(3) 系统认识了青海云杉林的空间格局与水文过程影响。青海云杉林是黑河上游最重要的林种,上游山区总面积为26 624.2 km²,其中森林仅占2.6%,集中分布在海拔2 400～3 400 m的地区,青海云杉林的面积及蓄积量占全部森林的79.6%和91.2%。基于多年观测,计算了排露沟小流域青海云杉林的年水量平衡。以海拔2 700 m处2003—2008年的年均降水量407.1 mm为基准,在考虑降水海拔差异后,排露沟年降水量估计为460 mm^{[ 29]}。对整个小流域的青海云杉林而言,年降水量中用于蒸散的比例高达97.5%(林冠截持33.2%、林木蒸腾34.6%、林地蒸发29.7%),仅余2.5%可能形成壤中流、深层基流或存储在土壤中^{[ 30]}。以2 900 m海拔为界,以下几无径流产生,随海拔升高开始出现产流,且逐渐增大。

(4) 查明了中游绿洲农田、林地与荒漠之间土壤水分相互交换关系^{[ 31]}。农田和林地土壤含水量的波动受灌溉和地下水影响,荒漠土壤含水量波动受降雨和地下水影响。农田灌溉后水分会侧渗至林地内1.25 m处,林地灌水可增加农田6 m内的深层土壤含水量,而对荒漠土壤水分无明显影响。农田和林地存在一定的水分交换,主要是防护林从农田吸取水分,而林地和荒漠间水文联系不明显。农田灌溉水的横向运动是林地的重要水源,而荒漠植物主要依靠天然降水。渠床土壤压实可减少渠道渗漏损失达50%,新垦沙质农田深层渗漏量为灌溉水量的30%～50%^{[ 32]}；发育良好的老绿洲灌漠土,深层渗漏仅为灌溉水量的15%左右。节水灌溉下,深层渗漏量很少。

通过对盈科灌区的农业生态—水文过程的耦合模拟,表明该灌区现状农田灌溉水利用效率较低,主要因为现状灌溉条件下灌水量的18%～39%为深层渗漏而未被有效利用。在不影响灌区产量及水分利用效率的情况下,将现有农田灌水量削减10%～40%,可将深层渗漏减小17%～63%,进而可有效提高灌区的农业用水效率^{[ 32, 33]}。

(5) 揭示了河岸林和荒漠植被对水分胁迫的多尺度响应机制,建立了胸径与边材面积的关系模型,边材面积的生长模型,实现了耗水的时空尺度扩展。基于稳定同位素方法,确定了胡杨的水分利用来源为地下水和土壤水,并且随地下水位埋深的增加,胡杨的用水从单一层次的土壤水转为吸收2 m以下的多层土壤水和地下水。证实了荒漠河岸胡杨和柽柳存在水力再分配过程,胡杨的根系水力提升大小在0.16～0.26 mm/d之间变化,平均为0.21 mm/d；柽柳根系水力提升大小在0.14～1.02 mm/d之间变化,平均为0.48 mm/d^{[ 34, 35]}。利用土壤水分计算出荒漠河岸林水力提升量为1.43 mm/d,约占生长季蒸散量的22%。

(1) 构建了上游分布式生态水文模型和集总式生态水文模型。[HTSS]主要特点包括：①采用基于流域地貌和植被格局的空间离散化方法；②以山坡为生态水文过程的基本模拟单元,根据自然河网结构模拟流域汇流过程；③耦合了冰冻圈水文过程、植被动态生长过程和产汇流过程。集总式生态水文模型的主要特点包括：采用基于Budyko假设的流域水热耦合平衡方程,在反映流域下垫面条件的参数中描述植被特征对流域水量平衡的影响。通过集总式与分布式模型的对比,提升对变化环境下流域生态水文响应的分析和预测能力。确定了10 km²为识别子流域的最小面积阈值,提出了流域→子流域→1 km²网格→山坡单元的流域空间离散化方法,将上游共划分为461个子流域和5级河道。模型输入的气象强迫采用1 km²空间分辨率的逐日数据,输出同样空间分辨率的水、热通量和土壤水分等状态变量。

(2) 初步构建了黑河中下游流域尺度地下水—地表水—生态过程耦合模型(HEIFLOW)。模型特色是：①基于物理过程的分布式三维数值模型；②详细描述流域内的产汇流过程,即河流渠道流、二维陆面径流、三维饱和—非饱和带地下水流；③考虑三维热量传输和溶质迁移；④包含体现区域特点的农田生态系统模块和荒漠植被生态系统模块；⑤考虑人类活动对区域水循环的影响。基于流域1∶ [KG-*2]20万水文地质图,结合钻孔资料和地质剖面,首次建立了黑河流域三维水文地质结构模型,并详细刻画了含水层/弱透水层的水文地质参数分布。初步开发了一个耦合模拟植物生长、冠层水热传输以及土壤中水分运动过程的模块,可动态计算农作物的需水量和耗水过程。初步的年均计算表明,中下游降水量约为85 mm；蒸散发量约为134.5 mm；祁连山区地表水流入中游为36.4亿m³；地下水流入量为5.3亿m³,河道补给地下水约11.2亿m³；地下水补给河道9.5亿m³；地下水储量减少约3亿m³。

(1) 通过对黑河下游额济纳绿洲地下水位时空动态变化过程、天然植被耗水过程和绿洲生态水文过程的关系研究,计算了不同群落、不同地下水位埋深的植物蒸散发,估算出下游额济纳绿洲现状年(2008年)的生态总需水量为5.47亿～5.71亿m³,目标年(1987年)生态需水量为7.46亿～7.50亿m³。针对目前黑河分水主要控制年总量导致的分水与下游绿洲需水的时间错位问题,确定了生态需水的关键期,建议在生态关键期保障输送必需的水量,合理调节水库出水量与河道径流量,保障４月和８月关键期的需水量,其中４月至少要保证0.80亿m³的输水量,８月至少要保证1.08亿m³的输水量,确保下游绿洲植被需水。当狼心山过水量为5.69亿m³时,下游可维持绿洲面积3 570 km²左右,现状绿洲面积可有效保存；当狼心山断面流量增至5.93亿m³时,下游绿洲面积可恢复至3 720 km²左右,达到1987年的水平^{[ 36, 37]}。

(2) 在流域尺度上,将水文模型、用水模型与经济模型相耦合,构建了包括蓝水—绿水、实体水—虚拟水的广义水资源综合评价体系。系统阐明了蓝绿水时空分布特征、演变趋势及转化规律,阐述了黑河流域水资源利用的不可持续性,揭示了加强黑河流域绿水资源和虚拟水管理的急迫性。黑河流域年均蓝绿水流之和介于220亿～255亿m³之间,其中绿水约占88％。绿水系数显示出在干旱年(90%)明显高于湿润年(85％)、干旱地区高于湿润地区的规律。2007年黑河流域虚拟水的出口占总水资源消耗量的近1／4,宝贵的水资源用于出口域外的粮食生产^{[ 38, 39]}。因此,进一步优化贸易结构,减少虚拟水出口,对于实现黑河流域水资源管理具有重要的现实意义。