随着联合国千年生态系统服务评估(MEA)成果的发布^{[1, 2, 3, 4, 5]},生态系统服务科学已经成为21世纪生态学研究的一大热点领域^[6]。MEA将生态系统服务分为四大类,包括支持服务、调节服务、产品提供服务和文化服务。而生态系统的水文服务大致隶属于调节(如水量、水质调节)和供给服务(如淡水供给)。在人口增长、城市化和经济发展对水资源需求不断提高以及气候变化影响的背景下,生态系统的水文服务对于人类社会发展和维持生态安全的作用日益显现,甚至变成稀缺资源而必须加以重点保护和管理。然而,从当前国内外研究文献中看,与生态系统水量调节服务相关的概念主要有两个,即水源涵养和水文调节。笔者于2014年3月25日分别以生态系统与水源涵养和生态系统与水文调节为关键词组合,在中国知网(http://epub.cnki.net)期刊全文数据库中搜索2000年以来发表文献摘要中出现上述关键词组合的文献数量分别为370篇和31篇；而在篇名中出现上述关键词组合的文献数量仅分别为24篇和1篇。可见,国内的学术研究中水源涵养比水文调节应用更广泛、认知和接受率更高。但是实际应用中,特别是在针对陆地生态系统的分析,就上述概念的理解也存在不一致性,从而引起了一定的混乱甚至偏颇。

因此,本文面向陆地生态系统,从概念、方法及服务相关性和服务需求的角度对水源涵养和水文调节展开综合分析,以期理顺关系,为陆地生态系统水文服务的研究和管理提供有益参考。人类和地球上其它所有生物的生存都需要水,同时水也是构成生命体的重要物质。生物质中所含的水分约占地球淡水总量的万分之三^[7]。陆地生态系统是陆地上一定范围生物群落及其生存环境之间通过物质循环、能量流动和信息转递等过程综合作用形成的统一体。绿色植被在陆地生态系统中作为初级生产者发挥着关键作用,所以,本文主要参照具有一定植被覆盖的陆地生态系统类型,包括森林、草地、湿地(水体除外)和荒漠等,来展开相关问题的分析和讨论。

尽管生态系统服务的研究从评估、制图到综合模拟等发展都很快,但必须强调生态系统服务产生的基础仍然是生态系统的结构、过程和功能。所以,要想充分解析生态系统服务的复杂性,就需要从根本上强化生态系统服务提供和消费的机理研究(例如,生态系统结构、过程和功能的关系,生态系统服务产生和消费的时空尺度效应等),只有这样,生态系统服务的研究才能成长为一门“脚踏实地”的学问^[8]。实际上,生态系统的结构和过程决定着生态系统的功能表现,其关系客观存在而不以人的意志为转移。然而,生态系统服务是被人类认知,对人类具有使用价值的生态系统功能^[9]。可见,生态系统服务概念具有很强的功利性或人类中心主义色彩。在中文的语境中,水源涵养和水文调节的概念首先是生态系统表现出的一种水文功能,而且长期以来认为它们对于人类具有兴水利、减水害的重要价值。所以,本文分析的基本逻辑是站在生态水文过程和功能的立场上讨论水源涵养和水文调节作为重要生态系统服务的科学内涵、评估方法和相互关系等内容。

涵养,从文字本意的角度考察：涵,《说文》水泽多也；《扬子·方言》,沉也,又容也。养,《玉篇》,育也、畜也、长也；供养也,下奉上也。现代汉语中通常对涵养有两种解释：其一为能控制情绪的修养功夫,其二为蓄积并保持。基于语义的分析不难明确,生态系统的水源涵养(Water retention或Water storage)应该可以表述为：在一定时间和空间范围内,生态系统保持水分的过程和能力。所以,水源涵养概念里边就蕴含了几个关键要素,包括时空尺度、形成机理和定量表达。那么,要清晰刻画生态系统的水源涵养就需要进一步明确生态系统的类型和空间范围(包括水平的和垂直边界),核算的时间(瞬时、分钟、小时、天、旬、月、季、年等),水源涵养的形成过程及定量评估方法。所以,水源涵养是生态系统在一定的时空范围和条件下,将水分保持在系统内的过程和能力,在多种因素的作用下(如生态系统类型、地形、海拔、土壤、气象等)具有复杂性和动态性特征。

水文是自然界中水的各种变化和运动的现象。生态系统的水文调节服务(Water regulation)即可理解为,生态系统对自然界中水的各种运动变化所发挥的作用,表现为通过生态系统对水的利用、滤过等影响和作用以后,水在时间、空间、数量等方面发生变化的现象和过程。所以,生态系统的水文调节服务就是生态系统对水的运动变化施加这些影响和作用的过程和能力,具体可以通过水在时间、空间、数量等方面发生变化的幅度来表征。可见,水文调节与水源涵养相比,所表达的内容更广泛,是生态系统对水循环的各种影响和作用的总称,从这个意义上说,水源涵养应该是生态系统水文调节服务的一部分。

在垂直方向上,可以对陆地生态系统进行概化(图 1),包括植被层、地被层、土壤层,那么生态系统发生水源涵养和水文调节作用的功能性边界应该是植被冠层顶部和植物根系能够影响到的土壤层(甚至母质)底部。所以,要评估生态系统的水源涵养和水文调节服务,就必须对上述空间层次中水的存量和流量形成的机理和过程进行深入、定量研究。

图 1 陆地生态系统水源涵养和水文调节过程 Fig.1 Hydrological processes for water retention and regulation of terrestrial ecosystems

图选项

针对图 1的水量平衡方程可以简单记作：

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根据前述概念和原理,结合当前水源涵养评估的研究文献分析,认为不管是小尺度监测还是大尺度评估,通过储水量法来求取部分或全部Q_e都是较为严谨和明确的方法^{[10, 11, 12, 13, 14, 15]}。比较理想的方法是同时考虑生态系统的所有储水层次,即所谓综合储水量法^{[15, 16, 17]}。但是,究其细节,各个储水分量中还有一些具体问题值得进一步推敲和深入研究,主要包括：(1)植被截留降水的观测或评估,基本上是一定监测或评估时段的平均概念,甚至简单认为就是多年平均的概念；(2)不论是枯落物还是土壤的蓄水,通常都监测的是最大值,也就是其持水能力、而不是现实的自然蓄水量,因此也就不能深入了解降水、截留、拦蓄等动态过程信息,从而不利于揭示生态系统水源涵养的动态过程和科学机理。以土壤水分为例,实际上土壤水分在降水随机脉冲过程驱动下表现出来的是相应的脉冲-衰减等阶段构成的非线性动态过程^[18]。并且,土壤的蓄水能力也存在一系列的阈值特征^[19],主要包括凋萎含水量、田间持水量、饱和含水量等,小于凋萎含水量的部分对植物生长无效,而大于田间持水量的部分不稳定性增强,在重力作用下向外输出,形成对地下水或径流的补给。所以,瞬时观测到的蓄水量与长期稳定的蓄水量会存在很大差异,在研究和评估水源涵养问题时,必须关注时间动态性及相关影响因素的作用,才有助于更好地揭示科学机理,提高评估的可靠性。

从概念和公式(1)可知,生态系统对降水-径流过程的所有影响都可以称为水文调节,例如降水-径流关系、径流过程的延迟、流域蓄渗能力等^[20]。事实上,当前的研究中也主要是基于水量平衡原理来定量分析和评估生态系统的水文调节作用。国内外文献中最常见的就是通过降水量减去蒸散量来推求栅格和区域尺度地表最大潜在可利用水量^{[21, 22, 23, 24, 25]}的水文调节能力评估方法。

另外一类主要方法是基于模型来模拟和预测不同尺度上生态系统水文调节的各个分量,其中最常见的为SWAT模型。例如,Notter等^[26]采用SWAT模型并在校准和不确定性评价中辅以连续不确定性拟合模型(Sequential Uncertainty Fitting: SUFI-2),定量评估了坦桑尼亚和肯尼亚Pangani流域(4.3万km²)的生态系统水资源供给服务,结果表明流域的总体供水能力比较低,并且具有很高的空间变异性；平均状况看,在95%保证率下生活、养殖和工业用水供给只有86—105 L 人^-1 d^-1,可以保证每户1.2—1.5 hm²生长期3—6月的大田作物生产需求(75%可靠性水平),生长期更长在6月以上的经济作物生产只能满足每户0.2—0.5 hm²的用水需求。Glavan等^[27]基于SWAT模型模拟和评估了200a来斯洛文尼亚地中海地区两个流域(Reka和Dragonja)土地利用对绿水(降水入渗并存储在土壤根层中的水量,通过蒸散支持植物的初级生产)、蓝水(超过土壤入渗和存储能力的降水对地表水或地下水形成补给的水量)流量及为人类供水储量的影响,结果表明土地利用变化对总水量和绿水量没有显著影响,而对季节的流量分配影响显著；在Reka流域,森林比例减少和草地及葡萄园的增加,对春夏两季的蓝水和绿水流量影响明显；在Dragonja流域,耕地减少和森林增加导致夏季绿水流量减少而蓝水流量增加。SWAT模型实际上是一个综合性的半分布式模型,可以加深对整个流域水文过程及其影响因素(植被、土壤、地下水状况等)的理解,从而达到对径流、基流、土壤水、蒸散等水文过程参量的高精度模拟和预测^{[28, 29]}。

水是生命之源,也是不同尺度上生态系统生物地球化学循环的重要驱动力和载体。而水在不同尺度生态系统中运移、转换的过程中产生着多种生态系统服务效应,它们之间有着复杂的相互作用关系。从水源涵养和水文调节来说,最大水源涵养量中可能会有一部分向径流和地下水转换,从而可以对下游产生淡水供给、径流调节等服务；稳定水源涵养量(如小于等于田间持水量的部分)主要用于植物生长发育的消耗(与绿水相当),从而发挥固碳释氧、小气候调节、生物多样性维持、生物质生产、甚至文化服务等效应,但是无法直接形成对人类社会有意义的水资源供给服务。所以,水源涵养与水文调节在形式上表现为先后隶属关系,而在生态系统服务提供上,则表现为权衡与协同并存的关系。所谓权衡,即生态系统在增加某种服务供给时,相应地削弱其它生态系统服务提供能力的现象^[30],协同就是生态系统在增加某种服务供给时也会同时增加对其它服务的供给。

可见,生态系统水源涵养能力强了(绿水增加),其水文调节作用相应提高,但并不意味着生态系统对人类的淡水供给能力增强,反而可能会降低生态系统对下游的淡水供给能力(蓝水减少)。全球范围内,这种现象已经得到大量研究的支持。Yu等在六盘山的研究表明,森林恢复和重建会减少径流,而且土层厚度在70 cm以内,随着土层增厚,减流效应增加^[31]。印度的一项研究也一定程度上证实了“入渗-蒸散权衡假说”,通过对热带天然常绿林、稀树草原(常绿林退化形成)、外来树种种植园三种覆盖类型的集水区对比观测分析表明,不同覆盖类型的降水入渗能力在权衡关系中居主导地位,决定着对地下水补给、枯水流量和干季流量^[32]。新西兰全国尺度的研究表明,新建森林能够减少30%—50%的径流,从而在流域尺度上抵消固碳和土壤保持增加的效益^[33]；新西兰另一项集成性研究表明,健康的本地草原与其它生态系统类型相比产水量最大,22a的对比流域实验显示人工森林恢复流域(1982年在310 hm²流域的67%栽植松树)与天然草原为主的流域(218 hm²)相比可以减少年径流的41%,两个流域产水量差异随恢复时间延长而增大,南非在降水量1200 mm区域的研究也有类似的趋势^[34]。在巴西的研究显示,宏观尺度上需要考虑气象气候条件的限制,人工林的生长主要取决于水资源条件,所以树种选择及相应管理对于节水非常重要；中观尺度上天然林的比例在减少和调控水资源利用上发挥着重要作用^[35]。美国的大尺度研究显示,流域尺度水文分解模型(Hydrological partitioning)可以区分降水中潜在和实际被植被利用部分的比例、能够体现植被水分限制和能量限制下的生态水文过程、以及植被对干旱响应的差异性,从而对小尺度观测结果向较宏观尺度的推绎,以及量化生态水文过程对植被和气候变化的响应有重要意义^[36]。

水源涵养和水文调节是生态系统休戚相关的水文服务,既有区别又有紧密联系,必须从降水-径流过程的角度加以甄别和深入研究。把水源涵养、水文调节,甚至生态系统养分调节和水质净化等服务类型混为一谈,对于生态水文过程的理解和深入研究,以及生态系统服务的分析都会产生不利影响。总体上,水文调节的概念包容性、客观性、适用性强,可以广泛应用。而水源涵养首先是生态系统的一项重要生态水文功能,在量上类似于“绿水”的概念,如果作为一项生态系统服务的话,人类获得的并不是淡水供给,而是生态系统在绿水支持下的其它产品和服务。所以,水源涵养的概念在使用中就要求更为精确明晰,以更好地开展学术研究并为生态系统保护、恢复和可持续管理实践提供科学基础。

水文调节和水源涵养与水资源安全息息相关,深入理解其变化过程和驱动机制,对于环境变化下的科学决策和有效管理至关重要。过去20年的观测和模型研究揭示了地球系统中存在着关键反馈过程,使得理解气候、土地利用或水管理的单独变化所带来的影响变得非常复杂,因为气候、生态过程、土地利用、水文过程和水资源处于动态相互作用之中,引起水文水资源变化的任何一个过程都可能通过反馈影响到其它过程^[37]。因此,对生态系统水文调节和水源涵养服务的研究还是要从生态水文过程角度把握本质、加以深化,以更好地服务于生态系统管理和水资源安全的维持。为此,加强多尺度生态水文过程的观测与实验仍然是根本立足点^{[38, 39]}。并且也需要更充分考虑生态系统水文调节和水源涵养服务与其它服务之间的权衡、协同关系,以及这些关系随着空间(不同区域、不同空间尺度)、时间(瞬时、日、旬、月、季、年、多年)和受益者的变化(例如,本地还是异地、短期还是长期、林业还是农业等)。