氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)流域水文恢復(fù)力影響的研究進(jìn)展

孫美榮，孫鵬森，張明芳，劉世榮

(1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護(hù)研究所，國(guó)家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；2.電子科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，成都 611731)

全球氣溫上升導(dǎo)致水文循環(huán)加劇，水資源分配不平衡，降水空間格局發(fā)生改變，洪水和干旱等極端水文現(xiàn)象增加，使得本來(lái)較濕潤(rùn)的地區(qū)降水量增加，變得更加濕潤(rùn)，容易產(chǎn)生洪澇災(zāi)害，也使一些干燥區(qū)域由于蒸散量增加而變得更加干燥，增加干旱發(fā)生的頻率和嚴(yán)重程度。加劇的氣候變化又導(dǎo)致森林抗性降低，易受到野火、昆蟲(chóng)和疾病的干擾，并最終改變森林的組成和結(jié)構(gòu)，進(jìn)而引起森林水碳平衡的變化。氣候變化不僅通過(guò)改變水文輸入(降水和潛在蒸發(fā)量等)來(lái)影響水文循環(huán)，而且還通過(guò)改變流域特征(土壤有機(jī)質(zhì)、植被組成和結(jié)構(gòu)等)來(lái)影響水文過(guò)程。對(duì)生態(tài)系統(tǒng)而言，干旱是一種重要的干擾事件，特別是在全球植被活動(dòng)上升的總體趨勢(shì)下，干旱是制約生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素，它會(huì)降低植被生產(chǎn)力并導(dǎo)致大量的植被枯死，進(jìn)而對(duì)水循環(huán)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。為了解釋不同生態(tài)系統(tǒng)在這些干擾面前表現(xiàn)出的抵抗和恢復(fù)能力，許多研究都引入水文恢復(fù)力這一指標(biāo)來(lái)量化這種能力，并對(duì)引起水文恢復(fù)力變化的外界驅(qū)動(dòng)力、流域和生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)機(jī)理之間的關(guān)系進(jìn)行探究，水文恢復(fù)力已經(jīng)成為流域保護(hù)和管理中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，研究在氣候變化尤其是干旱影響下流域的水文恢復(fù)力對(duì)于維持流域穩(wěn)定性具有重要意義。

人類活動(dòng)(如農(nóng)業(yè)管理、造林、伐林等)改變了土地利用方式和原始的森林植被結(jié)構(gòu)，對(duì)流域水文恢復(fù)力產(chǎn)生重要影響。有研究表明，造林使得森林植被結(jié)構(gòu)變得單一，且水分需求增加，很多流域出現(xiàn)徑流下降的趨勢(shì)，尤其在干旱地區(qū)，例如，黃土高原的植被恢復(fù)工程在改善土地退化、降低地表溫度和促進(jìn)固碳方面取得成效的同時(shí)，也使水資源的供給接近極限，這些地區(qū)的植被恢復(fù)在生態(tài)系統(tǒng)和人類之間造成潛在的水資源需求沖突，并且由于植被恢復(fù)工程中采用的種植材料、植被類型、年齡結(jié)構(gòu)等與天然植被存在較大差異，更兼人工林的不同生長(zhǎng)速度、采伐方式與強(qiáng)度等也使得植被結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，這改變了區(qū)域植被的水文恢復(fù)力與水碳平衡關(guān)系。

綜上所述，氣候變化、人類活動(dòng)、植被結(jié)構(gòu)是影響水文恢復(fù)力的關(guān)鍵因素。因此，水文恢復(fù)力產(chǎn)生和維持的生態(tài)學(xué)機(jī)制是什么？什么樣的植被結(jié)構(gòu)具有更高的水文恢復(fù)力且適應(yīng)未來(lái)氣候變化？這是流域和森林管理者需要考慮的問(wèn)題，也是本論文所要重點(diǎn)闡述的科學(xué)問(wèn)題。研究氣候變化和人類活動(dòng)背景下的森林水文響應(yīng)和恢復(fù)能力，一方面可以為流域水資源長(zhǎng)期管理策略的規(guī)劃提供信息，以便政府和有關(guān)部門(mén)更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)未來(lái)的水供應(yīng)，實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用；另一方面，也可以為森林經(jīng)營(yíng)管理指明方向，為森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造及森林質(zhì)量精準(zhǔn)提升提供理論支持。

1 水文恢復(fù)力概念的發(fā)展

Holling1973年首先在環(huán)境研究中提出恢復(fù)力的概念(或稱韌性)，并在過(guò)去幾十年中廣泛應(yīng)用于陸地生態(tài)系統(tǒng)，在1996年區(qū)分了工程恢復(fù)力和生態(tài)恢復(fù)力的概念。工程恢復(fù)力表明一個(gè)系統(tǒng)可能只存在一個(gè)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，為了量化這個(gè)系統(tǒng)的恢復(fù)力，必須確定其對(duì)變化的抵抗力和返回平衡狀態(tài)所需的時(shí)間；生態(tài)恢復(fù)力則表明一個(gè)系統(tǒng)可以存在多個(gè)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，恢復(fù)力被量化為生態(tài)系統(tǒng)從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之前可以吸收的變化量，這意味著系統(tǒng)可以在2個(gè)或多個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移。Walker等將陸地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力定義為生態(tài)系統(tǒng)在不斷變化的環(huán)境中吸收來(lái)自氣候變化(如干旱)的干擾，并維持或恢復(fù)其結(jié)構(gòu)和功能的能力。

近年來(lái)，流域科學(xué)家開(kāi)始將恢復(fù)力概念應(yīng)用到水文科學(xué)中。Gerten等將水文恢復(fù)力定義為流域吸收變化并保持或快速恢復(fù)水文功能的能力。水文恢復(fù)力比生態(tài)恢復(fù)力更適合于探索氣候變化對(duì)集水區(qū)產(chǎn)水量的影響，其對(duì)應(yīng)的集水區(qū)是指在不斷變化的環(huán)境條件下具有穩(wěn)定和可預(yù)測(cè)水量的集水區(qū)。

Budyko提出了一種曲線關(guān)系來(lái)描述氣候、植被和水文的相互作用關(guān)系，通常稱之為Budyko曲線，該曲線將蒸散量、產(chǎn)水量、降水量及能量相關(guān)聯(lián)，在研究和量化氣候變化對(duì)水文的影響方面具有巨大的潛力，它描述了在能量和水分限制條件下生態(tài)系統(tǒng)中的蒸散指數(shù)()和干燥指數(shù)()之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。Creed等基于Budyko曲線，提出了利用動(dòng)態(tài)偏差()和彈性()這2個(gè)指標(biāo)來(lái)量化氣候變化后森林集水區(qū)的水文恢復(fù)能力。是一個(gè)衡量流域蒸散指數(shù)隨氣候變化而相對(duì)于Budyko曲線變化量的指標(biāo)；是衡量一個(gè)集水區(qū)在氣候變化時(shí)其水分分配與Budyko曲線保持一致的能力，定義為的變化幅度與殘差的變化幅度值的比值。如果一個(gè)森林流域水文恢復(fù)力較差，不僅表明流域水文功能穩(wěn)定性差，也意味著流域的植被結(jié)構(gòu)易于從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)。

綜上所述，水文恢復(fù)力是生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的一部分，是衡量植被遭受干擾后恢復(fù)其正常水文功能的能力。由于它自身是生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力的一部分，與生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系，水文恢復(fù)力高的生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)水碳平衡的能力強(qiáng)，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能也都趨于穩(wěn)定；水文恢復(fù)力低的生態(tài)系統(tǒng)易受干旱等水分脅迫影響，進(jìn)而抑制植被生長(zhǎng)，易遭受植被退化和生物入侵，以及病蟲(chóng)害、火災(zāi)等影響。但是，水文功能的恢復(fù)不代表生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全恢復(fù)，例如，有研究表明，川西亞高山原始林采伐后，流域產(chǎn)水量先是增加，然后逐漸恢復(fù)至正常水平，恢復(fù)周期大概需要20年，但這樣短的時(shí)間不可能恢復(fù)到原始植被結(jié)構(gòu)，在土壤結(jié)構(gòu)等未遭受重大破壞的情況下，采伐后一些水文功能指標(biāo)的恢復(fù)可能要先于植被恢復(fù)。因此，從這個(gè)意義上看，基于Budyko曲線的彈性計(jì)算方法計(jì)算的水文恢復(fù)力，也存在一定的局限性，因?yàn)閷?duì)于仍處于演變中的非穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)，其參照曲線也是變化的。因此，基于非穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的水文恢復(fù)力計(jì)算方式應(yīng)是今后有趣的探索方向。

2 水文恢復(fù)力的主要計(jì)算方法

2.1 利用水分利用效率計(jì)算水文恢復(fù)力

在過(guò)去幾十年中，陸地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候干擾的恢復(fù)力(或稱韌性)已有一些研究，例如，Sharma等提出用一個(gè)無(wú)量綱彈性指數(shù)()來(lái)分析生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)水文過(guò)程應(yīng)對(duì)干旱干擾的恢復(fù)能力。該彈性指數(shù)()被定義為最干旱年份的水分利用效率(WUE)與年平均水分利用效率(WUE)的比值。它是指生態(tài)系統(tǒng)在水文氣候干擾面前維持其結(jié)構(gòu)和功能，以及在受到干擾后恢復(fù)原來(lái)功能的能力。在水分限制條件下，生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)維持或增加水分利用效率來(lái)維持其生產(chǎn)力，用公式表示為：

(1)

可以分為4類：≥1的系統(tǒng)都被稱為是有彈性的，意味著盡管有干旱等因素干擾，生態(tài)系統(tǒng)仍然可以通過(guò)增加水分利用效率來(lái)維持其生產(chǎn)力；如果0.9≤<1，生態(tài)系統(tǒng)被認(rèn)為略微沒(méi)有彈性；如果0.8≤<0.9，生態(tài)系統(tǒng)被認(rèn)為是中等的非彈性；如果<0.8，生態(tài)系統(tǒng)被認(rèn)為是嚴(yán)重非彈性，該方法可以用于評(píng)估水分限制條件下生態(tài)系統(tǒng)的水文恢復(fù)力。從本質(zhì)上講，水分利用效率是一個(gè)生理指標(biāo)，描述了植被水碳關(guān)系之間的平衡，解釋了水文恢復(fù)力發(fā)揮作用的內(nèi)在原因。

2.2 利用Budyko框架計(jì)算水文恢復(fù)力

Budyko框架是在水分限制和能量限制條件下，基于降水()、潛在蒸散量(PET)與實(shí)際蒸散量(AET)之間的比率，反映年水量平衡的蒸散指數(shù)()隨干旱指數(shù)()變化的函數(shù)關(guān)系，解釋了降水在徑流和實(shí)際蒸散量之間的分配關(guān)系，說(shuō)明在流域尺度上氣候變化對(duì)水文過(guò)程的影響，水文恢復(fù)力是流域受到擾動(dòng)后仍維持在Budyko曲線附近的能力，適用于流域長(zhǎng)期水平衡的研究。理論上的Budyko曲線說(shuō)明流域水文過(guò)程對(duì)氣候變化的響應(yīng)能力，參數(shù)Budyko方程將流域特征(地形、土壤和植被等)帶入Budyko框架，從而更好地量化不同流域的水文恢復(fù)力，且研究表明，Budyko框架不僅可以應(yīng)用于流域尺度的水文平衡和水文恢復(fù)力研究，而且也可以應(yīng)用于站點(diǎn)尺度上，但Budyko框架適用于描述和理解穩(wěn)態(tài)條件下流域(或生態(tài)系統(tǒng))長(zhǎng)期水量平衡及水文恢復(fù)力的預(yù)期變化。然而，由于流域水系統(tǒng)通常是開(kāi)放的，世界各地的流域?qū)嶋H上受到不同程度的人類干擾。如果將Budyko框架應(yīng)用于不穩(wěn)定狀態(tài)下的區(qū)域，例如，未閉合、土壤水分儲(chǔ)存顯著變化或時(shí)間尺度小于1年的區(qū)域，將面臨巨大的挑戰(zhàn)。Du等建立了1種新的Budyko-Fu模型方程來(lái)解釋在不穩(wěn)定狀態(tài)下極端干旱環(huán)境的區(qū)域水平衡。

Creed等以多年穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)Budyko曲線為基準(zhǔn)，利用偏差(包括動(dòng)態(tài)偏差和靜態(tài)偏差)和彈性這2個(gè)指標(biāo)來(lái)量化氣候變化后森林集水區(qū)的水文恢復(fù)能力，水文恢復(fù)力反映了集水區(qū)適應(yīng)不斷變化的氣候條件的能力，Budyko曲線及Creed提出的水文恢復(fù)力示意見(jiàn)圖1。

注：實(shí)線表示能量和水對(duì)蒸散指數(shù)的限制；虛線表示原始理論Budyko曲線；每個(gè)點(diǎn)表示1個(gè)流域的干燥指數(shù)(DI)和蒸散指數(shù)(EI)值，左側(cè)為冷期，右側(cè)為暖期；s表示靜態(tài)偏差；d表示動(dòng)態(tài)偏差[19,21]。

Budyko曲線及Creed提出的水文恢復(fù)力的參數(shù)計(jì)算公式為：

=AET

(2)

=PET

(3)

=,cool-,cool

(4)

=,warm-,warm-

(5)

=(-)/(,max-,min)

(6)

式中：為蒸散指數(shù)；為干燥指數(shù)；AET為實(shí)際蒸散量；PET為潛在蒸散量；為降水量；為靜態(tài)偏差；為動(dòng)態(tài)偏差；為彈性；,cool為流域在冷期的實(shí)測(cè)蒸散值；,cool為流域在冷期的理論蒸散值；,warm為流域在暖期的實(shí)測(cè)蒸散值；,warm表為流域在暖期的理論蒸散值；和分別為干燥指數(shù)的最大值和最小值；,max和,min分別為蒸散指數(shù)殘差最大值和最小值。

Budyko曲線定義了2個(gè)流域狀態(tài)：<1的值表示潮濕、受能量限制的集水區(qū)；>1的值表示干燥、受水分限制的集水區(qū)。靜態(tài)偏差是由固有的流域特征決定的，假定其隨時(shí)間變化是恒定的，動(dòng)態(tài)偏差是流域隨時(shí)間響應(yīng)氣候變暖的結(jié)果，靜態(tài)偏差是基于冷期來(lái)觀測(cè)的，動(dòng)態(tài)偏差是暖期偏差的一部分，對(duì)靜態(tài)偏差分量進(jìn)行了校正。當(dāng)?shù)淖兓瘜?dǎo)致發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使系統(tǒng)在理論Budyko曲線附近移動(dòng)，此時(shí)，流域產(chǎn)水量與理論預(yù)期一致，表現(xiàn)出高彈性和低偏差；當(dāng)?shù)淖兓瘜?dǎo)致變化較大而使系統(tǒng)偏離理論Budyko曲線時(shí)，即表明其產(chǎn)水量大于或小于理論預(yù)期的預(yù)測(cè)值，表現(xiàn)出低彈性和高偏差。使用=1作為彈性流域與非彈性流域的定義閾值，非彈性狀態(tài)可能導(dǎo)致森林結(jié)構(gòu)和功能的根本變化，并有可能將流域轉(zhuǎn)變?yōu)橛谰眯缘奶娲鸂顟B(tài)。但是該方法提出的計(jì)算指標(biāo)可能更適合相同氣候背景條件下的流域水文恢復(fù)力計(jì)算，這是因?yàn)樵摲椒ㄖ械钠钤诙x時(shí)是假設(shè)由氣候變化引起的冷期和暖期中的變化在不同地點(diǎn)是相同的，但實(shí)際上并非如此，偏差的變化不一定代表流域的抵抗力或者恢復(fù)力變化，也可能是由于背景氣候差異造成的。因此，要了解流域或者生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)，需要一種適用于所有氣候的簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)方法。對(duì)于具有對(duì)比性本底氣候的不同地點(diǎn)或流域，要比較局部氣候?qū)Ρ认铝饔?Δ)和(Δ)的相對(duì)變化，首先應(yīng)該排除由背景氣候(潮濕或干燥)引起的變化。Xue等基于Budyko框架定義了2個(gè)度量流域水文恢復(fù)力的指標(biāo)：耐受性和適應(yīng)性來(lái)評(píng)估亞洲水塔及其周邊流域的水文恢復(fù)力。該方法可以用于氣候條件對(duì)比鮮明的不同流域，計(jì)算過(guò)程為：

對(duì)于不同氣候區(qū)域，的單位變化量引起的Δ可能不同，即Δ在濕潤(rùn)地區(qū)(能量有限)更大，在干燥地區(qū)(降水有限)更小。對(duì)于一個(gè)經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)間干燥/溫暖條件的特定流域，定義耐受性為：

=Δ/Δ

(7)

式中：Δ是在氣候變化之后()和之前()的計(jì)算差值(Δ=-)；(Δ)為Budyko曲線下的預(yù)期差值(Δ=-)。因此，>1時(shí)會(huì)獲得比Budyko曲線預(yù)測(cè)的更多的產(chǎn)水量，<1將損失比預(yù)期更多的產(chǎn)水量。因此，一個(gè)更具恢復(fù)力的流域?qū)A向于有較高的(>1)。

水文適應(yīng)性則表示為流域的(Δ)變化與Δ和Δ差的比值，用公式表示為：

=Δ/(Δ-Δ)

(8)

與理論Budyko框架相比，描述了在氣候變化后對(duì)變化的相對(duì)強(qiáng)度，實(shí)際上，一個(gè)更大的(>1)將表明在某種不利氣候變化中，隨的變化比預(yù)期小，系統(tǒng)中有水分過(guò)剩(更多的產(chǎn)水量)，這意味著流域在穩(wěn)態(tài)條件下?lián)p失的水比預(yù)期少。一個(gè)流域?yàn)樨?fù)值，表示Δ>0時(shí)，由于實(shí)際的比預(yù)測(cè)的小，因此流域應(yīng)對(duì)不利的氣候變化具有較高的水文恢復(fù)力，且為正值的恢復(fù)力小于為負(fù)值的流域恢復(fù)力，因?yàn)楦鶕?jù)定義，為負(fù)值時(shí)實(shí)際小于Budyko曲線預(yù)測(cè)的。>1表示流域能夠恢復(fù)到氣候變化前的穩(wěn)態(tài)水文條件，0<<1則表示流域在干擾后無(wú)法恢復(fù)到它改變前的狀態(tài)?；谏鷳B(tài)水文的觀點(diǎn)，一個(gè)流域被認(rèn)為是有水文恢復(fù)力的則需滿足>1且>1或者>1且<0。盡管該方法適用于所有氣候的簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)，但需要指出的是這項(xiàng)研究提出的方法以及Creed等和Helman等的研究中，都忽略了流域特征的年際變化，這可能導(dǎo)致一定的不確定性。

2.3 利用植被景觀參數(shù)變化指數(shù)計(jì)算流域水文恢復(fù)力

植被的長(zhǎng)期改善主要通過(guò)改變?nèi)~面積和水力結(jié)構(gòu)來(lái)影響蒸騰過(guò)程，這種變化是相對(duì)緩慢的，因此，可以用描述長(zhǎng)期流域水量平衡的Budyko方程來(lái)描述。但是Budyko框架可能不適合代表植被突變對(duì)流域水文的影響，比如，與造林后徑流的緩慢逐漸變化相比，砍伐森林通常會(huì)導(dǎo)致徑流的突然變化。Zhang等基于Budyko框架計(jì)算了景觀參數(shù)與植被變化之間的關(guān)系(用光合有效輻射fPAR表示)，引入徑流彈性量化植被變化對(duì)區(qū)域水分平衡的影響。利用每個(gè)流域的有效干旱指數(shù)()和景觀參數(shù)()，經(jīng)過(guò)一系列推導(dǎo)得出徑流對(duì)植被變化的彈性(PAR):

(9)

式中：PAR為徑流對(duì)植被變化的彈性；為徑流；ΔPAR為植被變化；為景觀參數(shù)；為由景觀參數(shù)變化引起徑流變化的系數(shù)；為干旱指數(shù)，該方法得出在相對(duì)干旱的流域，景觀參數(shù)()對(duì)植被變化更為敏感。這說(shuō)明在干旱地區(qū)應(yīng)該慎重造林，流域可能因植被變化而破壞原來(lái)的水文平衡狀態(tài)，進(jìn)一步降低流域水文恢復(fù)力。該方法適應(yīng)于計(jì)算由于植被覆蓋變化造成的水文恢復(fù)力改變，已經(jīng)在中國(guó)178個(gè)流域得到應(yīng)用。

2.4 利用對(duì)干旱的恢復(fù)時(shí)間計(jì)算水文恢復(fù)力

流域在受到干旱等干擾時(shí)會(huì)表現(xiàn)出一系列生理生態(tài)調(diào)整來(lái)適應(yīng)干旱，其對(duì)應(yīng)的水文恢復(fù)力()可以定義為流域從缺水狀態(tài)恢復(fù)到水可用狀態(tài)的能力。用公式表示為：

(10)

式中：為干旱事件個(gè)數(shù)；為干旱持續(xù)時(shí)間。從公式(10)可以明顯看出，平均干旱持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，流域?qū)Ω珊档牡钟芰υ饺?。因此，值越高，表明流域?qū)Ω珊档倪m應(yīng)能力越強(qiáng)，恢復(fù)到原來(lái)水文狀態(tài)的能力也越強(qiáng)。此方法適應(yīng)于對(duì)干旱響應(yīng)的水文恢復(fù)力計(jì)算。

綜上所述，水文恢復(fù)力是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，水文恢復(fù)力的計(jì)算方法目前仍在繼續(xù)探索和不斷完善中，目前的主要方法有：(1)從生理生態(tài)角度分析其水分利用效率變化來(lái)表征；(2)基于Budyko框架對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)的方法；(3)用景觀參數(shù)變化計(jì)算；(4)用抵抗干旱的恢復(fù)時(shí)間度量等。但是目前還沒(méi)有一種較好的方法能解決所有問(wèn)題和不確定性，而且沒(méi)有一個(gè)具有普適性的方法適應(yīng)于所有流域，這也是未來(lái)需要探索的方向。Budyko框架適用于描述和理解穩(wěn)態(tài)條件下流域長(zhǎng)期水量平衡及水文恢復(fù)力的預(yù)期變化，基于Budyko框架不斷改進(jìn)的公式將擁有很大的潛力，可以基于此不斷拓展新的思路，發(fā)展新的計(jì)算方法，將來(lái)需要發(fā)展在物理上更合理的水文恢復(fù)力模型來(lái)支持具有多種穩(wěn)定狀態(tài)的流域理論。

3 氣候變化對(duì)水文恢復(fù)力的影響

氣候變化導(dǎo)致的極端降水、森林火災(zāi)、變暖和干旱等影響流域水文過(guò)程和水文恢復(fù)力，影響機(jī)制主要分為2種：第1種是氣候變化通過(guò)影響云的形成機(jī)制、改變流域降水和徑流模式；第2種是通過(guò)改變流域植被的水碳循環(huán)過(guò)程，影響植被的生產(chǎn)力和水分利用效率。

降水已經(jīng)被認(rèn)為是決定植被分布和生產(chǎn)力的關(guān)鍵因素，特別是在干旱和半干旱地區(qū)，Ciemer等的研究表明，流域恢復(fù)力隨降水年際變化而增加，這主要是更高的降水年際變化可能通過(guò)選擇植被對(duì)水分脅迫的適應(yīng)特征來(lái)增加水文恢復(fù)力。Harder等研究表明，加拿大落基山脈的流域在2013年極端降水事件的發(fā)生和森林覆蓋變化中表現(xiàn)出微弱的水文響應(yīng)。該流域的蓄水和徑流生成過(guò)程減弱了氣象和雪況的變率和趨勢(shì)，因此流域?qū)Ω蓴_表現(xiàn)出顯著的水文恢復(fù)力。

此外，森林火災(zāi)通過(guò)改變土壤性質(zhì)、能量預(yù)算和截流能力來(lái)影響流域水文平衡。Spence等研究表明，開(kāi)放的流域在火災(zāi)后對(duì)水文變化的恢復(fù)力更強(qiáng)，而且隨著氣候條件的潮濕，恢復(fù)力降低，流域在野火后的水文響應(yīng)取決于火災(zāi)前的土地覆蓋分布、野火的程度和火災(zāi)后的氣候條件。在森林火災(zāi)等干擾之后，那些植被演替和恢復(fù)較快的流域因?yàn)楸旧磔^高的彈性而具有更高的水文恢復(fù)力。

目前，關(guān)于變暖和干旱背景下的水文恢復(fù)力在能量限制的流域和水分限制的流域有不同的結(jié)論。在能量限制的流域，Creed等研究得出，在暖干化條件下，由于產(chǎn)水量的下降，蒸散指數(shù)()上升，流域的水文恢復(fù)力沿著B(niǎo)udyko曲線向上偏離，水文恢復(fù)力降低，并且這種偏差的程度與暖干化程度呈正相關(guān)，暖干化程度越大，動(dòng)態(tài)偏差()也越大，彈性()和恢復(fù)力則越??；相反，暖濕化條件下流域的水文恢復(fù)力較高。Helman等根據(jù)Budyko曲線得出，遭受中度干旱的森林與嚴(yán)重干旱的森林產(chǎn)水量相比，前者比后者明顯接近預(yù)期產(chǎn)水量，主要由于干旱期間相對(duì)涼爽濕潤(rùn)的條件減少蒸發(fā)需求，增加流域的產(chǎn)水量，減少與Budyko曲線的偏差，提高流域的水文恢復(fù)力。

在水分限制的流域，Xue等根據(jù)全球范圍41個(gè)國(guó)際通量研究網(wǎng)絡(luò)(FLUXNET)站點(diǎn)和2 275個(gè)流域的數(shù)據(jù)，用Budyko框架中的動(dòng)態(tài)偏差()和彈性()2個(gè)指標(biāo)在生態(tài)系統(tǒng)和流域水平上來(lái)評(píng)估水文恢復(fù)力。得出在水分限制的流域，暖干化地區(qū)的水文恢復(fù)力高于暖濕化地區(qū)，主要因?yàn)樵谂苫貐^(qū)當(dāng)干燥指數(shù)()發(fā)生變化時(shí)，蒸散指數(shù)()的變化較小，同時(shí)暖干化地區(qū)的水分利用效率(WUE)大于暖濕化地區(qū)，因此水文恢復(fù)力較高。該研究還表明，暖干化條件下的大部分流域在應(yīng)對(duì)外界干擾時(shí)的動(dòng)態(tài)偏差和彈性是耦合的，即動(dòng)態(tài)偏差越小，彈性越大，這種耦合表明，以植被為主的流域有很大的潛力來(lái)適應(yīng)氣候變化，具有較高的水文恢復(fù)力，但在暖濕化條件下的一些流域則表現(xiàn)出響應(yīng)干旱的動(dòng)態(tài)偏差與彈性關(guān)系的解耦，表現(xiàn)出較大的動(dòng)態(tài)偏差和較小的彈性，表明這些區(qū)域易受干旱的影響，具有較低的水文恢復(fù)力。

綜上所述，氣候變化對(duì)水文恢復(fù)力的影響研究表明，流域恢復(fù)力隨降水年際變化而增加；高基巖和開(kāi)放的流域在火災(zāi)后對(duì)水文變化的恢復(fù)力更強(qiáng)，而且隨著氣候條件的潮濕，恢復(fù)力降低；變暖和干旱背景下的水文恢復(fù)力在能量限制的流域和水分限制的流域有不同的結(jié)論，在能量限制的流域，暖濕化的氣候變化使水文恢復(fù)力提高；在水分限制的流域，暖干化的變化趨勢(shì)導(dǎo)致水文恢復(fù)力提高。因此，在研究氣候變化對(duì)水文恢復(fù)力的影響時(shí)，應(yīng)該重點(diǎn)區(qū)分這2種不同類型的流域。

植被傾向于最大限度地提高其生產(chǎn)力，而植被屬性(如冠層覆蓋和生長(zhǎng)速率)和生物地球化學(xué)機(jī)制(即有限的資源)相互作用，影響流域水文過(guò)程。能量限制和水分限制的流域使水文恢復(fù)力變化的內(nèi)在原因是：(1)水分限制流域(<1)中的森林，根據(jù)水分的可用性，傾向于增加最大潛在葉面積。葉面積的增加導(dǎo)致蒸騰作用的增加和降雨截留率的增加，增加降水的總利用效率，進(jìn)而增加單株生長(zhǎng)和冠層發(fā)育速度。在水分限制條件下，樹(shù)木可以通過(guò)將水分吸收轉(zhuǎn)移到雨季和利用更深層土壤中儲(chǔ)存的水分而在一定程度上存活下來(lái)，以應(yīng)對(duì)不利的外界條件，維持其水文恢復(fù)力，且在水分限制的流域，生長(zhǎng)在干燥條件下的森林比生長(zhǎng)在潮濕條件下的森林有更大的彈性，干燥森林在干旱期間保持的降雨、能量和蒸散發(fā)的關(guān)系接近于在平均降雨條件下的關(guān)系。(2)能量限制流域(>1)植被生長(zhǎng)主要受到其他因素限制，如氮和光，改變了植被光合作用，對(duì)植被生產(chǎn)力的影響大于對(duì)水的可用性的影響，從而降低水的利用效率，植被通過(guò)高效率的光合作用增加生產(chǎn)力來(lái)維持流域的水文恢復(fù)力。在能量限制流域的研究表明，在干旱時(shí)期，溫度對(duì)經(jīng)歷相對(duì)較冷條件對(duì)產(chǎn)水量有積極的影響。主要是因?yàn)樵诟珊灯陂g，較冷的條件通過(guò)減少蒸發(fā)需求、增加水分產(chǎn)量和減小Budyko曲線的正偏差來(lái)抵消降雨減少的負(fù)面影響，提高水文恢復(fù)力。因此，水文恢復(fù)力在這2種不同類型流域里的差異是植被在應(yīng)對(duì)不同干擾環(huán)境條件下表現(xiàn)出的生理生態(tài)調(diào)整的結(jié)果。

4 人類活動(dòng)干擾對(duì)水文恢復(fù)力的影響

人類活動(dòng)影響生態(tài)過(guò)程和初級(jí)生產(chǎn)力，是加劇水文干旱現(xiàn)狀、影響未來(lái)干旱強(qiáng)度和干旱頻率的主要因素。人類活動(dòng)對(duì)水文恢復(fù)力影響的方式主要通過(guò)造林和伐林改變土地覆蓋與土地利用狀況、過(guò)度開(kāi)采地下水，以及不合理分配地表水資源等。

由于人類活動(dòng)導(dǎo)致的植被覆蓋度變化可以極大地影響水資源，它們的影響與氣候變化的影響一樣大，甚至超過(guò)氣候變化。人工造林和通過(guò)改進(jìn)農(nóng)業(yè)管理措施(如改進(jìn)灌溉基礎(chǔ)設(shè)施、增加化肥使用、用高產(chǎn)作物替代低產(chǎn)作物)提高作物產(chǎn)量，是植被覆蓋度和生產(chǎn)力增加的主要原因。Liu等研究表明，在大流域尺度上，植被綠化趨勢(shì)對(duì)年蒸散量有正向影響，對(duì)產(chǎn)水量有負(fù)向影響，植被綠化率的變化對(duì)水文循環(huán)及水文恢復(fù)力的影響取決于區(qū)域的空間范圍和植被綠化或褐變面積的比例；Esquivel等研究采用Budyko和Tomer-Schilling框架評(píng)估得出，南太平洋區(qū)域的熱帶雨林由于具有較高的水分可用性和較高的水文彈性，森林覆蓋率的變化對(duì)其影響較小，有利于維持更穩(wěn)定的生態(tài)水文條件；Chen等研究表明，中國(guó)的植被恢復(fù)工程在過(guò)去近20年來(lái)，極大地提高了森林覆蓋率和植被生產(chǎn)力，植被水分需求因此提高，對(duì)土壤含水量和流域水文產(chǎn)生顯著影響，尤其在水資源有限的季節(jié)性干旱地區(qū)大面積造林減少可利用的水資源，造成生態(tài)系統(tǒng)和人類之間潛在的水需求沖突，改變流域水碳平衡關(guān)系，使得流域水文恢復(fù)力下降。

森林采伐后，流域恢復(fù)到干擾前水文狀態(tài)需要的時(shí)間與其生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力相關(guān)，生態(tài)恢復(fù)力越高的流域受到擾動(dòng)后恢復(fù)所需要的時(shí)間越短。Zhang等研究得出，在中國(guó)長(zhǎng)江流域岷江上游受到森林砍伐后，流域徑流量恢復(fù)為原來(lái)的狀態(tài)大約需要20年的時(shí)間，這主要得益于保存良好的土壤結(jié)構(gòu)和相對(duì)濕潤(rùn)的環(huán)境，使得灌木和次生植被快速恢復(fù)。毀林、造林和森林更新試驗(yàn)的長(zhǎng)期結(jié)果比較表明，隨著原生植被的破壞，流域需要至少5年以上的時(shí)間才能達(dá)到新的平衡，毀林試驗(yàn)比造林試驗(yàn)更早達(dá)到新的平衡。毀林后，隨著灌木等快速自然更新，通常很快能達(dá)到新的水文功能，但再造林后，由于再造林地往往采用純林恢復(fù)，早期恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)，而其達(dá)到速生期后往往具有較大的耗水量，其水文恢復(fù)周期需要更長(zhǎng)時(shí)間，相比毀林而言，再造林可能對(duì)流域水文過(guò)程造成更大的干擾，降低流域的水文恢復(fù)力。

對(duì)于不同的土地利用類型，Sharma等研究表明，森林主導(dǎo)的流域比其他生物群落主導(dǎo)的流域具有更高的恢復(fù)力，其次是耕地、草地和稀樹(shù)草原。雨季地下水補(bǔ)給是決定旱季供水的關(guān)鍵過(guò)程，大多數(shù)季節(jié)性干旱地區(qū)在旱季依靠地下水作為主要水源。主導(dǎo)徑流產(chǎn)生的地下過(guò)程可能通過(guò)調(diào)節(jié)降水輸入和輸出來(lái)增強(qiáng)流域?qū)O端事件的抵御能力。Harder等研究表明，由于地下水的儲(chǔ)存和適度釋放，極端降水對(duì)加拿大落基山脈流域徑流的影響減弱，這表明流域具有水文彈性。

總體而言，人類活動(dòng)會(huì)縮短水文干旱持續(xù)時(shí)間，增強(qiáng)水文干旱強(qiáng)度，改變流域的水文恢復(fù)力。大面積造林或者采伐通常對(duì)流域植被的水文調(diào)節(jié)能力產(chǎn)生負(fù)面影響，降低其水文恢復(fù)力；人類活動(dòng)往往使流域脫離預(yù)期的水文功能，尤其在水分限制區(qū)域，大面積造林將導(dǎo)致水文恢復(fù)力的明顯下降；對(duì)于不同的土地利用類型，森林主導(dǎo)的流域比其他生物群落主導(dǎo)的流域具有更高的恢復(fù)力；地下水過(guò)程在調(diào)節(jié)流域水文平衡、維持流域水文穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要的作用，尤其在干旱時(shí)期；水文恢復(fù)力越小的流域受到擾動(dòng)后恢復(fù)能力越差，恢復(fù)所需要的時(shí)間也越長(zhǎng)。同時(shí)研究指出，水文恢復(fù)力(即側(cè)重于流域水文子系統(tǒng)對(duì)極端事件或人為影響的響應(yīng))不應(yīng)與社會(huì)系統(tǒng)(如對(duì)水文災(zāi)害的社會(huì)恢復(fù)力)分開(kāi)考慮，而應(yīng)該考慮綜合的(人—水耦合系統(tǒng))社會(huì)—水文恢復(fù)力。這些研究加深了人類活動(dòng)對(duì)水文恢復(fù)力影響的理解，并為未來(lái)在氣候變化和日益嚴(yán)重的人為干擾背景下的流域管理提供科學(xué)依據(jù)。

5 流域植被結(jié)構(gòu)對(duì)水文恢復(fù)力的影響

水文恢復(fù)力是生態(tài)系統(tǒng)或流域表現(xiàn)出的一種自然稟賦，是其植被在特定自然地理環(huán)境中形成的一種特性。由于目前關(guān)于植被結(jié)構(gòu)對(duì)水文恢復(fù)力影響的研究多集中在森林生態(tài)系統(tǒng)，且相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)森林水文恢復(fù)力的研究總結(jié)較多，因此以森林結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行討論。有研究表明，水文恢復(fù)力取決于森林冠層恢復(fù)的時(shí)間，而冠層的恢復(fù)本身取決于樹(shù)種、種植密度及森林更替和再生速率。因此，可將影響森林水文恢復(fù)力的原因總結(jié)為：

首先，森林的起源和干擾程度是重要因素。人工林的水文恢復(fù)力顯著低于天然林，Yu等比較了全國(guó)天然林和人工林的固碳量和耗水量得出，在能量限制區(qū)域，天然林和人工林的耗水量沒(méi)有顯著差異，但在缺水地區(qū)，人工林的耗水量明顯比天然林高，且人工林對(duì)氣候變化更敏感，會(huì)導(dǎo)致更高的用水量，降低流域產(chǎn)水量，隨著干燥指數(shù)()的增加，人工林的蒸散指數(shù)()的變化幅度大于天然林，使其動(dòng)態(tài)偏差增大，水文恢復(fù)力下降，因此要慎重規(guī)劃未來(lái)的造林項(xiàng)目，尤其是在水資源有限的地區(qū)，這些地區(qū)造林對(duì)固碳的影響可能較小，但會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)水量和水文恢復(fù)力顯著下降。

其次，不同森林類型所表現(xiàn)出來(lái)的水文恢復(fù)力不同。通常針葉林產(chǎn)水量高且穩(wěn)定，水文恢復(fù)力低，一旦遭到破壞恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)所需要的時(shí)間長(zhǎng)；落葉闊葉林產(chǎn)水量低且穩(wěn)定，恢復(fù)力中等；混交林產(chǎn)水量穩(wěn)定，比純針葉林或落葉林恢復(fù)力更高，不易受外界影響而變化，更適應(yīng)未來(lái)氣候變化。Rigling等研究表明，在水分脅迫條件下，針葉林主導(dǎo)的流域隨著的變化產(chǎn)生較大的變化幅度(顯示出低彈性)，落葉林主導(dǎo)的流域隨著的變化產(chǎn)生較小的變化幅度(顯示出較高的彈性)，這可能是因?yàn)槁淙~林葉片面積、葉片出葉時(shí)機(jī)和葉片掉落都可以應(yīng)對(duì)溫度和濕度的年際變化。長(zhǎng)期水分脅迫將引起森林結(jié)構(gòu)組成發(fā)生變化，物候規(guī)律明顯的落葉樹(shù)種比針葉樹(shù)種更具競(jìng)爭(zhēng)力，增溫等氣候變化更有利于植被向針闊混交林的方向發(fā)展，從而具有更高的水文恢復(fù)力。流域的尺度大小也是重要影響因素，在大流域尺度上，大型針葉林為主的流域?qū)ι指采w變化的水文敏感性最小，且對(duì)森林覆蓋變化表現(xiàn)出更強(qiáng)的水文恢復(fù)力。這主要是因?yàn)闆Q定大流域和小流域水文過(guò)程對(duì)森林覆蓋變化響應(yīng)的主導(dǎo)因素可能有很大的不同。

再次，森林年齡結(jié)構(gòu)所表現(xiàn)出來(lái)的水文恢復(fù)力目前也有2種不同的結(jié)論。Moore等和Ford等的研究認(rèn)為，林齡較小的針葉樹(shù)林比林齡較大的針葉樹(shù)林更難調(diào)節(jié)水資源的分配，具有較小的水文恢復(fù)力，這可能是因?yàn)槔淆g林已經(jīng)適應(yīng)了過(guò)去的氣候條件，并形成了相關(guān)的生物物理響應(yīng)機(jī)制，對(duì)外界變化能更快做出相應(yīng)的調(diào)整，以維持其水文穩(wěn)定性，因此比幼林具有更高的水文恢復(fù)力。Creed等也發(fā)現(xiàn)，林齡較大的森林(>100年)水文恢復(fù)力大于林齡較小的森林，林齡較小的森林對(duì)氣候變化等干擾的抵抗和適應(yīng)能力較差，無(wú)法快速恢復(fù)其水文功能。然而Helman等在地中海地區(qū)觀察到森林的水文恢復(fù)力隨著森林年齡的增加而降低，即林齡較小的森林在干旱等氣候變化條件下的產(chǎn)水量更接近理論預(yù)測(cè)值。這主要是因?yàn)榕c林齡較小的中幼樹(shù)相比，老齡樹(shù)通常具有更大的葉面積，要維持更發(fā)達(dá)的根系和更高的樹(shù)冠，導(dǎo)致較高的蒸騰作用和降雨截留率，用水效率比中幼樹(shù)低得多，更容易遭受水分脅迫，因此水文恢復(fù)力較低。

此外，長(zhǎng)期受積雪主導(dǎo)的流域通常具有較高的水文恢復(fù)力，這是因?yàn)榉e雪和融雪過(guò)程抵消了部分的徑流波動(dòng)。Zhang等研究表明，受長(zhǎng)期積雪主導(dǎo)的大流域水文恢復(fù)力較高，更能適應(yīng)氣候變化和森林覆蓋率的變化，還有一些研究表明，高緯度地區(qū)的森林由于多年凍土退化和積雪減少，更容易受到干旱等的影響，具有較低的水文恢復(fù)力。

總之，森林起源、多樣性、尺度等因素決定水文恢復(fù)力。水文恢復(fù)力的差異性一方面可能源于不同森林類型水分利用效率的差異；另一方面，可能是流域特征的原因，比如，土層的厚度、冠層、地被層和土層的最大蓄水能力的差異，但這部分特征是流域長(zhǎng)期形成的，在研究水文恢復(fù)力變化時(shí)，往往把它作為本底因素，不作重點(diǎn)考慮。研究水文恢復(fù)力的意義，即在水分限制或能量限制的情況下，在大流域尺度和小流域不同尺度上將流域的水文穩(wěn)定性和和森林變化聯(lián)系起來(lái)，未來(lái)的森林水文學(xué)研究應(yīng)側(cè)重于區(qū)別這幾種情況下水文恢復(fù)力的變化，同時(shí)應(yīng)該選取更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)集(如更廣泛的森林類型和更多的年齡結(jié)構(gòu))、更廣泛的方法(如遙感、同位素示蹤)，利用先進(jìn)的分析工具(如機(jī)器學(xué)習(xí)和氣候—生態(tài)水文耦合模型)，從系統(tǒng)的角度闡明水文恢復(fù)力在不同時(shí)空尺度上的規(guī)律。

6 流域水文恢復(fù)力形成與維持的生態(tài)學(xué)機(jī)制

二氧化碳濃度升高、氣溫升高、降水格局變化、植被覆蓋變化等一系列氣候變化與人類活動(dòng)影響植被與環(huán)境之間的能量、碳、水和養(yǎng)分的交換，導(dǎo)致植被生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)的變化，影響流域的水文恢復(fù)力，植被的生理生態(tài)調(diào)整過(guò)程是適應(yīng)這些變化維持水文恢復(fù)力的基礎(chǔ)，如植被在干旱條件下可以通過(guò)利用深層土壤存儲(chǔ)水、關(guān)閉氣孔等節(jié)水適應(yīng)性策略，或者改變碳分配策略來(lái)應(yīng)對(duì)水分不足(如將碳轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生更多的根而不是葉)，改變植被生產(chǎn)力和蒸散發(fā)的關(guān)系來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而維持水文恢復(fù)力，植被水分利用效率的變化是影響水文調(diào)節(jié)和恢復(fù)能力最關(guān)鍵的因素之一。

植物在個(gè)體水平可以通過(guò)改變光合作用和自養(yǎng)呼吸過(guò)程，提高水分利用效率(WUE)在一定程度上適應(yīng)氣候變化，并得以維持其水文恢復(fù)力。在生態(tài)系統(tǒng)水平上，不同植被類型組合表現(xiàn)出不同的綜合水分利用效率，進(jìn)而表現(xiàn)出不同的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)力和水文恢復(fù)力。這是由于不同植被類型的初級(jí)生產(chǎn)力和蒸散對(duì)氣候變化表現(xiàn)出不同的敏感性，導(dǎo)致碳吸收和水分消耗的差異。Gerten等研究發(fā)現(xiàn)，增溫將增加蒸散量，減少土壤水分，這種變化將影響植被組成和分布，再進(jìn)一步反饋到土壤水分，植被表現(xiàn)出生理(關(guān)閉氣孔等)和結(jié)構(gòu)反應(yīng)(提高凈初級(jí)生產(chǎn)力、增加生物量和植被覆蓋率)，通過(guò)提高植被水分利用效率，產(chǎn)生CO與水分的權(quán)衡效應(yīng)來(lái)維持水文功能的穩(wěn)定性。因此，植被水分利用效率越高的流域其水文恢復(fù)力也越強(qiáng)。

樹(shù)木在經(jīng)歷干旱事件后延遲恢復(fù)的現(xiàn)象稱為“干旱遺留效應(yīng)”，它是影響植被水分利用效率的主要原因。由于干旱后發(fā)生的植被生理和生態(tài)水文過(guò)程的相互作用影響植被的恢復(fù)，從而導(dǎo)致遺留效應(yīng)的產(chǎn)生。如干旱導(dǎo)致植物氣孔關(guān)閉，葉片蒸騰作用和蒸發(fā)作用減少，高溫對(duì)植物水分循環(huán)系統(tǒng)的脅迫進(jìn)一步加劇，將來(lái)可通過(guò)影響CO與水的關(guān)系對(duì)植被生產(chǎn)力及水分利用效率產(chǎn)生影響，阻礙樹(shù)木莖干的水分運(yùn)輸，形成栓塞，造成樹(shù)木水力衰退、枯梢甚至死亡，這種遺留效應(yīng)至少在幾十年里都會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)的水碳平衡，遺留效應(yīng)在時(shí)間和空間尺度的放大影響到生態(tài)系統(tǒng)或流域綜合水分利用效率，進(jìn)一步影響其對(duì)應(yīng)的水文恢復(fù)力，反之生態(tài)系統(tǒng)多樣性和水文恢復(fù)力的大小也決定植被調(diào)節(jié)這種遺留效應(yīng)的能力。

綜合水分利用效率反映氣候擾動(dòng)下水文恢復(fù)力的大小。研究干旱對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)的滯后效應(yīng)及其生理機(jī)制與水分利用效率的關(guān)系將有助于闡明干旱驅(qū)動(dòng)的氣候變化和森林功能之間反饋的本質(zhì)，提高對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)水碳平衡的預(yù)測(cè)能力，也能更深刻理解水文恢復(fù)力存在及發(fā)揮作用的機(jī)制。

7 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于水文恢復(fù)力的研究進(jìn)行總結(jié)，可得出的主要結(jié)論：(1)水文恢復(fù)力的計(jì)算方法目前仍在繼續(xù)探索和不斷完善中，Budyko模式在評(píng)估長(zhǎng)期流域水文恢復(fù)力中的作用得到不斷發(fā)展；(2)在氣候變化背景下，開(kāi)放的流域在干擾后(如火災(zāi))對(duì)水文變化的恢復(fù)力更強(qiáng)，而且隨著氣候條件的潮濕，恢復(fù)力降低；(3)在能量限制的流域，暖濕化條件下的水文恢復(fù)力高于暖干化條件下的水文恢復(fù)力，而在水分限制的流域，基于彈性限度范圍內(nèi)，暖干化條件下的水文恢復(fù)力則高于暖濕化條件下的水文恢復(fù)力；(4)地下水過(guò)程在調(diào)節(jié)流域水文平衡和維持流域水文穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要的作用；(5)人類活動(dòng)因素中，大面積采伐或者造林通常對(duì)流域植被的水文調(diào)節(jié)能力產(chǎn)生負(fù)面影響，降低其水文恢復(fù)力，尤其在水分限制流域進(jìn)行大面積造林將顯著降低流域水文恢復(fù)力；(6)森林主導(dǎo)的流域比其他生物群落主導(dǎo)的流域具有更高的水文恢復(fù)力；(7)流域植被結(jié)構(gòu)本身也對(duì)水文恢復(fù)力具有重要影響，天然林、混交林等多樣性更高的植被結(jié)構(gòu)通常具有更高的水文恢復(fù)力，因此在流域管理和植被恢復(fù)中，需注意植被結(jié)構(gòu)的配置問(wèn)題；(8)長(zhǎng)期受積雪主導(dǎo)的流域通常具有較高的水文恢復(fù)力；(9)植被可通過(guò)調(diào)節(jié)水分利用效率來(lái)提高其水文恢復(fù)力。

依據(jù)總結(jié)出的結(jié)論，可以概括出的觀點(diǎn)有：(1)未來(lái)需要探索和發(fā)展支持流域多種穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的水文恢復(fù)力計(jì)算方法；(2)流域植被類型的多樣性水平高、景觀破碎化程度高、植被結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、土壤儲(chǔ)水量大或有積雪補(bǔ)給的流域水文恢復(fù)力較高；(3)水文恢復(fù)力是植被在受到干擾后表現(xiàn)出的生理生態(tài)調(diào)整的結(jié)果，主要通過(guò)對(duì)水分利用效率的調(diào)節(jié)來(lái)適應(yīng)外界變化以維持其系統(tǒng)內(nèi)部的穩(wěn)定性，其生理機(jī)制將有助于闡明流域氣候變化、植被功能、水文恢復(fù)力之間相互作用及反饋的本質(zhì)。

當(dāng)前仍需要進(jìn)一步探討的問(wèn)題有：(1)非穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的水文恢復(fù)力計(jì)算方式問(wèn)題。在氣候變化和人類活動(dòng)影響下，基于穩(wěn)態(tài)假設(shè)的水文恢復(fù)力計(jì)算方式存在很大的局限性，亟需發(fā)展適用于變化環(huán)境下的非穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)的水文恢復(fù)力計(jì)算的新方法。

(2)人類活動(dòng)和氣候變化交互影響效應(yīng)問(wèn)題。目前研究多集中在氣候變化或者人類活動(dòng)其中一個(gè)方面對(duì)水文恢復(fù)力的影響，有的雖然考慮2個(gè)方面影響，但在建立貢獻(xiàn)分析框架時(shí)，氣候變異性和人類活動(dòng)被認(rèn)為是相互獨(dú)立的，而現(xiàn)實(shí)中，兩者之間在生態(tài)水文系統(tǒng)中存在較強(qiáng)的相互作用，因此未來(lái)研究應(yīng)該系統(tǒng)地量化二者之間相互作用對(duì)水文恢復(fù)力的影響。

(3)森林植被結(jié)構(gòu)和水文恢復(fù)力閾值問(wèn)題。近自然狀態(tài)下的流域植被結(jié)構(gòu)維持水文穩(wěn)定性的能力較高，氣候變化和人類活動(dòng)等大多數(shù)外界干擾是降低流域水文恢復(fù)力。水文恢復(fù)力有一定的限度，不同植被結(jié)構(gòu)生態(tài)系統(tǒng)的水文恢復(fù)力閾值目前尚不清楚，水文恢復(fù)力在多大范圍內(nèi)植被可以實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)以及維持系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，在多大的影響下又會(huì)發(fā)生系統(tǒng)轉(zhuǎn)化和崩潰等，這些都是亟待解決的實(shí)際問(wèn)題。

森林植被結(jié)構(gòu)和水文恢復(fù)力之間的關(guān)系是在全球變化背景下森林生態(tài)水文效應(yīng)的核心問(wèn)題，深刻地揭示氣候變化、人類活動(dòng)、植被結(jié)構(gòu)及水文恢復(fù)力之間的耦合關(guān)系，將有利于闡明森林維持內(nèi)在穩(wěn)定性與其服務(wù)功能輸出之間的關(guān)系，讓森林景觀恢復(fù)與管理措施在不違背自然規(guī)律的前提下，更好地發(fā)揮森林涵養(yǎng)水源、維持徑流穩(wěn)定性的功能，提高流域水資源的利用效率，保障生態(tài)安全與水資源安全。