“雙碳”背景下生態水文學的研究與展望

Research and prospects of ecohydrology under the “dual carbon” goals

夏軍

（1.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，430072，武漢；2.武漢大學水安全研究院，430072，武漢）

摘要：在“雙碳”目標背景下，全球氣候變化與碳減排已成為時代的核心議題。碳中和進程涉及陸地-海洋-大氣之間以及與流域尺度密切關聯的水循環和碳循環。作為水文學與生態學的交叉學科，生態水文學為實現碳達峰、碳中和目標提供了重要的水科學支撐。系統總結和論述了生態水文學在植被生態水文、河湖生態水文及流域生態水文等多個分支領域的主要進展。基于生態水文學的關鍵科學問題，提出在“雙碳”目標下，生態水文學研究應聚焦于自然生態系統碳匯技術創新，包括陸地生態系統與氣候相互作用、農業化與城市化的“雙碳”挑戰、河流水庫群建設及其運行的“雙碳”議題，以及面向循環經濟的生態水文解決方案與基于自然的解決方案的結合。為進一步推動生態水文學交叉學科的發展，建議加強河流健康和循環經濟方向的生態水文研究，建設融合自然生態系統和循環經濟的城市與區域發展模式。最后，結合生態水文學學科發展戰略與現實需求，展望了其未來研究方向與重點。

關鍵詞：生態水文學；“雙碳”目標；水循環與碳循環；基于自然的解決方案；循環經濟

作者簡介：夏軍，中國科學院院士，教授，主要從事水文學及水資源研究。

基金項目：國家自然科學基金長江水科學研究聯合基金項目（U2340213）。

DOI：10.3969/j.issn.1000-1123.2025.01.001

全球變化與碳減排是當今世界面臨的兩大關鍵議題，影響深遠且復雜。全球變化不僅涉及氣候變化，還涵蓋土地利用和植被變化（LUCC）等多方面的環境變化。據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的系列評估報告，全球氣候變化呈現出前所未有的廣泛性、快速性和加強性，這不僅反映了自然因素的作用，更凸顯了人為活動，特別是二氧化碳排放的顯著影響。化石燃料使用和土地利用已成為主要碳源，分別貢獻了86%和14%的碳排放；而大氣、陸地和海洋則承擔了碳匯的主要功能，吸收比例分別為46%、31%和23%。

在此背景下，中國提出了2030年前實現碳達峰、2060年前實現碳中和的“雙碳”目標。這一目標不僅是對全球氣候治理的積極回應，也為全球環境可持續發展提供了中國方案。碳中和的實現過程高度依賴于自然過程和人為努力的協同作用，包括通過自然生態系統的固碳作用（如森林蓄積量和土壤有機碳增加）以及工程技術（如碳捕集與封存）實現凈零排放。然而，碳中和不僅涉及單一碳循環過程，還貫穿于陸地、海洋和大氣之間復雜而相互作用的水循環和碳循環問題中。

水循環作為聯系地球多圈層的關鍵紐帶，其過程和格局深受氣候變化的影響。在全球變化的驅動下，陸地、海洋和大氣間的水循環發生了顯著的變化與變異，由此引發的水安全問題已成為當前國內外關注的前沿領域。這些變化對生態系統、經濟社會發展以及人類生存環境的可持續性提出了巨大挑戰。在此背景下，生態水文學作為生態學與水文學交叉的綜合學科，不僅為揭示水循環與碳循環之間的相互作用提供了科學依據，也為實現“雙碳”目標提供了創新性的技術路徑與實踐方案。

本文旨在通過分析生態水文學在“雙碳”背景下的研究現狀與發展方向，總結生態水文學在植被、河湖、流域等分支領域的最新進展，探討其在自然碳匯技術創新、氣候-生態相互作用機制及循環經濟建設中的應用潛力，為推動生態水文學進一步發展、實現“雙碳”目標下的河湖及陸地生態保護提供理論支持與實踐參考。

生態水文學的發展

1.生態水文學的內涵

生態水文學是水文學與生態學交叉的一門學科，其學術內涵是探索與揭示形成生態格局和過程的水文學機制，目標是研究水循環過程與陸地生態系統結構和功能之間的相互作用關系，并為水資源管理和生態系統保護提供理論依據、方法和途徑。

聯合國教科文組織國際水文計劃（UNESCO-IHP）專門設立了面向全球水與生態問題的國際生態水文學計劃（Ecohydrology Programme）。生態水文學被定義為一門研究水文學與生物群落及不同尺度生態系統之間相互作用的交叉性學科。生態水文學基于自然過程，致力于研發管理和解決問題的工具與途徑，以增強廣義景觀的生態服務功能與價值，包括海岸、城市和農村等多種類型的生態環境聯系的流域、區域和全球系統的可持續性。

隨著生態水文學理論和方法的不斷發展與完善，其應用領域日益拓展，逐漸形成了多個具有鮮明特色的研究分支。這些內容涵蓋了流域生態水文過程模擬、生態需水評估、河流濕地保護與恢復、水資源管理中的生態規劃與管理優化等多個方面，致力于解決特定的或系統性的生態與水文互饋問題以及相互影響與后果評價等，為應對全球氣候變化、水資源短缺和生態系統退化等挑戰提供了重要的理論支撐和實踐指導。

2.生態水文學的研究內容

陸地生態水文學的主要分支包括森林和植被生態水文、河湖生態水文、流域和區域生態水文、濕地生態水文、濱海生態水文、城市和農村生態水文等。以植被生態水文、河湖生態水文、流域生態水文為例進行具體闡述。

（1）植被生態水文

植被生態水文研究“大氣-植被-土壤（SPAC）”系統中的水分轉化與調控機制，涵蓋降水補給、植物蒸騰耗水、土壤蒸發耗水等過程。核心問題包括蒸散發與作物產量的非線性關系、植被對區域水分平衡的調節作用等。劉昌明等提出的“四水轉化”“五水轉化”理論，為理解一維垂向水與植被的生態水文過程相互聯系與作用提供了系統框架，尤其強調了大氣水、地表水、土壤水、地下水和植被水之間的動態耦合機制。

（2）河湖生態水文

河湖生態系統是與人類居住環境關系最為密切的載體，河湖水文過程是維系生態系統的關鍵。河湖水文過程包括非生物過程（如沉積、輸送和再懸浮，水下光環境，水化學特性，溫度分層等）和生物過程（如濕地植物、藻類、底棲植物、兩棲類動物、魚類、水鳥等的生物過程）。流域水循環聯系的“水-土-氣-生”以及“人-地”關系是相關聯的，水循環與河湖、流域的生境及生態系統有千絲萬縷的聯系。例如，魚類等水生生物的繁衍對水面寬度、水深、水體流速等河湖水文過程有特定需求，相應的，可能會與防洪工程蓄泄、灌溉、供水等需求產生矛盾。陳求穩和夏軍對滿足淮河流域干支流不同河流指示性魚類和河流生態需水目標的生態水文過程進行了分析和估算，為淮河生態保護的生態需水過程提供了系統的認識和依據。

近年，在中國科學院支持下，筆者團隊研發了長江模擬器，并開發了長江模擬器耦合的“江-湖關系”互動模擬與“生態調控”新技術。核心成果如下：

①研發了與長江模擬器耦合的三峽水庫水流-泥沙-水質-水生態耦合模型，可分析不同調度方式下長江干流水文情勢變化和三峽水庫調蓄對水沙的影響。

②研發了與長江模擬器耦合的三峽調控聯系的湖泊水動力水質模型和湖泊水文連通性評估模型，可分析三峽工程運行后鄱陽湖、洞庭湖兩湖面積變化特征，識別氣候變化及人類活動（包括三峽工程運行）對兩湖湖泊面積、季節性洲灘面積變化的影響。

③研發了長江模擬器耦合的鄱陽湖鳥類棲息地評估模型，揭示了旗艦物種之一——雁類的棲息地水文特征，為精準實施鳥類棲息地保護提供了科學依據。

④研發了長江模擬器耦合的長江岸線變化及生態調控新技術，監測和識別長江岸線河漫灘及植被指數34年（1984—2018年）的演變特征；分析了長江中游河漫灘變化與江豚種群動態變化的直接關系，發現2006—2012年長江中游河漫灘的萎縮最多；建立和揭示長江干流旗艦物種——江豚的能流食物網生態水文模型和變化機理；通過長江模擬器耦合三峽水庫調度等措施，提出了長江岸線河漫灘生態修復對策建議。

（3）流域生態水文

流域生態水文以揭示生態系統內多要素的互動機理為核心，研究水文過程與植被、土壤、生物多樣性等的耦合關系。程國棟等以黑河流域為典型案例，通過研究上游冰凍圈與森林、中游農田、下游荒漠之間的關聯，揭示了水文過程對區域生態系統的系統性影響，為西部內陸流域的生態水文研究提供了示范。由此例可見，生態水文學通過整合多學科知識，可為解決生態保護與水資源利用的矛盾提供創新路徑。

在“雙碳”目標背景下，生態水文學的研究成果可以為碳匯優化、流域管理和生態恢復等領域提供科學依據，推動自然資源的可持續利用，但也仍需探索和解決幾個關鍵問題：一是變化環境下水循環與碳循環互聯的陸地生態系統碳源與碳匯變化過程與機理；二是如何通過科學管理及工程與非工程措施，達到陸地生態系統保育、保護與建設的“雙碳”目標。科學基礎是掌握水與生態的關系，生態水文學的研究、發展與應用非常重要。

生態水文學面臨的挑戰

1.陸地生態系統與氣候相互作用的研究挑戰

生態水文學的核心之一是揭示“陸地生態系統-氣候”相互作用關系。然而，在氣候變化加劇的背景下，陸地生態系統碳匯功能的動態演化規律尚未被完全理解。一方面，植被通過碳固定和蒸散作用等響應氣候變化；另一方面，植被和土壤通過碳循環對氣候系統產生反饋。例如，樸世龍等的研究表明，陸地生態系統在溫室氣體平衡中具有雙向互饋作用。

當前的挑戰在于如何量化不同生態系統（如森林、草原、濕地）的碳匯潛力，明確植被、土壤與氣候因子的耦合作用機理。同時，需要針對極端氣候事件（如干旱、洪水）對陸地生態系統碳匯功能的影響開展深入研究。這些研究將為應對全球氣候變化和優化生態系統管理提供重要科學依據。

2.農業化與城市化“雙碳”問題的復雜性

農業化和城市化快速發展帶來了碳源與碳匯的復雜動態變化。城市地區的二氧化碳排放約占全球總量的75%～80%，主要來源包括交通運輸、工業生產、建筑能耗、農業活動和廢棄物處理等。然而，城市系統內的碳循環路徑復雜多樣，既存在高密度的碳排放，也可能通過植被綠地和城市濕地發揮碳匯功能。

農業化的主要挑戰則在于如何平衡農業生產的碳排放與碳匯作用。一方面，農業活動增加了土壤碳損失和溫室氣體排放；另一方面，合理管理農業廢棄物和農田土壤可增強其碳匯能力。因此，需要發展精細化的碳排放監測與管理體系，結合區域特點優化城市和農業碳中和策略。這是實現“雙碳”目標的重要實踐路徑。

3.河流水庫群建設與運行的“雙碳”問題

水庫的碳源碳匯功能研究是生態水文學的重要挑戰之一。在全生命周期內，水庫對碳循環產生“淹沒—阻隔—重建—消納”四大效應。例如，大型水庫在短期內可能成為碳源，但長期運行下具備轉化為碳匯的潛力。

李哲團隊的研究發現，大型水庫的碳匯功能受水位波動、入庫流量、水溫和水質等關鍵因素影響。減少水位波動頻率和優化調度策略，是減少溫室氣體（如CO?和CH?等）排放的有效措施。未來需要進一步發展基于生態系統管理的增匯技術，同時評估大型水庫的“凈碳匯”能力和經濟效益。通過跨學科研究和技術集成，有望為流域碳中和目標提供科學支持和實踐路徑。

4.基于自然解決方案的生態水文途徑挑戰

基于自然解決方案（Nature-based Solutions，NbS）的生態水文路徑為實現碳中和目標提供了新的機遇，但其實施面臨多重挑戰。例如，濕地恢復、植被修復和生態系統功能增強需要在復雜的自然環境和經濟社會背景下平衡生態效益與成本投入。同時，如何整合生態水文學模型與循環經濟理念，發展適應性強的生態工程方案，仍是技術創新的重要方向。

此外，加強生態系統碳匯功能的監測與評估能力，構建區域性、國家級的碳匯工程實施框架，需要政策支持和多學科協作。這些措施將為從生態保護到碳中和目標的實現提供全面保障。

生態水文學的發展建議與思考

1.加強河流健康的生態水文研究

健康的河流應保持自然的水文連通性和生態動態平衡，其生態水文研究需要從以下幾個方面入手：重視流域環境保護與生態治理并重的系統性策略；強化河流及水庫碳循環與氮循環過程的定量化研究，重點控制和減緩水庫溫室氣體（如CO?、CH?、N?O等）排放；通過優化水資源調度和生態修復措施，維護流域內物種多樣性和生態服務功能。同時，應結合氣候變化適應性研究，增強流域生態系統的韌性與應對能力，從而實現河流健康與流域可持續發展的雙贏。

2.加強面向循環經濟的生態水文學研究

水循環利用與生態循環經濟密切相關，其核心是通過優化資源利用效率，促進能源、物質和生態服務的閉環循環。在工業、農業和生活用水領域，需探索高效水循環技術，推動以提高水的生產率（Water Productivity）為目標的節水戰略與廢水資源化利用。同時，注重生物經濟循環研究，包括代謝營養物質的再利用、微生物對土壤功能的調控等過程的耦合研究。此外，面向循環經濟的生態水文學研究應強調節能減排，通過開發和應用先進技術，以最小的能源和資源消耗實現最大的經濟和生態效益。建議結合流域管理與生態修復，加強對水資源循環利用模式、關鍵技術及其對區域生態經濟系統貢獻的綜合評估，進一步推動基于自然解決方案的新型生態循環經濟實踐。

3.建設融合自然生態系統解決方案和循環經濟的城市-區域生態

在未來城市和區域生態系統建設中，要進一步推動融合自然生態系統解決方案和循環經濟的實踐。例如，可通過提升城市與農村河流的自凈能力，降低水體污染負荷；廣泛應用生物技術處理污染排放中的殘留營養物質，從源頭減少環境壓力；充分利用湖泊的調蓄功能，緩解城市內澇問題；在關鍵流域建設氮、磷污染緩沖地帶，有效阻隔面源污染對水體的影響。此外，應積極增加城市綠地面積與透水地面覆蓋比例，以提升雨水滲透與城市微氣候調節功能，促進生態可持續發展。

近年來，基于對城市水循環系統的深刻認識，筆者提出了城市水循環系統5.0版本，其核心是建立多尺度水循環聯系的城市水系統科學體系。建議進一步深化這一體系，圍繞“雙碳”目標，系統開展城市水循環及其水碳耦合與碳中和的研究。重點應關注不同水循環過程的碳排放與吸收機理，量化水系統對城市碳中和的貢獻率，并探索在水循環管理中實現碳減排的創新途徑。這不僅是城市可持續發展的重要內容，也是應對全球氣候變化的一項重大挑戰。

4.生態水文學發展的趨勢

生態水文學這一學科正在發展，其發展戰略與目標是推動我國地學領域生態水文學科學基礎與學科戰略研究，推動國家生態文明建設的戰略發展，服務于國家生態文明建設的重大需求。

當前生態水文學的關注內容一是生態水文監測與機理研究方向，包括生態水文監測與評估、生態水文關鍵要素格局及其演變特征、生態水文過程驅動機制的尺度差異、關鍵帶生態過程對水資源利用的方向；二是生態水文過程定量化模型方向，包括陸面生態水文過程模型、河流湖泊生態水文過程模型、生態水文模型及系統綜合；三是多學科交融下的生態水文學研究應用方向，包括生態-水文-經濟的集成決策系統研究、氣候變化/人類活動對生態水文過程的影響、生態水文功能評估和調控。

展望生態水文學的未來發展方向：一是生態水文綜合檢測技術與方法，系統綜合觀測；二是生態水文學基礎理論，多尺度融合機理、范式與模型；三是陸域和河湖生態水文過程綜合研究；四是生態水文與社會學、“雙碳”目標聯合研究；五是全球生態水文學綜合性研究。

結論

①全球變化與碳減排既是國際科學研究的前沿熱點，也是滿足國家“雙碳”戰略目標的重要需求。水循環是地球多圈層間的紐帶，水-碳耦合過程在揭示陸地生態系統碳源與碳匯的動態變化及其驅動機制方面具有重要的科學意義，是制定碳減排與碳增匯對策的重要理論基礎。

②生態水文學作為一門交叉學科，通過整合生態學與水文學的理論與方法，為揭示水循環與陸地生態系統的相互作用提供了新的科學視角。其應用范圍涵蓋森林、植被、河湖、濕地、濱海區域、城市與農業生態系統以及流域尺度的碳減排評估與工程措施研究。然而，生態水文學尚處于發展階段，其學科體系仍需進一步完善，理論與方法的創新將是未來發展的關鍵方向。

③生態水文學的研究應進一步納入流域系統與地球系統科學的框架中，以流域作為核心研究單元，全面分析其水文、生態及氣候相互作用的復雜性。未來的發展方向應緊密圍繞“雙碳”戰略目標，以數字化生態技術為驅動，推進水利工程與生態水文學的深度融合，構建“智慧生態水利”的理論與實踐體系，進一步完善流域減碳增匯措施與技術，加強環境倫理相關研究，助力國家生態文明建設目標的實現。

Abstract: Under the “dual carbon” goals, global climate change and carbon reduction have become central issues of our era. Achieving carbon neutrality requires addressing the interconnections of terrestrial, marine, and atmospheric water and carbon cycles, particularly at the watershed scale. As an interdisciplinary field combining hydrology and ecology, ecohydrology provides critical water science support for achieving carbon peaking and carbon neutrality. This study systematically summarizes key advancements in ecohydrology across its subfields, including vegetation ecohydrology, river and lake ecohydrology, and watershed ecohydrology. Focusing on core scientific challenges, it is proposed that future ecohydrology research within the framework of “dual carbon” goals should emphasize innovative carbon sink technologies for natural ecosystems. Key areas include land-climate interactions, the “dual carbon” challenges posed by urbanization and agricultural intensification, carbon issues related to river and reservoir construction and operations, and integrating ecohydrological approaches with circular economy and nature-based solutions. To further the development of ecohydrology as a cross-disciplinary field, the study recommends prioritizing research on river health and circular economy-oriented ecohydrology and advancing urban and regional development models that integrate natural ecosystems with circular economy principles. Finally, the paper highlights future research directions and priorities for ecohydrology, aligning with its strategic significance and practical needs.

Keywords: ecohydrology; “dual carbon” goals; water and carbon cycles; nature-based solutions; circular economy

本文引用格式：

夏軍.“雙碳”背景下生態水文學的研究與展望[J].中國水利，2025（1）：1-6.

封面攝影｜王忠慶

責編王慧

校對劉磊寧

審核軒瑋

監制趙洪濤

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