徐宗学教授一直致力于水文学相关问题的研究，其团队在国家自然科学基金重大研究计划“黑河流域生态-水文过程集成研究”的资助下，于2012～2015 年开展了“黑河流域中游地区生态-水文过程演变规律及其耦合机理”(91125015) 项目研究。项目通过生态水文历史数据统计分析、野外生态样带调查和生态水文数值模拟，定量识别了黑河流域中游地区水文过程和生态系统演变规律，探讨了区域水文过程和生态系统的相互作用，模拟了现状条件下黑河中游地表水与地下水动态转化规律及其未来的变化趋势，构建了流域地表水-地下水-生态耦合模型，模拟分析了不同气候变化情景和不同水资源利用模式下陆地生态系统的演化规律。该项目是对黑河流域中游地区大气水、地表水、地下水、土壤水和生态系统之间的相互作用关系，以及定量评估的探索性研究，《黑河流域中游地区生态水文过程及其分布式模拟》是该项目研究成果的总结和凝练，该书的研究内容和方法体现了生态水文学的相关前沿理论，对水文学及水资源、地下水科学与工程、环境科学、生态科学等相关专业的科研和教学人员具有重要的参考价值。

中国科学院院士

2019 年8 月

水是生命之源，生产之要，生态之基。然而，在我国干旱内陆河流域，生态系统极其脆弱且对水资源依赖性极强，地表水地下水转化十分频繁，转化规律较为复杂，由于水资源的不合理利用，加之气候变化和人类活动的影响，已经出现了诸如水资源枯竭、地下水位下降、水质恶化、土壤沙化和盐渍化、植被退化等诸多生态与环境问题，严重影响了当地经济社会的可持续发展。因此，如何通过建立耦合观测、实验、模拟、情景分析等环节的地表-地下水、生态-水文过程耦合模型，揭示地表-地下水相互作用机理及其生态水文效应，了解地表水与地下水的循环规律和交换过程，认识水文水资源、水环境水生态的基本特征和演化规律，以及对区域生态过程的影响，已成为水文水资源领域学科前沿，以及区域经济社会可持续发展中的水安全、生态安全和水资源可持续利用迫切需要研究解决的难题。

生态水文学是20 世纪90 年代兴起，重点研究生态格局和生态过程变化的水文学机制的一门交叉学科。不同时空尺度和不同环境条件下生态水文过程及其耦合模拟是其中的一个重要研究方向，也是全球范围内生态水文学研究的热点问题之一。

黑河流域是我国西北地区典型的内陆河流域，气候干旱，生态环境脆弱。中游地区人口聚集，水资源开发利用程度高，由于过度垦荒种田，发展绿洲，过量开采地下水，导致地下水位大幅度下降，人类活动对生态系统和水文过程产生了重要影响。这些问题已严重制约当地经济社会的可持续发展，影响着人们的生存环境。认识气候变化和人类活动下干旱内陆河生态-水文过程演变规律及其耦合机理，寻求人与生态和谐共存的对策，一直是干旱区研究者关注的核心问题，2001 年国务院批准并实施黑河流域黑河调水及流域治理规划。自2000 年以来，以黑河流域为研究基地，开展了多项重大和重点研究项目，同时设立了众多定位观测站点，建立了中国西部环境与生态科学数据中心平台，这些工作为本书相关的研究工作开展奠定了良好的基础，但对于黑河流域中游地区的研究更多侧重水文、地下水和生态等单一和两重因素研究，需要进一步开展从地形地貌特征、水文地质条件到地表水与地下水相互转换，从气候变化与人类活动到陆地生态系统演变、水循环变化的全过程研究，建立气候变化和人类活动影响下，地表水-地下水-生态系统之间的耦合关系，从而为水文学及水资源、地下水科学与工程、生态科学等学科的发展，为黑河流域中游地区的经济社会发展提供理论依据和科技支撑。

▲ 技术路线图

作者在国家自然科学基金重大研究计划“黑河流域生态-水文过程集成研究”重点支持项目“黑河流域中游地区生态-水文过程演变规律及其耦合机理”的支持下，聚焦于黑河中游地区水循环和生态系统关系及耦合机理问题，采用遥感和GIS、观测和实验、数值模拟等技术，重点研究气候变化和人类活动影响下黑河流域中游地区水文过程演变规律及其生态效应、黑河流域中游地区生态系统演变规律及其对水循环的影响，以及生态-水文过程耦合模拟三大内容。

在收集和整理生态-水文模型多源数据的基础上，对研究区典型植被土壤样带展开了多次调查，厘清上中游水文过程演变与人类活动和气候变化的驱动力，辨识流域NDVI 时空变化特征及其驱动因素，分析土地利用和景观格局变化规律，探索利用高光谱遥感反演土壤植被信息的方法，建立中游地区基于物理机制的生态水文模型。

▲ 生态模型原理

本书是一部具有很强实践性的专著，主要内容是在黑河重大研究计划重点支持项目的研究基础上提炼完成的，作者也是本项目的主要承担者。专著总体设计与大纲由徐宗学教授负责，胡立堂教授负责统稿。

▲ 本书编委会

• 第1 章 绪论，由徐宗学、胡立堂编写。主要介绍了研究背景和意义、国内外研究进展、研究中存在的问题和研究思路。

• 第2 章 研究区概况，由胡立堂、庞博、王子丰编写。主要介绍了黑河流域中游地区自然地理、水文气象、生态系统、社会经济、水资源开发利用的特点和存在的主要问题。

第3、4 章由彭定志、庞博、邱玲花、赵珂珂编写。

• 第3 章 上游山区径流变化及其对中游地区水资源的影响。阐述和分析了黑河上游山区径流变化及其对中游地区径流及水资源消耗量的影响。

• 第4 章 中上游降水径流变化与水循环演变规律实证分析。分析了黑河中上游流域径流变化规律，并进而对中上游流域、上游流域、中游流域及四个子流域的径流变异驱动力进行了分析评估。

• 第5 章黑河中游典型生态系统生态水文调查研究，由张淑荣、程春晓和岳卫峰编写。讨论了黑河流域中游地区典型生态系统(主要包括农田、河岸带、荒漠和绿洲-荒漠过渡带)植被土壤样带/样地生态特征，以及不同典型生态系统的生态水文过程。

• 第6 章 黑河流域中游蒸散发划分及其驱动要素研究，由徐宗学、王子丰编写。利用涡动相关和自动气象观测，基于能量平衡双源模型，识别能量平衡组成项的比例。

• 第7 章 黑河中游水循环演变对生态系统的影响，由徐宗学、彭定志、王子丰、邱玲花、赵珂珂编写。应用基于下垫面指数的弹性系数法评估流域下垫面变化对流域水文过程的影响。

• 第8 章黑河中游地区植被覆盖和景观格局变化研究，由张淑荣、王子丰、赵捷编写。通过研究黑河中游地区植被NDVI、土地利用和景观格局时空变化特征，分析了黑河中游植被20 多年的变化特征。

• 第9 章黑河中游土壤植被高光谱反演方法，由王国强编写。采用生物量作为关键参数，剖析了土壤物理化学性质及生物量对土壤水蚀过程的影响，开展了土壤理化属性与生物量的高光谱反演试验研究。

第10～12 章由胡立堂、孙文超编写。

• 第10 章 分布式生态水文模型原理和框架。介绍了基于物理基础的生态水文模型的原理和框架及模型验证。

• 第11 章 分布式生态水文模型率定与验证，主要介绍研究区生态水文模型的数据支撑、模型率定和验证。

• 第12 章 分布式生态水文模型综合集成与预测，介绍了生态水文模型的模型预测和应用。

• 第13 章 结论与建议，由徐宗学、胡立堂编写。

本书研究成果将为黑河流域水资源管理和生态系统建设，以及经济社会可持续发展提供重要理论依据和科技支撑，也将促进水文学及水资源、地下水科学与工程、生态科学等学科的发展，具有重要的现实意义与较为广泛的推广应用前景。

本文摘编自《黑河流域中游地区生态水文过程及其分布式模拟》(徐宗学等著. 北京：科学出版社，2020.6)一书“前言”“序”，有删减，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-065387-1

责任编辑：杨帅英 李 静

本书针对黑河中游地区水循环与生态系统关系及耦合机理，重点开展气候变化和人类活动影响下黑河流域中游地区水文过程演变规律及其生态效应、黑河流域中游地区生态系统演变规律及其对水循环的影响，以及生态-水文过程耦合模拟相关研究。作者系统搜集和整理黑河中游流域生态-水文过程多源数据，开展研究区典型植被土壤样带野外调查，厘清上中游水文过程演变的主要驱动力，辨识流域NDVI 时空变化特征及其驱动因素，分析土地利用和景观格局变化规律，探索利用高光谱遥感反演土壤植被信息的方法，建立中游地区基于物理机制的生态水文模型。

本书既可以作为研究干旱区生态水文过程及其耦合模拟问题的参考资料，也可以作为水文学及水资源、地理学、资源科学、环境科学、生态科学等相关领域的专家、学者和研究生以及高年级本科生的参考用书。

(本文编辑：刘四旦)

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