第1章 绪论

1.1 研究背景、目的和意义

1.1.1 研究背景

水是生命之源。如果没有水，地球上的动物、植物将不复存在；如果没有水，人类文明将随之消失。在远古时代，人们依河而居，产生了古代文明，如我们熟悉的古代四大文明。其一是古埃及文明，由于尼罗河从西北向西南横穿埃及全境，所以又叫尼罗河流域文明。其二是两河流域文明，苏美尔人在美索不达米亚南部开掘沟渠，建成复杂的灌溉网，成功地利用了底格里斯河、幼发拉底河的河水，从而创建了人类历史上的第一个文明即古两河流域文明。其三是古印度文明，大约出现在古两河流域文明1000年之后。由于古印度河的存在，为沿河两岸的游牧民带来了农田灌溉的条件，促进了农业生产的发展。其四是中国文明，主要指黄河流域和长江流域文明。应该说，黄河流域是中华民族比较早的文明发祥地。由于黄河的存在，大约180万年前，人类就开始在黄河流域生息、繁衍。在长江流域，河姆渡文化的发现与发掘，证明中国成为世界上最早种植水稻的国家之一，说明长江流域也是中华民族古老的文明发祥地。

在当代，水更是人们生存的基本保障。没有水，当代的农业生产、人们生活及经济建设将难以持续。联合国公布的数据显示，全球用水量在20世纪增加了6倍，其增长速度是人口增速的2倍。联合国教科文组织认为，目前地球上淡水资源总体充足，但由于分布不均、管理不善、环境变化及基础设施投入不足等原因，全球约有1／5的人无法获得安全的饮用水，40%的人缺乏基本卫生设施。

无论是从古代还是现代来看，凡是有水的地方，必有城市的兴起、区域经济中心的发展和崛起。有人说：21世纪，最重要的资源就是水资源。从当代各个国家围绕国际河流的水事争端中可以看出，水作为重要的自然资源和基础战略资源日益得到国际社会的重视。现今全球约有1/6的人口（超过10亿人）无法获得足够的安全水。随着世界人口的快速增长，工农业生产的迅速发展，城市化进程加快，人类对水资源的消耗速度不断增加。联合国预测，2025年世界一半以上的国家和地区将面临水资源短缺问题，2050年全球多达3/4的人口可能受缺水的影响。在全球水资源危机的背景下，国际河流的水资源可能成为影响地区乃至全球和平与稳定的关键因素。

我国水资源总量约为2.8124万亿m³，占世界径流资源总量的6%。但我国是用水量最多的国家，1993年全国取水量（淡水）为5255亿m³，占世界年取水量的12%，比美国1995年淡水取水量（4700亿m³）还要高。由于人口众多，目前我国人均水资源占有量仅2050m³，约为世界人均占有量的1/4，排名百位之后，被列为世界人均水资源贫乏国家之一。另外，中国属于季风气候，水资源时空分布不均匀，南北自然环境差异大，其中北方9个省（自治区、直辖市）人均水资源占有量不到500m³，实属缺水地区；特别是近几年来，城市人口剧增，生态环境恶化，工农业用水技术落后，水资源浪费严重，水源受到污染，更使水资源贫乏的状况“雪上加霜”，并成为国家经济建设发展的瓶颈。我国水资源不仅总量有限，而且污染严重。据中国环境公报数据，中国七大流域水质状况从坏到好的次序是辽河流域、海河流域、淮河流域、松花江流域、黄河流域、珠江流域、长江流域。淮河191条支流中近80%的河段河水泛黑发绿。

海河流域地跨北京、天津、河北、山西、河南、山东、内蒙古、辽宁8个省（自治区、直辖市），是全国政治文化中心和经济发达地区。流域内有2个直辖市、33个地级市（盟）和256个县（区），其中包括唐山、石家庄、保定、邯郸、大同、长治、新乡、焦作等26个地级以上大中城市和31个县级市，人口密集，城市众多（任宪韶等，2007）。流域内总人口1.37亿，占全国人口的10%。海河流域是我国重要的经济区。2008年海河流域GDP达3.95万亿元，占全国GDP的13%。海河流域还是我国重要的工业基地和高新技术产业基地，在国家经济发展中具有重要的战略地位。海河流域的土地及光热资源丰富，是我国三大粮食生产基地之一。2005年耕地面积15981万亩（10.65万km²），占全流域面积的33%。2008年海河流域粮食总产量5754万t，占全国粮食产量的12%。

海河流域水资源总量370亿m³，人均占有量272m³，仅为全国平均水平的1/8、世界平均水平的1/24。流域水资源整体呈现短缺现象，水污染严重，特别是平原地区，面临着“有河皆干，有水皆污”的境况。

1949年北京人口约209万人，人均水资源达1800m³。随着人口激增、城市规模扩大，到2012年，北京的人口达到了2069万，比1949年增加了近10倍。1950年北京中心城区的面积为100km²，到2005年扩大到1210km²，扩大了12倍多（艾伟，庄大方，刘友兆，2008）。城市用水需求比1949年增长了40倍以上，用水量增长过快，超大的城市规模超过了区域水资源承载力，导致北京变成了世界上缺水最严重的特大城市之一。

海河流域的水问题是缺水地区的共性问题，同时海河流域也是我国乃至全世界人类活动对于流域水循环扰动强度最大、程度最深、类型最复杂的地区，因此开展该流域水资源及生态与环境问题的研究，对于其他弱扰动缺水地区无疑具有直接的参考和借鉴意义。

基于此，本书选择海河流域为典型研究对象，从农田生态系统与水循环演变间关系的角度开展研究，旨在探讨高强度人类活动和气候变化背景下的农田生态格局和水循环变化特点，以及其间相互作用的内在机理及其规律。

1.1.2 研究目的与意义

气候变化及人类活动是影响水文要素（降雨量、径流量及蒸发量等）的两个重要的因素。人类活动对水文要素的影响，是通过下垫面的改变来实现的，如修建水利工程、开荒造林等。

在已经发生和观测到的降水、蒸发和径流等水文序列过程及其空间分布的变化中，既有自然变率的影响，又有人类活动包括温室气体排放和下垫面变化的影响。对于水资源管理部门而言，要量化这些因素（气候变化、人类活动等）对于水文要素（降雨量、蒸发量、径流量等）的影响程度具有十分重要的意义。从观测数据入手，正确认识已经发生的自然变率和人类活动的影响，以及它们如何在不同的时空尺度上影响水文过程，这不仅为认识气候变化下水文循环响应机理提供事实基础，也可为正确地预估未来提供事实依据。因此，如何甄别海河流域水循环要素时空变异，是理解水文循环变化对水资源安全影响以及回答过去怎么变和未来怎么变的，最重要的关键科学问题之一。

气候变化和人类活动变化导致区域水循环过程的变化，最显著的一个影响方式是以农田生态格局变化的形式对水循环过程产生影响，水循环变化又反过来作用于农田生态系统，对农田生态系统演化过程产生很大的影响。本研究选择水资源紧缺、生态环境退化严重的海河流域典型地区为研究区，从农田生态系统与水循环变化角度开展研究，以典型流域为研究对象，揭示水文循环演变与农田生态系统的互动效应。本研究选题具有重要的理论价值和实用意义，研究成果对于认识人类活动与气候变化共同作用下水文循环演变对农田生态系统物质循环的影响，进而探寻农业生态系统对水文循环演变的响应机理，提出环境恶化地区生态保护、恢复与重建的水文调控方案具有重要的理论价值与实际意义，同时对于认识人类活动与气候变化对农田生态系统温室效应的影响，实现农田减排具有重要的理论与实际意义。

依据这些研究的成果，可以制定切实可行的水资源管理战略，合理、充分地利用水资源，为经济的发展提供有力的支撑。通过降雨-径流趋势的研究，可以发现在相同降雨量的情况下产流的趋势。通过趋势分析，可以预测未来可供我们利用的水资源量，为我们制定水资源管理策略提供依据。同时，科学管理人类的活动，使水资源的发展朝着有利于人类物质文明、精神文明进步的方向发展，创造人水和谐的环境；通过改善产流条件，如采取植树造林、绿化荒山、种草护坡等措施改善下垫面，使我们得到更多的可利用水量，供农业、工业和人们生活使用，使生态得到改善的同时，做到农业、林业、畜牧业等同步发展，提高人们的生活质量。