1.2 国内外研究动态与进展

水文循环是发生于大气环流水和地表水、地下水和降水之间的水量转化过程。合理地开发和利用水资源，是通过对水循环变量的调节来实现的，其目标是满足生态、环境、社会等不同方面对水资源的要求，支撑社会的可持续发展。

目前的水循环研究主要表现在以下三个方面：一是水循环过程和机理的研究，该研究内容延伸和拓展了传统水文学、气候学等相关学科；二是研究人类活动影响和全球气候等变化条件下水循环的演化过程；三是研究水循环变化对社会、环境以及水资源利用等的影响。另外，对不同区域水循环要素的时空演变规律，如径流、降雨、参考作物蒸发蒸腾量等要素的年际、年内变化及流域空间分布特征等都有不同程度的研究。但目前水循环研究的对象主要集中于长江、黄河等大的河流，海河作为中国北部最重要的河流之一，其水文要素变化过程虽然也有学者作了探讨，但并不全面，有针对性并系统地探讨海河流域水文循环变化过程的工作有待开展。

农田生态格局研究主要是通过格局指标度量农田生态景观合理与否，并侧重于研究格局的时空变化特点，为指导农业生产和农业景观生态设计与发展规划提供科学依据（Marcos，2003；付梅臣，2005）。格局的概念、方法论与具体度量方法在国际上已日趋完善，尤其是RS与GIS等技术手段的广泛应用，使得有关农业生态格局方面的文献和研究不断涌现。20世纪90年代以来，全球性土地利用/土地覆被（LUCC）研究成为全球变化研究的主要部分，由此进行的土地利用/土地覆被变化及其生态环境效应的理论与实证研究成果不断涌现（胡华科，2006；徐春迪，2006）。但依据农田生态格局的变化特点，探讨其对区域水文循环变化的影响效应，这方面的研究工作并不多见。

同时，农田生态系统在全球温室气体排放中占有着至关重要的地位，基于大量的田间试验，研究人员已经从产生、排放、影响因素、模拟模型方面开展了广泛的研究，提出了基于经验统计和农田碳循环模型的机理性模拟模型，其中机理性模型CENTURY、DNDC具有较好的理论基础和应用效果。基于模拟模型的研究方面一般针对一个或几个情景（肥料、耕作、气温、大气CO₂浓度等）进行模拟与对比分析，从长序列历史资料角度的研究未见报道。农田水文循环角度的研究大多侧重于土壤水分变化和降雨对土壤温室气体排放短时间（几天至十几天）的影响。人类活动包括耕作、施肥等的影响也大都针对较短时间内（1～3个作物生长季）的影响。关于变化环境对温室气体排放的研究则主要针对气候变化对农田温室气体排放的影响。农田的水循环与碳循环息息相关，有必要从长系列角度研究水文循环演变（人类活动和气候变化的共同结果）对农田生态系统排放的影响开展研究。

1.2.1 国外研究动态

从20世纪70年代开始，国外就已有关于气候变化对水资源的影响的研究。Schwarz等（1977）的研究对象为美国东北部，在分析了已有的水文条件的基础上对气候对洪水的影响进行了评价，结果表明河川径流对气候变化十分敏感。Nash等（1990）分析了科罗拉多河的水文资料，并修正了以前所用的水平衡模型，进一步比较了以前统计模型的研究结果。从分析结果看，新模型下各种情景下径流的减小值比原分析值小，表明统计模型估计值过高。Fontaine T.A.等（2001）的研究区域为美国南达科他州黑山地区，他们以降水、气温和CO₂倍增为气候变化情景，分析了黑山地区水文对气候变化的响应。其研究表明，气温升高4°C，年水量减少38%；在气温升高4°C和CO₂倍增的情景下，径流将减少26.6%。植被的叶孔随着CO₂浓度增加而关闭，从而减少了蒸散发量，以至径流量增加。Abdo K.S.等（2009）研究的区域为埃塞俄比亚塔纳湖流域，他们利用HBV分布式降雨径流水平衡模型，评估该区域未来气候变化对水文特征的影响。其研究表明，在假定的A2和B2气候情景下，未来2080年代的径流量在雨季分别降低11.6%和10.1%。如果降水减少20%，温度增加2°C，则未来雨季的径流将会减少33%。Athanasios Loukas等（1996）研究了CO₂倍增对流域径流的影响，研究流域为Illecilleawet流域和英国哥伦比亚区Campbell流域上游。研究表明，气候变化将引起冬季径流增加，夏季径流减少。对于水文过程线的形状而言，Illecilleawet流域变化较大，而Campbell流域上游基本没有变化。对于平均年径流量的影响，两个流域也不尽相同，虽都有增加的趋势，但Illecilleawet流域增加较大为21%，而Campbell流域仅增加7.5%。Gleick等（1986）研究了气候变化与该流域水文情势间的相互关系。研究选取美国加州萨克拉门托流域为研究对象，应用水量平衡模型，其气温和降水数据由8种不同的GCMs模型得到。结果表明，CO₂加倍将使流域夏季径流减小，冬季径流增加，减少量为30%～60%，增加量为16%～81%；还会使夏季土壤湿度减低14%～36%。证明了降雪和融雪的条件变化是引起水文响应的内在机制。

Mimikou M.A.等（1997） 分析了CO₂倍增情景下水资源量的变化，研究对象是希腊北部Aliakmon河，所用模型是WBUDG月水量平衡模型。研究假设了3种CO₂倍增情景，1种渐变情景UKTR和2种平衡的情景UKHI、CCC。研究表明，UKTR情景下，夏季径流量和平均年径流量都有显著减少，分别减少33.4%和33.1%；UKHI情景下，夏季径流减少22.1%，年平均径流量减7.3%；CCC情景下夏季径流减少22.6%，年平均径流量减少8.2%。Mccabe等（1990）预测了季节径流和土壤含水量的变化，研究流域为美国特拉华流域，应用的是Thomthwaite水量平衡模型。流域冬季气温升高，将致使降雪以雨水形式降落，从而冬季径流会增加，相反春夏两季径流减少。流域北部蒸散发的增加和积雪的减少，将致使径流年内分配规律改变，可用水资源量也呈减少趋势。

根据GCMs的输出结果，美国环境保护署评估了美国未来水资源情势。研究表明，在CO₂倍增情景下，美国中部径流将减少26%，西北部增加20%～60%；在加利福尼亚州，夏季径流减少，冬季径流增加；在格兰特河和科罗拉多河流域的年径流量有减少趋势；尽管在中南部、中部和北部各洲水资源的变化趋势不明显，但总体上干旱气候比湿润气候敏感，丰水所受的影响小于枯水。假定冷湿的情景为降水增加10%，气温降低2℃；暖干的情景为降水减少10%，气温升高2℃。绝大多数地区暖干情景下水资源量较小，约为冷湿情景下的50%～70%（Mccabe，1990；Stamm and Gettelman，1995；Gregory et al，1997；Karl et al，1989）。

近年来，针对流域农田生态格局及其组分的变化分析是国外农业景观格局变化研究的主要研究对象（郭文华，2004）。Fisher和Harris（1999）研究了林地组分的空间格局变化，研究对象是1954—1989年澳大利亚新南威尔士。地理信息系统的解析结果表明，在过去的35年里自然林地呈减少趋势，人工种植地有所增加。总体上看，自然林地减少和破碎的趋势将会对农业生产及环境保护产生影响（Hietlaa-Koivu，1999；Kelley and Crews，2004）。Hietala-Koiva（1999）研究了芬兰西南部的Ylane地区农田生态格局变化。景观指数分析结果表明，该地区在39年的农业实践影响下，农田生态斑块减少，景观趋于均质化（许丽，2001）。Gunilla和Olsson A（2000）研究了挪威中部山区34年（1960—1993年）的景观格局变化，生物多样性及土地利用的变化（许丽，2002）。

这些分析研究都是用传统的景观生态学方法，在分析土地利用的改变及其对生物多样性影响的基础上，预测未来可持续农业的发展方向。

1.2.2 国内研究动态

国内对于研究流域水循环变化、气候变化及人类活动对于水文要素影响的研究文献主要有：王顺德等（2003）分析了人类活动及气候变化因素在塔里木河流域水文要素中的反映。受全球气候变暖的影响，塔里木河流域在过去的40年中年平均气温升高0.6℃，年平均降雨量也有增加。受支流地区用水量增长的影响，汇入干流的主要河流由原来9个主要水系减少到只有4条源流补给塔里木河。塔里木河干流上、中游区间耗水量严重，仅有区间径流量的5%左右的水量汇入下游，导致下游生态环境急剧恶化。韩瑞光等（2009）分析了人类活动对海河流域地表径流量的影响。文中利用分布式水文模型法和天然径流系列一致性修正法，验证了下垫面变化对径流量的影响程度。潘燕辉等（2012）分析了气候变化及人类活动对黑河水资源的影响。研究选取西部干旱区内陆河黑河的中游为研究区域，分别运用主观、客观赋权法和组合赋权法分析气候变化和人类活动中各因素对黑河水资源影响的权重。组合权重评价结果表明，人类活动是研究区水资源变化的主要原因，其累计权重达66.63%，大于气候变化影响权重33.37%；人类活动因素中人口占主导作用，权重为17.67%；气候变化因素中年降水量是主要因素，权重为24.83%。

在国内，对于农田生态格局变化研究主要是针对大中尺度景观格局的分析。肖笃宁等（1990）分析了沈阳西郊的农田生态格局变化。傅伯杰（1995）研究了黄土区农田生态格局的变化规律，采用GIS分维分析与统计分析的研究方法。曾辉等（1999）开展了区域景观组分转移模式及动态变化的研究，其研究区域为珠江三角洲东部地区常平镇。研究揭示了经济发展过程中研究区的景观组分转移模式和景观动态变化阶段的特征。肖寒等（2001）借助GIS技术，以海南岛为研究对象分析了不同景观类型的空间分布和空间格局特征，探讨了该地区人类活动和农田生态格局结构之间的关系。李新通、朱鹤建等（2000）研究了42年间大南坂农场景观格局和土地利用的变化，通过景观格局指数和GIS方法分析了农业活动对景观的二次影响，并对其时空分布规律的内涵进行了探讨。肖笃宁、李小玉等（2005）研究了石羊河尾闾民勤湖区的景观格局及其动态演变，利用转移矩阵比较了土地利用格局的空间转化趋势（布仁仓，2005；李秀珍，2004；De Roo，1993；Fohrer，2001；Moussa，2002）。分析结果表明，绿洲斑块形状简单化，景观多样性降低。湖区绿洲荒漠化趋势加剧，同时也存在以牺牲林、草地为代价的开荒现象，农田的增加使湖区水资源越加紧张，地下水超采现象突出。而地下水水质恶化、水位下降，致使大量农田弃耕，农田生态格局越发复杂（Sullivan，2004）。