生态水文学中的水文连通性：一个基础性范式、其重要性及研究展望

《Water Science and Engineering》：Hydrological connectivity in eco-hydrology: A foundational paradigm, significance, and perspectives

水文连通性作为生态水文的核心概念，揭示了水-能-物质-生物在景观异质性调控下的跨尺度传输机制，其结构-功能双维框架（静态潜在与动态实现）及垂直/水平/纵向多维度分类，为解析生态响应阈值、预测系统韧性及制定精准管理策略提供了理论支撑。

　　

李向虎|徐立刚

中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与流域水安全国家重点实验室，中国南京211135

1. 引言

水文连通性是描述水、沉积物、生物和营养物质在生态系统内流动能力的关键指标，已成为当代生态水文学的核心范式和基础理论框架（Grill等人，2019）。生态水文学旨在阐明水文过程与生态格局和功能之间的动态耦合机制，而水文连通性是理解这一复杂反馈关系的关键纽带。尽管传统的生态水文学研究主要关注水资源的可用性对生态系统的影响，但往往将水文路径简化为单向或均匀的流动过程，从而忽略了景观结构在空间组织和调节生态过程中的作用。

相比之下，水文连通性构建了一个多层次、多维度的动态传输系统，从微观的土壤孔隙网络延伸到宏观的河湖水道。该系统不仅决定了水的时空分布，还从根本上调节了能量流动、物质循环、物种迁移和信息传递等核心生态过程（李等人，2021）。因此，推进水文连通性的研究对于将生态水文学从现象学关联提升到机制分析，从静态描述发展到动态预测具有科学意义。这也是应对全球变化背景下生态系统退化和水资源危机等紧迫挑战的重要途径。

2. 水文连通性的定义与分类

水文连通性是现代水文学、生态学和地貌学交叉的核心概念，已从最初的定性描述发展成为系统的理论框架。广义上讲，它指的是水、沉积物、溶解物质和生物沿特定路径在景观中移动和交换的潜在或实际效率（Keesstra等人，2018）。这一定义强调了其双重性质：水文连通性既体现了景观结构固有的静态潜力，也反映了由水文驱动因素激活的动态过程。Pringle（2003）将其定义为通过水流动进行的物质、能量和生物的交换，突出了其生态重要性。而Bracken和Croke（2007）从水文地貌学的角度将其描述为理解以径流为主导的地貌系统的关键，强调了其在塑造地表过程中的核心作用。本质上，水文连通性揭示了景观空间异质性如何组织、调节和整合水文通量的机制。因此，它是解释流域内非线性水文响应和物质传输的基础概念。

水文连通性的复杂概念可以通过多个维度进行分类（Tan等人，2021），其中最基本的区分是结构连通性和功能连通性。结构连通性指的是景观单元的物理配置和空间排列，如河流网络的连续性、土壤渗透性的空间分布以及土地利用模式。可以通过地图、遥感图像或地理信息系统对其进行静态描述。相比之下，功能连通性强调在特定水文事件（如降雨或融雪）下沿现有结构的物质和能量传输的动态过程和效率。它取决于水文条件，如降雨强度和前期土壤湿度，并与时间动态密切相关。例如，一条干涸的河道可能具有较高的结构连通性潜力，但其功能连通性只有在有水流时才会体现出来。这种区分突显了静态潜力和动态实现之间的本质差异（Crompton等人，2023）。

根据传输介质的不同，水文连通性可以分为地表水文连通性（受地形、植被和表面粗糙度塑造的地表径流路径控制）和地下水文连通性（受地质结构、土壤孔隙及土壤水和地下水流动系统中的裂缝控制）。这两类连通性经常通过渗透和补给等过程相互作用。就方向性而言，水文连通性通常包括纵向、横向和垂直连通性。纵向连通性指的是沿河流上下游轴的连续性，影响沉积物输送和鱼类迁徙；横向连通性表示河流与其泛滥平原、湿地和河岸带之间的联系，调控养分交换和洪水脉冲效应；垂直连通性涉及地表水与地下水之间的交换，影响河岸生态和基流维持。

需要注意的是，水文连通性具有明显的尺度依赖性（Liu等人，2020）。在微观尺度（如土壤剖面），它表现为孔隙和裂隙网络对水流和溶质传输的控制；在坡度尺度上，它体现在由微地形引导的径流集中和流路形成；在流域尺度上，则体现在河道网络的拓扑结构和流动集中的效率上。由于不同尺度上的主导过程和控制因素不同，对水文连通性的概念理解和测量方法也必须相应调整。

3. 水文连通性的作用与意义

基于这一概念基础，水文连通性在生态水文学研究中发挥着多个关键作用。它提供了一个空间明确的 process-mechanism 框架，用于探讨水文过程如何驱动生态格局，以及生态过程如何反过来影响水文功能。同时，它揭示了控制水、养分、生物和能量在异质景观中传输的路径依赖性和网络效应，从而将离散的生态水文现象整合为连贯的级联响应（Saco等人，2020）。

首先，水文连通性为理解耦合水文-生态系统中的空间异质响应提供了一个统一的机制框架。生态系统对水文变化的反馈并非均匀，而是强烈依赖于水、养分和生物在各个斑块之间的传输路径和效率（Liu等人，2025）。例如，在干旱和半干旱地区，植被格局的演变并非随机，而是与地表径流或地下水流形成的资源传输路径紧密相关。水文连通性的动态变化（如侵蚀导致的河道切割和土壤结壳改变的渗透性）可以直接改变这种资源再分配模式，从而驱动植被演替。在河岸和湿地生态系统中，横向连通性（河流与泛滥平原之间的水力连接）的强度和频率决定了养分传输和种子扩散的规模和范围，塑造了独特的栖息地异质性和生物群落结构（Liu等人，2021）。

其次，水文连通性为准确量化和建模生态系统服务的产生和维持提供了物理基础。许多关键生态系统服务的效率，包括水资源保护、水质净化、洪水调节和生物多样性维持，都与特定的水文连通性状态密切相关（Lee等人，2023）。高度连通的坡面流动路径会加剧土壤侵蚀并加速非点源污染物的传输，从而削弱下游的水质净化能力。相反，适度的横向连通性（如周期性淹没）有助于在泛滥平原中保留和转化沉积物和养分，同时为水生生物提供关键栖息地和繁殖场所。关于生物元素（如碳和氮）的循环，水文连通性通过调节溶质传输路径和滞留时间，深刻影响了土壤-植物-水连续体中的生物地球化学转化速率和位置（Tan等人，2026）。

第三，水文连通性为诊断和预测全球变化背景下生态水文系统的脆弱性和韧性提供了核心视角。在气候变化和人类活动的双重压力下，水文连通性的变化已成为生态水文系统格局转变和退化的关键驱动因素。气候变化通过改变降水模式和极端事件的频率影响连通性的动态激活；人类活动（如大坝建设、河道化、道路建设和农业扩张）则更直接和永久地改变或破坏自然连通路径。这些改变常常使原本紧密的生态和水文过程之间的联系脱节（Li等人，2021）。例如，大坝会阻碍鱼类迁徙和沉积物传输，从而改变下游的流量-沉积物格局和河床栖息地。堤坝会破坏横向连通性，导致泛滥平原湿地的退化及其生物过滤和缓冲功能的丧失。

4. 前景

为应对生态水文学研究中的新兴挑战，未来的水文连通性研究预计将从现象学描述和孤立过程的量化转向一个新的阶段，该阶段的特点是深入整合先进的机制见解、多尺度预测能力和实际调控措施。预计在以下四个领域将取得关键突破：

深入理解多过程耦合和生态反馈机制。研究应着重于阐明水文连通性如何调节关键生物地球化学循环中的耦合传输和转化过程，例如水-碳-氮相互作用。需要研究不同连通性路径如何差异性地传输水、溶解有机碳、养分和污染物，并分析这些物质在传输过程中的相互作用和生态效应。同时，也应关注生态过程如何反过来塑造连通性模式。

发展跨尺度的生态水文连通性理论和智能模型。一个核心的科学挑战是将微观尺度（如根区和土壤剖面）观察到的水和溶质选择性传输机制可靠地放大到控制生态系统格局和功能的景观和流域尺度。这需要开发基于过程的、数据集成的、跨尺度的理论框架，并深入整合机器学习和机制模型，以创建新一代模拟工具，揭示水文连通性如何影响生态系统格局和功能。

关注全球变化下水文连通性的响应阈值和系统韧性。在气候变化和人类干扰加剧的背景下，识别维持生态系统健康和服务的关键连通性阈值至关重要。未来的研究应优先探讨极端水文事件如何激活或破坏关键的生态和水文联系。研究还应量化各种管理干预措施（如河岸修复和湿地恢复）在恢复水文连通性方面的有效性，并评估它们在增强生态系统适应能力和韧性方面的作用。

推进生态系统服务的精准调控以实现协同优化。需要开发标准化和操作性的水文连通性诊断工具，将其作为评估河流-湖泊-湿地系统健康和生态系统服务能力的核心指标。应将连通性调控作为核心管理策略。例如，优化湿地复合体和森林斑块的空间配置可以最大化水资源保护和净化的协同效益。通过主动增强或破坏特定的水文联系，可以精确调节水、沉积物和污染物的传输路径，实现多重目标的协同效果，包括洪水缓解、水质净化和栖息地恢复。

未引用参考文献

Bracken等人，2013。