张明芳教授在Science正刊发文 引领学界系统认识森林与水的复杂关系

文:王晓刚 学生记者团 许莹莹 图:邝俊 资环学院 / 来源:新闻中心 / 2021-03-06 / 点击量:5112

“绿水青山就是金山银山。”森林是天然的水库和“过滤器”,能够通过复杂的森林水文过程存储、释放和净化水。但要深刻认识林水关系并不容易。一种主流观点认为,“森林增加会引起径流减少,而森林减少则造成径流增加。”但是,电子科技大学资源与环境学院张明芳教授指出,“林水关系远非这么简单!”

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3月5日,Science正刊发表了张明芳教授和魏晓华合著的前瞻性评述论文,对这个富有争议的科学问题进行了深入全面的评述,阐明了对不同尺度流域森林变化可能造成的水文影响及其变异机制的独特见解,提出了未来破解复杂“林水关系”奥秘的系统研究设计方向。

该文题为“Deforestation, forestation and water supply(毁林、造林与水资源供给)”,电子科技大学为第一作者单位,张明芳为第一作者和通讯作者,加拿大英属哥伦比亚大学流域生态首席教授、电子科技大学客座教授魏晓华为第二作者。

他们在论文中指出:“全面系统客观地评估森林变化对水生态的影响,制定合理的森林资源经营措施、权衡协同多项生态服务,对变化环境下的全球各地区流域适应性管理和生态环境保护具有重要指导意义。”

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受邀撰文:直指“林水关系”争议问题

联合国粮农组织全球森林资源评估报告显示,全球森林面积自1990年总体呈下降趋势。其中,2015年全球天然林面积(以热带森林为主)较1990年减少了6.1%,人工林面积(以温带森林为主)则增加了65.5%。

近年来在巴西、澳大利亚、美国等国家发生大规模灾难性森林火灾,北美西部地区也发生了大范围天牛虫森林虫害,对区域森林生态系统造成了极大破坏。而在中国,受益于持续的人工造林和天然林保护工程,全国森林面积大幅提高,是全球森林资源增加的主要贡献国。

森林生态系统在整个水循环中发挥着重要作用。大规模的森林变化对森林生态系统的水资源供给服务到底会产生什么影响?对此,国际学术界见仁见智,尤其是对于不同尺度流域森林变化可能造成的水文影响及其影响机制,争议更大。而国际上经典的配对小流域实验方法经过近百年的发展已进入瓶颈期。在全球气候和环境变化的背景下,如何探究更大空间尺度林水关系及其时空变异机制成为亟待破解的难题。

2020年9月,Science邀请张明芳撰写一篇Perspective论文,对这个问题进行科学权威的评判,并展望该学术领域的未来发展路径。2020年年底,张明芳就撰写出了论文初稿, 经Science评审编辑委员会和匿名同行专家审阅,2021年1月又根据反馈意见进行了小修改,在2月份完成定稿。

张明芳自2006年以来一直致力于“电子信息+生态环境”的交叉融合研究,在森林生态水文信息、流域生态环境恢复等领域具有很深的造诣。在Science上发表的这篇论文,正是基于她近年来一系列森林水文研究成果,并结合了最新的森林水文研究进展。

过去对“林水关系”的很多研究都集中在小流域尺度,尽管得出了诸如“森林增加会引起径流减少,而森林减少则造成径流增加”等一致性的结论,但是,越来越多的大流域研究让“林水关系”的复杂性更加突出,简单化的一致性结论越来越站不住脚。

张明芳说,受气候、流域特征(地形地貌、土壤、地质、植被等)和森林经营管理的影响,流域对森林变化的水文响应存在高度的变异。至今尚不清楚这些因素在不同时空尺度上作用于林水关系的机制。

正因如此,全面系统揭示不同尺度流域森林变化可能造成的水文影响及其影响机制,统一对林水关系的一致性和复杂性的认识,指明未来森林水文研究方向和蓝图,对于森林水文学的发展和变化环境下的流域森林资源和水资源适应性管理十分必要。

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引领前沿:提出理论方法系统架构

配对流域实验(包含控制流域和处理流域)是定量森林变化的水文响应的经典方法。但是该方法的设计仅适用于小流域,通过邻近流域配对剔除气候对水文的影响,以便定量森林变化的水文响应。因此,它既无法有效地评估森林、气候、水和流域特点几者的相互作用和反馈机制,也不适用于大流域研究。

近年来,生态水文模型、水文图形法、敏感性分析等方法成为开展大流域研究的重要手段。但是受各个方法存在设计局限,多为森林和气候对水文的独立影响评价,对几者间的交互影响和反馈机制缺乏表达。

张明芳指出,这些研究中关注的水文变量多为年径流量、洪峰流量、枯水流量等变量,对径流情势的完整性(流量、频率、变异率、出现时间、持续时间)研究不足。径流的这些特征参数共同决定了径流状态、水生生态系统功能以及水资源供给等生态服务。有限的水文变量不足以反映森林水文整体功能。

她在论文中全面分析了不同尺度流域森林变化对年径流和枯水径流的影响及其时空变异性,并在此基础上进一步系统地阐明森林水文响应变异性的影响因素,即森水关系复杂性的根源,提出了未来研究林水复杂关系的系统框架设计。

在该系统框架下,未来森林水文研究应选取径流的五大特征参数表征水文功能的整体性,水文功能影响因素也充分考虑气候、流域特点、森林以及三者的交互和反馈作用。在流域水文过程方面,结合地表水和地下水过程,进行关键带水流路径、流域储水和持水的研究。

在研究手段方面,她还主张应融合传统定位观测、同位素示踪、智能遥测、模型模拟等多种技术手段;在研究尺度方面,要基于长期地面观测和遥感监测数据,采用机器学习、气候-生态-水文耦合模型等方法深入探究大空间尺度上的森林与水的作用与反馈机制。

“过去在森林变化对水资源供给影响的评估中通常只考虑年径流量等有限的水文变量,鉴于不同水文变量对森林变化的响应存在差异,这种做法可能造成对整体水文功能改变的误判。”张明芳指出,“未来的流域管理应遵循这种系统性框架设计,以实现更加科学的评估和决策!”

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潜心研究:扎根成电守护绿水青山

张明芳先后在北京林业大学、中国人民大学攻读,2008年到加拿大不列颠哥伦比亚大学读博,2013年5月博士毕业后加盟电子科技大学,成为资源与环境学院特聘副教授,现为教授、博士生导师。在Science发表的这篇文章,是对她多年研究成果的总结和升华。

10余年来,她一直专注于自己的领域,坚持不懈、深耕细作,在生态环境领域高水平期刊Nature Communications、Journal of Hydrology等期刊发表一作或通讯作者论文14篇,对“流域森林水文响应的变异性和影响机制”进行了精深的研究。

其中一篇题为《全球多尺度流域森林变化的水文响应:尺度、气候、植被类型和水文情势的重要性》的发表在地学TOP期刊Journal of Hydrology上,入选ESI高被引论文,在该期刊2019JCR影响因子的贡献度排第2,并被全球30个国家学者引用,也成为了国际林联《变化地球上森林与水:脆弱性、适应性和管理机会》全球评估报告的重要支撑内容。

2018年,她在“第5届变化环境下森林与水”森林水文学国际顶级会议作大会邀请报告,是该会议史上最年轻的大会邀请报告人。她还多次参与联合国教科文组织&国际水文计划、国际林业联合研究会等国际大型政府或学术机构全球生态环境评估报告编写。

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来到电子科技大学之后,学校的电子信息学科优势和多学科交叉的研究环境,为她更好地开展研究提供了有力基础。她说:“越是研究复杂的系统,越是需要多学科的交叉融合。学校在物联网、智能信息处理、信息可视化、大数据、人工智能等方面的技术和人才,为我们服务生态文明建设等国家重大需求,研究生态环境问题提供了更有效的手段和方法。”

其中,基于生态环境智能监测和遥感监测数据研发出的流域森林水文响应定量方法就是电子信息与林水关系研究深度融合的重要成果。该成果是电子科技大学《岷江上游森林植被恢复与水源涵养功能提升关键技术与应用》项目的重要研究成果之一,2019年荣获四川省科技进步一等奖。

目前,张明芳正在带领团队师生在长江上游亚高山流域开展森林生态环境智能监测和林水关系研究,曾带学生深入到汶川理县等地区的绿水青山中间开展野外作业,建起了小型气象站,布置了大量的土壤水分自动监测、传感设备,并结合地理信息技术开发了快速评估林水系统的软件,以帮助当地的林业管理部门科学决策。

同时,她的团队成员还在积极配合国家的“一带一路”倡议,与中亚、东南亚等“一带一路”沿线国家的学术同行开展广泛深入的合作,立足生态环境智能监测领域为更大范围的生态环境保护贡献成电人的力量,也为人类把握生态规律提出了“成电方案”。

作为一个生态环境专家,张明芳说:“我的使命就是守护绿水青山!”



编辑:王晓刚  / 审核:王晓刚  / 发布者:陈伟