《Ecological Indicators》：A systematic review on the advancement of ecohydrological research in India over last two decades (2005–2024)
生态水文学是一门整合生态与水文过程的交叉学科，旨在解释植被、土壤和气候对水和碳通量的调节作用。生态水文过程不仅在生态系统层面调节水、碳和能量通量，还维持着下游地区的水文服务。因此，对生态水文研究进行系统性评估对于理解方法学进展至关重要。本研究回顾了过去二十年（2005–2024）的同行评审文献，以了解印度生态水文研究的方法学演变、空间分布和主题导向。研究人员在Scopus和Google Scholar数据库中使用了关键词的布尔逻辑组合进行了结构化文献检索。生态水文研究的分布在自然地理和农业生态区域之间仍然不均衡。分析表明，研究在北方平原、沿海平原和德干高原存在强烈的地域集中性，占总文献量的47.84%，而西喜马拉雅和东喜马拉雅地区合计仅贡献了16.53%。研究人员的分析观察到，在研究期的第一阶段（2005–2014），基于实地的研究相较于基于模型的研究占据主导地位，然而在第二阶段（2015–2019）和第三阶段（2020–2024）情况则恰恰相反。大多数基于实地的研究是在农田中进行的。森林生态水文学仅占总研究的9.2%。在印度喜马拉雅地区的研究也发现较为稀少，即仅占所审查总文献的19.29%。总体而言，本文将为生态水文学研究的最新进展及其在印度次大陆的空间分布提供展望。
1. Introduction
生态水文学已发展为一门基于过程的学科，旨在理解水与植被的联系，该学科整合了水文学、生态学、土壤学、微生物组和气候科学。该领域最初在泥炭地研究中被提出，随后通过联合国教科文组织国际水文计划等机构支持得以扩展，研究重点聚焦于半干旱、河岸和森林景观中植被对径流产生、地下水补给、蒸散发和生物地球化学循环的影响。尽管全球生态水文研究不断推进，但在地理分布上存在显著差异，主要集中在北美和欧洲，这得益于关键带观测站、实验流域和研究基础设施的建立，从而能够收集多学科数据集。这些观测站提供了关于景观过程、植被和气象学的长期监测数据，用于模型校准和验证，以回答植被属性如何影响水、CO
2和能量循环，以及土壤水分如何与地形变异、土壤形成和风化相关联等前沿问题。此外，通量塔网络在全球范围内扩展，用于测量碳、水和能量通量。然而，印度生态水文研究的演进受到限制，主要是由于缺乏分布均匀的长期水文气象记录。近年来，印度次大陆CZOs的建立加速了生态水文研究。目前现有的12个CZOs局限于印度-恒河平原、半岛玄武岩地形、西高止山脉和西喜马拉雅山，重点研究土壤-水-植被相互作用、地下水-地表水耦合、地球化学通量、陆-气交换以及生态系统碳水平衡。然而，地理分布不均，在东喜马拉雅山、沿海地区、三角洲地区和岛屿缺乏CZOs。印度喜马拉雅地区孕育了主要的印度河流系统并支持丰富的森林生物多样性，但对该地区生态水文过程的研究仍然有限，特别是植被动态与水、碳、生物地球化学循环的联系。过去的研究更多关注下游水文过程，而由于数据稀缺和地形复杂，上游和流域尺度研究仍然有限。尽管现有文献关注特定方法学进展或区域特定研究，但针对印度次大陆的生态水文研究缺乏综合综述。因此，本文对过去二十年印度生态水文研究进行了详细综合，旨在分析时空演变、评估方法学趋势并识别知识空白。
2. Methodology
2.1. Data collection
为了全面评估印度生态水文研究的现状，研究人员在Scopus和Google Scholar上进行了结构化文献检索，涵盖了过去二十年的出版物。在Scopus中使用布尔逻辑进行系统关键词检索，查询涉及土壤水分、植被、水吸收、生态水文学等关键词组合。从Scopus检索到文献后，在Google Scholar上进行了平行搜索以捕获未被索引的区域特定出版物。去重后共收集文献。通过应用明确界定的纳入标准，包括时间、主题相关性以及同行评审的科学严谨性，经过多层过滤，最终保留了基于高质量文献库的研究。排除了在特定领域下不符合标准的论文。
2.2. Spatio-temporal variability in eco-hydrological studies
研究汇编了年度出版数量并按年份绘制趋势图，采用三年滚动平均值以最小化短期变化。基于拐点，将整个研究期划分为三个不同阶段：第一阶段（2005-2014）出版率稳定但相对较低；第二阶段（2015-2019）研究明显扩展；第三阶段（2020-2024）出版数量急剧上升。根据自然地理和农业生态区分析了所选生态水文研究在印度的空间分布。自然地理被划分为十三个区域。此外，从政府数据门户获取了AERs的矢量文件，并将研究归入20种不同的AERs类型。每项研究根据其主要研究方法被分为基于实地和基于模型两类。基于实地的研究涉及原位测量和观测，而基于模型的研究利用模拟和遥感衍生数据分析。此外，基于森林类型和海拔带对基于实地的森林生态水文研究进行了空间分布划分。森林类型被划分为11个类别，海拔带则利用SRTM的30米分辨率数字高程模型分类为七个类别。
2.3. Co-word analysis of research trends
进行了共现网络分析以映射印度生态水文研究的概念结构。使用VOSviewer生成共现网络图，该工具能够基于关键词共现进行聚类和网络表示。此分析有助于识别研究主题之间的强联系，并展示相关关键词如何分组为集群。
3. Results
3.1. Spatio-temporal trend in the Indian ecohydrology research
3.1.1. Temporal variability
时间分析显示出版物数量显著增加。在第一阶段，多数研究与利用各种灌溉和养分管理策略提高作物生产力、覆盖物对作物产量和水分利用的影响以及土地管理实践对土壤性质的影响有关。少数研究关注红树林森林的碳储量、生物地球化学循环和能量动态。还有少量关于生态系统生产力、森林火灾、气候变化对植被影响、根系吸水和森林流域补给过程的文章。第一阶段农业研究的主导地位也反映了政策环境的影响，如国家农业发展计划和国家安全任务的启动。在第二阶段，研究产出稳步增加，科学范围扩大。研究扩展到使用基于过程的模型和多模型方法的流域和区域尺度。重点转向评估气候变化对水文状况的影响，研究在土地利用和土地覆盖变化下径流和沉积物动态的变化，以及评估土壤-植物系统内的碳和养分循环。利用遥感数据产品量化总初级生产力和净初级生产力。还采用树木年轮分析了解气候关系。涡度相关法等先进野外技术被用于测量农田和果园的生态系统通量。第三阶段标志着生态水文研究的快速增加，占研究总数的57%。这一阶段集成遥感、实地观测和稳健建模框架的出版物明显增加。在喜马拉雅山森林生态水文研究方面有显著增长，重点关注气候变化条件下的产水调节和碳-水耦合过程。在农业生态系统的水分利用效率方面也取得了实质性进展。
3.1.2. Spatial variability in eco-hydrological research: physiographic and agro-ecological distribution
空间分布揭示了受生态意义和研究可及性影响的地理分布特征。在自然地理分布中，北方平原的研究数量最多，其次是沿海平原、德干高原、孟加拉盆地和西喜马拉雅山。在农业生态区中，北方平原半干旱区和西喜马拉雅山暖半湿润区受到最多关注，其次是西高止山脉。相比之下，西喜马拉雅山寒冷干旱区、东喜马拉雅山和东北暖半湿润高原区的研究较少。
3.1.3. Spatial variability of ecohydrological studies in the Indian himalayan region (IHR)
在IHR内开展的研究中，多数集中在西北喜马拉雅山。在Uttarakhand进行的研究最多，这主要得益于长期野外站点、通量塔和水文气象监测站的存在。相比之下，克什米尔谷地和Himachal Pradesh受到的关注较少。文献指出，西喜马拉雅山的研究重点是中低海拔高程带的SM变异性、ET动态、森林水分平衡、融雪驱动补给、泉水和径流动态。这些研究将实地观测与遥感产品和水文模型相结合，以量化季风主导和受积雪影响的流域内的植被-水相互作用。相比之下，东喜马拉雅山等地区研究稀少，仅限于植被-水关系、草地恢复和高海拔径流状况的有限调查。
3.2. Co-word analysis
从所有最初检索到的出版物中得出的共现关键词网络显示了研究之间的相互关系。该网络包含十二个集群，其中蒸散发、水质、涡度相关、土壤水分和浮游植物等共现关键词使用频率更高。这些中心节点显示出与其他关键词的强联系。然而，与森林生态系统服务相关的关键词，如生态系统交换、总初级生产力、生物量和净初级生产力，节点较小且连接较少。蒸散发、涡度相关、水分利用效率、土壤水分、水分生产率和干旱成为印度生态水文研究的主导主题。相反，与森林、碳通量、生态系统服务和碳足迹相关的关键词研究较少。
3.3. Field vs modelling studies
在第一阶段，基于实地的研究在生态水文研究中占据主导地位，而基于模型的方法在第二阶段适度增加，在第三阶段显著增加。过去几年基于模型研究的增加得益于卫星数据、开源建模平台和气候预测数据集的获取更加便捷。
3.3.1. Thematic distribution of field studies: cropland vs forest
印度的生态水文研究主要集中在基于作物的研究上。与森林相关的实地研究有所增加，但仍占比较小。农田相关研究检查SM动态、ET、WUE以及作物产量对灌溉、覆盖、耕作和养分管理实践的响应。森林生态水文实地研究包括利用涡度相关法测量半常绿、混合落叶和山地森林的季节性CO
2、水和能量通量，以及树干液流测量、林冠下根区水分评估和高海拔森林气候-生长关系的树木生态学调查。此外，还包括森林景观的生态水文足迹评估、森林干旱恢复力和生态系统服务，以及红树林和落叶林之间水-碳通量的比较。基于此，识别出四个通过实地方法解决的主要研究问题：SM动态如何调节蒸散发；植物吸水策略如何影响水分利用效率；深层和地下土壤水分在维持蒸散发和水分利用效率中的作用；土地和作物管理实践如何改变土壤水分、蒸散发和水分利用效率的关系。
3.3.2. Spatial distribution of field-based studies in various forest types and elevation ranges
基于实地的森林生态水文研究在森林类型和海拔带上的分布显示，热带湿润落叶林中的研究最多，其次是山地亚热带和温带森林、热带干旱落叶林等。在海拔分布上，研究主要集中在500至3500米之间，中低海拔带和低海拔带受到最多关注。然而，在极高海拔和极高海拔地区研究变得稀少。值得注意的是，在西喜马拉雅山的较高海拔带，基于实地的森林生态水文研究较少。
3.3.3. Modelling framework studies
基于模型的生态水文研究在整个研究期间呈现持续增长，2015年后急剧上升。研究重点是作物模拟模型、水文模型和遥感驱动模型，以量化SM动态、ET、植被生产力和水分平衡分量。在农业部门，广泛使用DSSAT、APSIM、CropSyst等作物模拟模型来估算ET、作物水分需求、灌溉计划和WUE。模拟了在预测气候情景下的产量和水分生产率响应。结合遥感增强田间尺度模拟，应用MODIS衍生指数（如归一化植被指数（NDVI）、叶面积指数（LAI））估算ET、干旱胁迫、植被生产力和碳储存的空间模式。在流域尺度，使用SWAT、VIC、MIKE SHE等水文模型评估径流生成、基流贡献、SM储存和地下水补给。模型模拟还显示了LULC变化对水文响应的影响，与集约耕作区相比，森林流域对植被参数表现出更高的敏感性。
4. Discussions
4.1. Advancement of forest ecohydrological research
由于通量塔安装数量有限，森林生态水文学的生态系统尺度研究报道较少。目前仅有八个森林通量塔在运行，因此对森林生态水文学在生态系统尺度上的理解依赖于这些观测网络。这些通量和实地研究主要关注热带湿润落叶林等森林类型，突出了SM可用性、ET和碳吸收之间的强烈季节性耦合。森林生态水文研究从脆弱性导向的问题逐步发展为基于过程和机制的理解。早期研究关注气候变化下的森林覆盖变化和森林火灾，随后的研究检验了控制生态水文过程的机制。自2020年起，研究向综合过程理解推进，多年涡度相关观测表明季风驱动的SM是控制碳吸收的主要因素。然而，由于通量塔数量有限，大多数研究依赖遥感数据，虽然能评估大尺度森林响应，但对地下过程、根区动态和植被水分利用策略的了解有限。水流在森林生态系统内的垂直分配研究不足。流域尺度研究揭示了水文和生态视角之间的不平衡。尽管证明了森林覆盖在基流和径流中的作用，但对植被属性对径流动态影响的深入了解有限。基于模型的研究虽然占主导地位，但受到实地验证有限的制约，由于缺乏印度特有的植被参数，大多数模型继续依赖北美或欧洲温带森林的参数值。
4.2. Agricultural dominance and its applications for water?carbon understanding
早期研究集中在地块和单一作物尺度，解决灌溉计划、养分管理和覆盖如何影响作物产量和WUE的问题。随后研究从田间尺度的优化扩展到区域可持续性，开始权衡产量与地下水枯竭之间的关系。在第三阶段，农业生态水文学扩展到通量测量、遥感和陆-气相互作用，将碳通量建模应用于草地和农田，并结合遥感估算实际ET。农业生态水文研究的主导地位反映了机构基础设施和资金获取的便利性，因为印度农业研究委员会等农业研究站提供了长期测量的基础设施。相比之下，森林生态水文研究需要专门仪器和长期投资，系统性地制约了森林研究的发展。
4.3. Forest ecohydrological studies across the Indian Himalayan region
IHR的研究稀少且空间分布不均。来自Uttarakhand的森林生态水文研究占主导地位，反映了机构存在和通量塔等实验站点的可用性。西喜马拉雅山的研究主要关注森林碳和水通量沿海拔带的气候敏感性，涡度相关观测表明这些森林呈季节性能量限制，在干旱期间向水分限制转变。东喜马拉雅山的研究则关注森林水文相互作用、蒸腾动态以及森林与径流的联系，树木年轮分析识别出春季温度和水分是生长的关键调节因子。然而，所有这些观察都是特定于地点的，目前无法外推到更广泛的IHR。
4.4. Methodological evolution: from field observations to remote sensing
研究观察到从实地观测向模型和遥感方法的逐渐转变。基于模型研究的增长反映了研究兴趣。森林生态水文的实地仪器成本高昂，而MODIS、GRACE等免费卫星产品的广泛获取使研究人员能够在区域和国家尺度上获取时空数据。然而，空间覆盖并不意味着对生态系统过程有更深的理解。对于理解森林水循环调节至关重要的研究问题仍缺乏连续实地测量，导致空间映射与机制理解之间存在差异。大多数建模研究继续依赖北美或欧洲温带森林的参数值，引入了无法量化的不确定性。
4.5. Challenges in ecohydrological studies across the Himalayas
数据集时空尺度的不一致性是文献中的一个反复出现的问题。生态测量通常在地块尺度收集，而水文变量在流域尺度测量。此外，存在整合不同尺度数据集的问题，需要升级或降尺度等复杂方法，引入了额外的不确定性。
4.5.1. Regional underrepresentation: Himachal Pradesh as a case study
Himachal Pradesh尽管对区域水安全很重要，但在生态水文文献中代表性不足。现有研究局限于树木气候学、森林覆盖变化和个别物种的气候敏感性，更多关注气候-植被生长关系，而非综合生态水文过程。主要限制是缺乏长期原位生态水文监测基础设施，如通量塔和SM传感器。水文研究主要关注径流和融雪，对森林控制径流生成的考虑有限。
4.5.2. Long-term observations and monitoring infrastructure
山区生态水文研究的进展与长期观测基础设施的建立密切相关。美国的CZO计划建立多个观测站，回答了森林物种如何调节蒸腾等问题。欧洲阿尔卑斯山的多年代数据集也回答了径流的季节性控制等问题。印度自建立CZOs以来，IHR的两个观测站仍处于早期数据收集阶段。在东喜马拉雅山等地缺乏类似基础设施，这限制了政策制定中所需的理解。
4.5.3. Availability and quality of data
稳健的分析需要长期、高分辨率的数据集。然而，整个喜马拉雅山的数据可用性和质量受到限制。水文气象数据的空间和时间覆盖范围不均，限制了基于过程的森林水分相互作用理解。偏远和高海拔地区缺乏气象数据。生态和森林特定数据集也很稀缺，长期观测罕见。此外，数据可访问性而非数据缺失是一个经常被忽视的挑战。政府数据的高昂成本限制了独立科学探究。森林通量塔数据未在开放平台上共享，限制了模型验证。卫星衍生产品虽然实现了区域尺度评估，但在山区流域的可靠性降低。
5. Conclusion
5.1. Overview of ecohydrology studies
生态水文学在将生态系统过程与水文动态联系起来方面发挥着重要作用。文献回顾表明，印度自然地理区域之间存在空间不平衡。北方平原和西高止山脉等区域受到更多关注，而喜马拉雅山研究较少。与农业生态系统相比，森林生态系统受到的关注较少。还观察到从地块尺度到流域尺度研究的转变。遥感、再分析数据集和基于过程的模型的使用增加了空间覆盖范围。然而，由于缺乏足够的原位观测，限制了对植被-水相互作用的有效解释。
5.2. Knowledge gaps and future research directions
5.2.1. Less attention to forest ecohydrology
森林生态水文领域的研究仅占很小比例，集中在通量塔站点和流域评估。特定物种的水分利用策略、地下过程和植被动态对径流的影响在文献中量化不足。
5.2.2. Need for an integrated ecohydrological approach
文献中的研究要么解决系统的水文部分，要么解决生态部分。需要进一步整合植被结构、物种组成、根区特征、SM动态和水文响应，以提高理解能力和模型可靠性。否则，模型预测将继续依赖从其他气候背景下得出的参数。
5.2.3. Long-term monitoring and data collection
喜马拉雅地区的森林和山地生态系统高度动态。虽然已经建立了CZOs国家网络，但IHR的覆盖范围仍然有限。缺乏基础设施限制了ET分配等生态系统尺度的测量。长期生态水文数据集仍然有限。扩大和维持监测基础设施，并改善现有数据集的开放获取，将为生态系统管理和政策决策提供更稳健的经验基础。
