摘要：地下環境的生態約束與地下水的流速、水力傳導系數、孔隙內的生物地球化學作用、孔隙大小、與相鄰含水層的水力聯系以及地表生態系統有著直接的聯系。地下水生態學已經從最初僅研究地下生物區演化到目前強調將水文地質學與生態學相結合的多學科交叉研究。

關鍵字：地下水,水質

     多學科交叉研究的目的是為了說明地下水生態系統的功能以及在維護地下水和地表水水質方面所起的作用。在含水層和地表水群落交錯區，地球化學梯度與微生物的生物膜共同作用于水化學變化中。地下動物群落會消耗生物膜，在它們的運動過程中會改變孔隙大小，并通過地下水環境傳輸物質。此外，這種生物的種群變化是水質惡化的指標。將地下水生態學、生物地球化學和水文地質學相結合，有助于提高我們對地下生態系統的認識，特別是對污染地下水的恢復以及在地下水維持的生態系統中，提高地表水的水質和在開采天然資源過程中保護地下水環境?？傊?，這將有助于人類更好地認識地下水水文學、含水層地質概況、地下動物群落和微生物的分布、生態過程（如碳循環）以及可持續地下水管理之間的關系。

一、概　述

    在過去的20年間，水文地質學與地下水生態學之間的緊密聯系已經越來越明顯    （Noltie和Wicks，2001；Danielopol等，2003；Kemper，2004），最好的例證就是地下水生態學在含水層管理和水質恢復中的應用。大部分地下環境的生態約束條件與水文地質特征如地下水運動的動態性、孔隙大小、生物地球化學、與相鄰含水層和地表生態系統的水文聯系等都有直接關系（Gibert，1991）。更重要的是，地下水和地表水是水文系統中相互作用的兩個組成部分，不能孤立起來分析（Winter等，1999）。例如，地下水與河水在河床的飽和沉積物帶即潛流帶中發生交換，二者的水質相互影響（Brunke和Gonser，1997；Boulton，2000b；Hancock，2002）。

內陸含水層組成了全球97%以上的不凍淡水（Gibert等，1994）。這些含水層通常維持著不同生物種群的生存。因此，如果地下水可持續利用是水資源管理的一個目標，那么必須將含水層看成是活躍的生態系統，而不僅僅是蓄水場所。盡管地下水在全球可利用淡水資源中占有最大的份額，但是我們對地下水生態系統的生態學認識遠遠不及河流和湖泊（Boulton等，2003）。同時，地下水需求量在不斷增加，目前約有20億人口以這種資源作為日常用水（Kemper，2004）。地下水水質惡化以及補給量減少（Alley等，1999）迫切要求我們提高對人類活動及可能的恢復措施如何影響地下水生態系統的認識（Kemper，2004）。在全球生態系統中，含水層中含有最多的稀有種群，它們的分布受到嚴格限制（Gibert和Deharveng，2002），因此，為了有效保護和管理地下水資源，必須從地形與氣候方面去了解水文地質與生態之間的相互作用。

本文探討了在地下水生態學背景下水文地質學未來的發展方向。在定義了地下水生態學，并簡要回顧了本學科的演化和最近的進展之后，引入了地下水生境多樣性的概念，同時分析了生態約束條件對動物群和微生物的影響。根據生物群的功能屬性，可以說明人類利用地下水資源而帶來的影響。本文探討了水文地質學的將來發展方向和用以解決管理問題的生態學方法，強調了一種景觀級別方法的重要性，該方法認為不同地下水和依賴于地下水的生態系統有其特殊的特征。

二、地下水生態學及其演化

    地下水生態學是研究地下水系統與其外部環境（含水層或相聯系的陸地系統）之間相互作用的學科（Danielopol，1994）。關于生命依賴地下水的最早的記錄可以追溯到公元1541年，棲居在中國云南阿廬古溶洞中的盲魚—透明金線鲅(Romero 2001)。Danielopol等（1992）回顧了20世紀中期歐洲地下水工作者的貢獻，但是直到20世紀90年代，地下水生態學才被世界公認為一門專門的學科，并于1992年在國際地下水生態學研討會上正式宣布這一決定，隨后出版了第一本關于該領域的教科書（Gibert等，1994）。圖1是地下水生態學的演化過程：

1．穴居生物學，由Racovitza（1907）提出；

2．20世紀20年代澳大利亞人H.Spandl開始研究松散沉積物生態學；

3．Motas（1958）提出了潛水生態學；

4．Orghidan（1959）提出了術語“潛流帶生態學”，但是直到20世紀70年代，D. L. Danielopol，D.D. Williams和H.B.N. Hynes將河溪和地下水生態結合起來研究之后，這一領域才得到了初步的發展；

5．Rouch（1986）提出了巖溶生態學；

6．20世紀80年代后期出現了地下深處微生物學；

7．應用分子技術（如Barton等，1994）和地理信息系統（GIS）進行生物地理研究。

    早在1926年，就有證據表明地下水中有微生物活動，當時的地質學家E.S.Bastin推斷，在美國加利福尼亞Sunset Midway油田水中，存在厭氧硫酸鹽還原菌（Chapelle，2001）。1962年，對地下水水質與微生物活動之間的主要聯系進行了描述（Gurevich，1962），隨后幾年間，進行了微生物如何決定水化學特征的研究（K?lbel-Boelke等，1988）。這促進了地下水生態學的主要應用領域之一的發展，即通過生物修復技術來處理污染地下水（Piotrowski，1989；Wenderoth等，2003）。

從19世紀中期開始，科學家們就已經知道地下水中存在許多無脊椎動物（Botosaneau，1986），同時也生存有少量的脊椎動物（Romero，2001）。根據希臘神話中的描述，地下水中的動物統稱為stygofauna。世界各地地下水中的動物群具有顯著的差異（Danielopol等，2000；Boulton，2003），說明動物群的分布具有明顯的地域特征，許多種群的分布范圍受到一定限制（Marmonier等，1993）。例如，在澳大利亞西部沙漠中的鉆孔內，存在世界上種類最豐富的地下潛水甲蟲，然而，許多種群都僅局限于某種鈣質礫巖中。這些甲蟲種群與不足100km遠的其它種群相比，進化程度有所不同。（Leys等，2003）。

二、地下水生態學的發展近況

    20世紀90年代是地下水生態學領域意義重大的10年，其發展始自Gibert等提出地表水/地下水群落交錯區的概念。群落交錯區是兩個生態系統之間的過渡帶，表現出兩個生態系統的特征。Gibert等（1990）認為地表水和地下水之間的水文聯系是群落交錯區的中間媒介，在過渡帶中水溫、常量營養元素的生物化學梯度（如氮）都會變化。潛流帶是一個典型的群落交錯區（見下文），對營養元素或污染物起著物理、化學和生物過濾作用，阻止或減少這些物質在地下水和地表之間遷移（Hancock，2002）。

    在地下水生態學的群落交錯區中，依據與地下水生境的關系，將潛流帶的無脊椎動物從功能上可以分為三大類（Marmonier等，1993）。圖2顯示了這三大類動物與地下水不同的依存關系，stygoxen主要生活在地表水中，Stygophile只在潛流帶中度過生命中的部分時間，但并不能適應地下生活，Stygobite在地下水中完成生命循環，已適應地下生活。這一分類可以用來說明地下水和地表水之間的聯系，揭示人類活動的影響，例如改變這些聯系的某些調節河流的措施（Claret等，1999）。