水源涵養(yǎng)林水文生態(tài)效應研究

孔維健　周本智　徐升華　蔡曉郡　李　兵

摘要水源涵養(yǎng)林是具有特殊意義的防護林種，從水源涵養(yǎng)林流域試驗（系統(tǒng)）研究、水文生態(tài)作用過程研究、水源涵養(yǎng)林對徑流泥沙和水質的影響等方面介紹了水源涵養(yǎng)林水文生態(tài)效應的研究概況，論述了水源涵養(yǎng)林在涵養(yǎng)水源、減少徑流泥沙、凈化水質等方面具有的重要作用。

關鍵詞水源涵養(yǎng)林；水文生態(tài)效應；徑流泥沙；水質

中圖分類號S727.21 文獻標識碼A文章編號 1007-5739（2009）06-0235-02

水源涵養(yǎng)林是具有特殊意義的水土防護林種，具有多種功能和不同的效益，它不但有森林普遍具有的生態(tài)效益、經(jīng)濟效益和社會效益，而且更重要的是它還具有涵養(yǎng)保護水源、調洪削峰、防止土壤侵蝕、凈化水質和調節(jié)氣候等生態(tài)服務功能[1]。

1水源涵養(yǎng)林的流域試驗（系統(tǒng)）研究

森林水文學作為一門科學進行實際觀測和分析研究始于19世紀末20世紀初，主要集中在森林變化（主要是森林砍伐而不是造林）對流域產(chǎn)水量的影響。1900年開始于瑞士Emmental山區(qū)2個小流域的對比試驗是研究森林變化對流域產(chǎn)水量影響的開端，也是現(xiàn)代試驗森林水文學開端的標志。美國始于1909年的Wagon Wheel Gap的試驗研究是嚴格意義上的對比流域試驗，從此以后，通過流域試驗評價植被清除或植被類型變化對流域產(chǎn)水量影響的研究日漸增多。對比流域試驗研究在美國于1965年左右達到了頂峰。從各國的研究結果來看，普遍認為流域產(chǎn)水量隨著森林覆蓋率的減少而增加，造林及提高森林覆蓋率可以減少流域產(chǎn)水量。但是由于存在環(huán)境異質性，也有得出相反結論的，這就使得采用流域研究、系統(tǒng)研究的方法所得到的實驗結果無法可靠地推廣到其他領域，迫使人們從20世紀60~70年代起更加注重森林水文過程物理機制的研究[2]。

2水源涵養(yǎng)林水文生態(tài)作用過程的研究

水源涵養(yǎng)林水文生態(tài)作用是一個十分復雜的物理過程。就其本身來說，涵養(yǎng)水源的功能并不強大，但是由于它對降水的再分配作用十分明顯，同時水源涵養(yǎng)林使林內的降水量、降水強度和降水時間發(fā)生改變，從而影響了流域的水文過程，使其在水土保持、調節(jié)洪峰、凈化水質、水源涵養(yǎng)等方面發(fā)揮重要作用。

2.1林冠截留

降落到森林中的雨滴，由于受到林冠層的截留作用，發(fā)生了到達地面過程的第1次水量分配，將大氣降水分配為穿透雨量、樹干莖流和林冠截留三部分。由于林冠的截留作用，減輕了雨水對地表面的直接沖擊，對林地土壤層有一定的間接保護作用，也減緩了地表徑流的形成，同時加強了森林中的水分循環(huán)。林冠對降水再分配過程是森林生態(tài)系統(tǒng)重要水文生態(tài)功能之一，具有重要的水文生態(tài)意義。

不同森林生態(tài)系統(tǒng)的林冠截留功能存在較大的波動性，林冠截留量的大小受到風速、降雨特點、樹種、林齡、郁閉度、林冠蒸發(fā)能力等多種因素的影響。我國主要森林生態(tài)系統(tǒng)的林冠截留量平均為134.0~626.7mm，變動系數(shù)為14.27%~40.53%，截留率平均為11.40%~34.30%，變動系數(shù)為6.86%~55.05%[3]。由于其具有時空異質性，國內外的學者根據(jù)影響林冠截留的各種因子與林冠截留量的數(shù)量關系推導出降水截留的經(jīng)驗理論模型，其中以Rutter模型和Gash解析模型較為完善并得到廣泛應用[4]。

2.2森林枯枝落葉層截持水

降水通過林冠后，到達枯枝落葉層，進行到達地面過程的第2次水量分配。森林枯枝落葉層具有較大的水分截持能力，而且提高了土壤抗沖性，減緩了水在土壤坡面上的流動速度，阻滯地表徑流，減小徑流泥沙量，增加了水向土壤中入滲的機會，提高了土壤滲透性，從而影響到降雨對土壤水分的補充和植物的水分供應，還能夠減少林地水分蒸發(fā)。因此，枯枝落葉層在森林生態(tài)系統(tǒng)水文調節(jié)、涵養(yǎng)水源和保持水土方面具有十分重要的意義。

森林的枯枝落葉層對降水的蓄留量與森林流域產(chǎn)流機制密切相關，并受枯落物組成、林分類型、林齡、凋落物分解程度和積累量、前期水分狀況、降雨特點等的影響。我國主要森林類型的凋落物生物量為3.5~26.8t/hm²，其變異系數(shù)為18%~68%，其中冷溫型或溫型的山地落葉松森林最大，熱帶山地雨林最小。而針闊混交林凋落物的持水能力要高于闊葉林或針葉林。我國的研究結果表明：枯枝落葉吸持水量可達自身干重的2~4倍，各種森林的枯枝落葉層的最大持水率平均為309.54%。

2.3林地土壤水分入滲及貯水

降水通過林冠、枯枝落葉層的截留，到達林地土壤表層，開始進行第3次再分配。土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)水分的主要蓄庫，土壤的降雨貯存能力與土壤的非毛管孔隙關系更為密切，它是森林保持水資源的關鍵。森林植被明顯影響林地土壤的孔隙度，尤其是增加了非毛管孔隙度，從而使森林土壤具有較大的入滲率、入滲量和滲蓄能力，加大了森林生態(tài)系統(tǒng)的調蓄能力。

國內目前一般使用林地土壤非毛管孔隙飽和含水量來計算林地貯水。對各種森林生態(tài)系統(tǒng)土壤層（0~60cm）的蓄水量的研究表明，非毛管孔隙蓄水量的變動范圍為36.42~142.17mm，平均為89.57mm，變動系數(shù)為31.06；最大蓄水量相應為286.32~486.60 mm。我國熱帶和亞熱帶地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)，特別是闊葉林生態(tài)系統(tǒng)，森林土壤的孔隙發(fā)育好，非毛管孔隙度為12%~26%，土壤蓄水量為100~150 mm，林地的蓄水能力較大；溫帶和寒溫帶森林土壤非毛管孔隙度低于12%，土壤蓄水量為36~90 mm，蓄水能力相對較小[5]。

2.4林地蒸發(fā)散

蒸發(fā)散是一個生態(tài)學、水文學和氣象學的重要過程，是林木、林下植被和地面這一整體向大氣輸送的水汽總通量，即森林全部蒸發(fā)和蒸騰。它能比較客觀地反映森林植物的基本生態(tài)特征和一系列的外部因素對水分消耗的影響，通過對蒸發(fā)散的估算有助于分析不同森林類型的水源涵養(yǎng)功能，同時也能分析計算林木需水量及土壤水分虧缺，是森林水文平衡研究中一項重要因子，是森林水文循環(huán)中的主要課題。

林地蒸散量受森林年齡、氣候和降雨量等各種因子的影響，是生物和環(huán)境相互作用的綜合結果。森林蒸散量會隨著降雨量增加而微弱增加，而相對蒸散率降低，通常相對蒸散率在40%~90%之間變化[6]。但是有研究認為，蒸散量與大于600mm的降水量不相關，與小于600mm的降雨量相關，而且潮濕流域的年蒸散量相對恒定[7]。當前，大多數(shù)研究結果表明，包括截留損失在內的森林生態(tài)系統(tǒng)的蒸發(fā)散量大約占降雨量輸入的40%~80%。

3水源涵養(yǎng)林對徑流泥沙的影響

國內外在森林對土壤侵蝕影響的水源涵養(yǎng)林效益評價的一個重要指標就是水源涵養(yǎng)林對徑流泥沙量的控制。通過林冠和枯落物層的攔截和消能作用，可以減少地表徑流量及徑流速度，減弱雨水對土表的直接沖擊和侵蝕，使林地表層土壤不會迅速流失。同時森林土壤良好的水分滲透性能及林木根系強大的固土作用，可有效地控制土壤侵蝕的發(fā)生和發(fā)展[8]。林木根系在土中交織，盤根錯節(jié)，深入巖縫，能夠防止土坡滑落的形成，起到固土防崩、阻擋塊體運動的作用，減少滑坡、泥石流和山洪的發(fā)生，從而起到水土保持的作用。結構良好的森林植被可以減少水土流失量90%以上。

4水源涵養(yǎng)林對水質的影響

森林對水質和水環(huán)境影響方面的研究開始于20世紀60年代中期。早期的研究工作主要集中于土地利用方式對水文狀況的影響，之后開始著手進行植被與水量、水質和地表徑流關系的研究，并在許多小流域進行諸如過度采伐對水質的影響等一系列對比試驗，這對其后的森林水質研究產(chǎn)生了十分重要的影響。

在水源保護區(qū)，造成水體污染的因素主要是非點源污染，即在降水徑流的淋洗和沖刷下，泥沙和泥沙所攜帶的有害物質隨徑流遷移到水庫、湖泊或江河，導致水質渾濁惡化。水源涵養(yǎng)林能有效地防止水資源的物理、化學和生物的污染，減少進入水體的泥沙。降水通過林冠沿樹干流下時，林冠下的枯枝落葉層就像過濾器，對水中的污染物進行過濾、凈化，所以最后由河溪流出的水的化學成分發(fā)生了變化[3]。

5結語與展望

水源涵養(yǎng)林在涵養(yǎng)水源、減少徑流泥沙含量、有效改善流域水質等方面具有重要作用，關于水源涵養(yǎng)林的水文生態(tài)研究主要是以水文學方法為主，對其效益的評價主要是涵養(yǎng)水源、減少徑流泥沙含量和改良水質三方面。但由于存在環(huán)境異質性，水源涵養(yǎng)林的水文生態(tài)效應在不同的水文生態(tài)區(qū)作用也不同，今后需要加強對森林水文過程動力學機制的研究，以便能夠將一個流域的研究結果可靠地外推到其他流域。

6參考文獻

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[4] 劉世榮，溫遠光，王兵，等.中國森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能規(guī)律[M].北京：中國林業(yè)出版社，1996.

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[8] 袁建平，蔣定生，甘淑.不同治理度下小流域正態(tài)整體模型試驗——林草措施對小流域徑流泥沙的影響[J].自然資源學報，2000，15（1）：91-96.