森林水文效應(yīng)研究進(jìn)展

田 雨，劉 敏，程根偉*

(1.中科院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都 610041;2.理縣林業(yè)局，四川理縣 623100)

1 森林對(duì)降水過程的影響

1.1 林冠截留

地球陸地表面的1/3是森林，覆蓋面積達(dá)4 300×106 hm2，其中2 500×106 hm2為郁閉林，1 800×106 hm2為稀疏林和灌叢(李文華等，2001)。林冠截留是森林的重要生態(tài)功能，在森林水分循環(huán)和水量轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著巨大作用(薛建輝等，2008;王愛娟＆肖文波，2009)。它不但是森林蒸發(fā)散的組成部分(石培禮＆李文華，2001)，而且是森林對(duì)輸入降水發(fā)揮調(diào)節(jié)作用的起點(diǎn)，可使降雨在數(shù)量及空間上進(jìn)行重新分配，同時(shí)它也是土壤-植物-大氣連續(xù)體水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)(薛建輝等，2008)。

林冠截留是一個(gè)復(fù)雜的過程。降雨量、降雨強(qiáng)度和雨前林冠的濕潤(rùn)程度對(duì)林冠截留的影響很大(王愛娟＆肖文波，2009)。降雨初期，雨水全部截留，截留量與降雨強(qiáng)度無關(guān)，截留量隨降雨量的增大而增大。在降雨量達(dá)到10 mm～20 mm以上時(shí)，截留量隨降水增加減緩(石培禮＆李文華，2001)。隨著降雨強(qiáng)度的增大，林冠截留量不斷增加，最后趨于一個(gè)常數(shù)，即林冠最大截留量(王愛娟＆肖文波，2009)。雨前林冠干燥比濕潤(rùn)時(shí)截留能力更大。如果降水發(fā)生前，該地區(qū)有長(zhǎng)期的干旱，則林冠可能截留相當(dāng)大數(shù)量的降水。如果前期已有較大的降水，而且林冠截留己達(dá)到林冠最大截留量，則林冠截留量就不會(huì)再增加(劉世榮等，2007)。

截留雨量的大小除了受氣候的影響，植物本身特性的影響也很大。植物自身特征包括樹種、樹齡、冠層稠密程度、冠層排列狀況、冠層厚度等(王愛娟＆肖文波，2009)，它們都影響林冠的截留量。研究表明，林冠截留量隨著葉面積指數(shù)的增大而增大(Park et al.，2000;Gomez ＆ Giraldez，2001)。不同樹種的枝葉茂密度不同，茂密度越大的植物葉面積指數(shù)也越大，林冠截留量也越大。對(duì)同一樹種而言，葉面積指數(shù)與樹齡有關(guān)，在樹木從幼齡到成熟直至過熟的不同階段，葉面積指數(shù)先變大后減小。對(duì)于一個(gè)流域而言，由于林冠結(jié)構(gòu)不同，不同森林類型的林冠截留量與降水量之間的相關(guān)關(guān)系也不盡相同。此外，即使是同一種類型的林分，截留量也會(huì)隨林分郁閉程度的不同而不同。研究表明，林冠截留量與林分的郁閉度呈正相關(guān)，即郁閉度增加截留量增加。根據(jù)不同類在134.0 mm～626.7 mm之間，林冠截留率的平均值為19.85% ±7.16%(石培禮＆李文華，2001)。

林冠截留率是表現(xiàn)森林的截留效果的一個(gè)指標(biāo)。與林冠截留量相反，林冠截留率一般隨雨量的增加而減少，在多數(shù)情況下林冠的截留率與降水量表現(xiàn)為負(fù)冪函數(shù)關(guān)系(程根偉等，2004)。相比之下，林冠截留率能較好地表現(xiàn)森林的截留效能，它與森林的結(jié)構(gòu)和喬木層優(yōu)勢(shì)樹種的構(gòu)型關(guān)系密切。統(tǒng)計(jì)表明，在相似茂密的森林覆蓋度下，林冠截留率一般規(guī)律是:針葉林＞闊葉林，落葉林＞常綠林，復(fù)層異齡林＞單層林(石培禮＆李文華，2001)。國(guó)外一般認(rèn)為溫帶針葉林林冠截流率在20%～40%(Swank et al.，1988;McCulloch ＆ Robinson，1993;Black，1998;石健等，2006)。我國(guó)的研究則表明，充分郁閉的針葉林平均截留率大致均在20%以上，闊葉林的平均截留率一般小于20%(石培禮＆李文華，2001)。

1.2 枯枝落葉層截留

枯枝落葉層具有保護(hù)土壤免受雨滴沖擊和增加土壤腐殖質(zhì)和有機(jī)質(zhì)的作用，并參與土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，有效地增加土壤孔隙度，為林地土壤層蓄水提供了物質(zhì)基礎(chǔ)(韓永剛＆楊玉盛，2007)。根據(jù)測(cè)定，林地表面的枯落物層保持的最大水量可達(dá)到3 mm～5 mm，在枯落物層非常厚的原始林中最多可達(dá)34 mm。眾多研究結(jié)果認(rèn)為，枯落物層的吸持水量一般可達(dá)自身重量的2倍～4倍，其最大持水率平均為309.54%(韓永剛＆楊玉盛，2007)。劉世榮等(1996)在《中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能規(guī)律》中揭示暖溫帶及黃土高原地區(qū)森林枯落物的持水量和持水率平均值分別為7.23 mm和315.20%。吳萬奎等(1996)的研究表明枯枝落葉層的持水能力甚至高于林冠層和土壤層。由此可見，枯落葉層有較強(qiáng)的持水能力，它對(duì)防止水土流失和涵養(yǎng)水源尤其重要。

森林枯枝落葉層的持水量取決于枯枝落葉層的現(xiàn)存量及其持水能力。由于不同森林類型的枯落物現(xiàn)存率和持水率有差異，故它們的最大持水量也明顯有別(劉世榮等，2007)。不同類型的森林生態(tài)系統(tǒng)枯枝落葉層的最大持水量在200%～500%之間，平均最大持水量為0.70 mm～7.12 mm(劉世榮等，1996)。凋落物的持水量與其現(xiàn)存量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，即森林生態(tài)系統(tǒng)中枯落物的現(xiàn)存量越大，則截留的水量也越大。凋落物的現(xiàn)存量又決定于不同森林的生產(chǎn)力和分解能力，而凋落物的持水能力通常用最大持水力表示。通常與物種、厚度、濕度、分解程度和成分等有密切關(guān)系。在寒溫帶和西部亞高山針葉林和落葉闊葉林區(qū)，因氣候寒涼，凋落物不易分解，故地被物積累量大，凋落層持水能力也較強(qiáng)，其最大持水量常常大于400%;而熱帶亞熱帶森林由于水熱條件適宜，枯枝落葉分解快，林分凋落物少，林內(nèi)凋落物層持水能力較弱，最大持水量常在400%以下(石培禮＆李文華，2001)?？葜β淙~層持水能力的大小取決于其本身性質(zhì)。樹種不同，枯落物吸水能力及分解情況有很大差異。針葉樹種枯落物含有較多的油脂，不易分解，其吸水率和有效吸水量往往比闊葉樹種的枯落物小。通常，枯落物層的持水量的一般規(guī)律為:原始林＞天然次生林＞人工針葉林，灌叢地枯落物積累量最小，持水量最低(劉世榮等，2007)。

在自然狀態(tài)下，林下枯落物均含有一定的水分，因而降雨時(shí)枯落物不可能達(dá)到最大持水量極限。坡位、坡向、坡形、海拔高度等都會(huì)影響下墊面水熱狀況的分配和交換，陽坡蒸發(fā)量大，枯落物的含水量低于陰坡，而截留水量則高于陰坡。在坡地上，會(huì)產(chǎn)生延坡向下的重力分力，促使水分延坡向下移動(dòng)，從而降低枯落物持水量。森林凋落物的實(shí)際持水量還與降水量和森林的蓋度有很大關(guān)系。比如森林砍伐會(huì)增加林內(nèi)的光照和提高凋落層的溫度，使凋落層分解加速，現(xiàn)存量降低，從而顯著地降低凋落層的持水能力。周曉峰＆李慶夏(1994)研究了蒙古櫟林采伐后凋落物量和持水量的變化，結(jié)果表明:疏伐對(duì)凋落物和最大持水量影響較小，蒙古櫟林經(jīng)疏伐郁閉度從0.95降低到0.60時(shí)，最大持水量從2.2 mm降低到1.9 mm，分別降低了14.3%和13.6%;但在皆伐跡地凋落物干重和最大持水量降低到2.73 t·hm-2和0.9 mm，分別降低59.8%和59%。

1.3 土壤入滲與蓄水

森林土壤是涵養(yǎng)水源的主要場(chǎng)所，森林中透過林冠層的降水量有70% ～80%進(jìn)入土壤，進(jìn)行再分配。森林土壤貯水量常因森林類型、土壤類型不同而異。一般地，熱帶、亞熱帶森林，特別是闊葉林生態(tài)系統(tǒng)，土壤孔隙度發(fā)育好，林地蓄水能力強(qiáng)，非毛管蓄水量大于100 mm，而寒溫帶、溫帶山地針葉林和溫帶山地落葉闊葉林，非毛管孔隙蓄水量較低，多低于100 mm(劉世榮等，1996)。

土壤蓄水量與土壤結(jié)構(gòu)和土壤的孔隙狀況密切相關(guān)。其中，土壤非毛管孔隙是土壤重力水移動(dòng)的主要通道，森林土壤層的最大蓄水量與土壤結(jié)構(gòu)和土壤孔隙度密切相關(guān)。韓永剛等(2007)對(duì)福建省不同森林類型0 cm～40 cm土壤層的研究表明，土壤層最大蓄水量與土壤表層有機(jī)質(zhì)含量、容重、非毛管孔隙度、毛管孔隙度相關(guān)關(guān)系密切，其中與有機(jī)質(zhì)、非毛管孔隙度、毛管孔隙度呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，與0 cm～40 cm土層的容重呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。從相關(guān)系數(shù)看，最大貯水量與土壤層容重相關(guān)關(guān)系最密切，其他影響因素影響程度大小依次為非毛管孔隙度、有機(jī)質(zhì)、毛管孔隙度。

土壤水分含量影響到降雨入滲，進(jìn)而影響地表、地下產(chǎn)流，因此，森林土壤水分入滲和水分貯存對(duì)森林流域徑流形成機(jī)制具有重要的意義(高甲榮等，2001)。土壤對(duì)水分的滲透性是森林水文特征的重要反映，土壤滲透能力主要決定于非毛管孔隙度，通常與非毛管孔隙度呈顯著正線性相關(guān)關(guān)系(石培禮＆李文華，2001;韓永剛＆楊玉盛，2007)。土壤滲透的發(fā)生及滲透量決定于土壤水分飽和度與補(bǔ)給狀況，不同的土壤類型和森林生態(tài)系統(tǒng)類型決定著土壤的滲透性能。一般森林土壤疏松，物理結(jié)構(gòu)好，孔隙度高，具有比其他土地利用類型高的入滲率，良好森林土壤的穩(wěn)定入滲率高達(dá)8.0 cm·h-1以上(高甲榮等，2001;韓永剛＆楊玉盛，2007);破壞過的森林土壤其滲水性能較低，主要由于森林植被破壞降低了植物根系的活動(dòng)，而且會(huì)導(dǎo)致凋落物減少，土壤孔隙，特別是非毛管孔隙明顯減少，持水力下降，土壤蓄水量減少(雷瑞德 ＆張仰渠，1996)。朱勁偉(1982)的研究表明，闊葉紅松林皆伐形成的草地的滲透性能大大降低，土壤的初滲率和穩(wěn)滲率只相當(dāng)于原始紅松林的30%～60%。森林砍伐后進(jìn)行復(fù)墾或耕作會(huì)增加表層土壤的孔隙度，引起土壤的滲透率的提高(盧培俊，1987;文仕之 ＆何炳飛，1993)。

1.4 林地蒸散發(fā)

蒸散發(fā)是水分通過熱能交換從液態(tài)轉(zhuǎn)換為汽態(tài)的過程，是水分從地球表面和水體進(jìn)入大氣的過程。蒸發(fā)取決于水溫、氣溫、風(fēng)、氣壓等氣象因素以及水質(zhì)和蒸發(fā)面特性等因素。蒸騰作用不同于蒸發(fā)，它受植物內(nèi)部生理因素的影響，通常葉表面的角質(zhì)層阻力相當(dāng)大，氣孔蒸騰就成為蒸騰的主要形式(程根偉等，2004)。森林蒸散發(fā)是森林生態(tài)系統(tǒng)水分循環(huán)與能量平衡中最為重要的因素之一，由林地蒸發(fā)、林冠截留水分蒸發(fā)和森林植物蒸騰三部分組成(高甲榮等，2001)。多數(shù)結(jié)果表明，森林生態(tài)系統(tǒng)實(shí)際蒸發(fā)散是系統(tǒng)水分輸出的較大項(xiàng)，約占降雨量的40% ～80%。

在不同氣候區(qū)域，森林對(duì)蒸散發(fā)的影響是不一致的。大多數(shù)研究表明，森林覆蓋度降低一般會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)散降低。這主要是由于森林砍伐后，植物冠層的蒸騰降低的緣故。而在流域附近則出現(xiàn)相反的現(xiàn)象，在長(zhǎng)江上游，森林砍伐反而導(dǎo)致流域蒸散發(fā)增加(石培禮＆李文華，2001)。當(dāng)土壤未形成植被覆蓋時(shí)，流域的蒸散主要以蒸發(fā)為主，形成植被覆蓋層后植物的蒸騰量成為蒸散量的主要組成部分(程根偉等，2004)。氣孔阻抗是植物蒸騰的重要因子，它反映了樹葉的氣孔對(duì)葉內(nèi)水汽的輸送阻力，凡是能夠減小氣孔阻抗的因素都會(huì)促進(jìn)植物蒸騰。氣孔阻抗與氣象條件、氣溫、植物類型和葉齡都有關(guān)系，如氣孔阻抗值會(huì)隨著光強(qiáng)的增加而減小(程根偉等，2004)。

2 森林對(duì)徑流量和徑流形成的影響

2.1 森林對(duì)洪峰流量的影響

大多數(shù)研究表明，森林能夠減小洪峰流量，改變地表水和地下水的比例，增加地下徑流，改變徑流分布過程，使河流水量變化平穩(wěn)(周梅，1995)。森林復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)能對(duì)降水層緩沖截持，不但使降水發(fā)生再分配，有效地削弱雨滴對(duì)地面的沖刷，而且由于林下枯枝落葉形成厚厚的地被物以及林草地下的發(fā)達(dá)根系，促使土壤入滲率增大，地下森林土壤蓄水能力顯著增強(qiáng)，可將大部分地表徑流轉(zhuǎn)化為地下徑流。當(dāng)滲入地下的雨水飽和后，則溢出為地表徑流。有林地的地表徑流的流速比無林地要緩慢，起到推遲、錯(cuò)開洪峰的作用。王金葉等(1998)在祁連山的多年研究結(jié)果表明，森林覆被率為65%的流域比森林覆被率為32%的流域洪水期徑流深低98.9 mm。根據(jù)黑龍江省海浪河流域1965年～1991年(森林覆被率為75%的有林區(qū))和森林覆被率為14%少林區(qū)的森林資源變化和水文資料，比較其洪峰發(fā)展過程發(fā)現(xiàn)，有林區(qū)的峰值比少林區(qū)的低29.2% ～38.4%;而退水過程前者比后者延后20 h～48 h(周曉峰等，2001)。程根偉(1991)提出了森林與洪水經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，認(rèn)為隨森林面積的增長(zhǎng)，洪水徑流系數(shù)將減少，其減少程度與暴雨量成反比。

森林對(duì)于削減洪峰、延長(zhǎng)洪峰歷時(shí)具有一定的調(diào)節(jié)作用，而調(diào)節(jié)程度則與暴雨輸入大小和特性有關(guān)(高甲榮等，2001)。就小暴雨或短歷時(shí)暴雨而言，森林具有較大的調(diào)節(jié)作用，但對(duì)特大暴雨或長(zhǎng)歷時(shí)的連續(xù)多峰暴雨來說，森林的調(diào)蓄能力是有限的，因?yàn)樯值臄r蓄容量已為前一次暴雨占去大部分，再次發(fā)生暴雨時(shí)森林的攔蓄作用會(huì)大大降低。甚至有人認(rèn)為，由于森林的攔蓄作用，當(dāng)連續(xù)降水時(shí)產(chǎn)生洪水疊加而增大了洪峰量，將導(dǎo)致更大的洪水災(zāi)害(Bonell，1993;高甲榮等，2001)。對(duì)于較大的流域，森林對(duì)中等洪峰的削洪作用不會(huì)超過40%(相對(duì)于無林地的洪水大小)，而對(duì)于更大流域、更大暴雨或前期降小雨等情況，森林的削洪能力將會(huì)更小直至消失(程根偉等，2004)。四川嘉陵江、涪江、沱江等流域的洪水過程分析表明，森林消減洪峰量為10% ～20%，最大不超過25%(周曉峰等，2001)。森林對(duì)大暴雨洪峰的影響有限，這主要是因?yàn)樵诖蟊┯昵闆r下，土壤與植被沒有額外的儲(chǔ)存能力，從而使大部分降雨轉(zhuǎn)換成徑流(魏曉華等，2005)。此外，有研究表明，森林覆蓋率與洪峰流量成負(fù)相關(guān)關(guān)系。Austin(1999)對(duì)82種洪峰類型試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，結(jié)果表明其中有5個(gè)屬于采伐減少洪峰徑流的，Hornbeck等(1997)也有些類似的結(jié)論。

2.2 森林對(duì)枯水徑流的影響

森林能夠增大枯水徑流流量，避免泉水與河流枯干(Andrassian，2004)。劉向東等(1987)在六盤山區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，森林覆被率高的流域，其枯水期徑流比覆被率低的要高。松花江水系20個(gè)流域10年的測(cè)定結(jié)果表明，無林流域春季枯水徑流僅占全年徑流的6.5% ～7.0%，徑流深2.65 mm～4.35 mm，而有林流域(森林覆蓋率為22% ～90%)春季枯水徑流占全年的比值為12.5% ～31.9%，徑流深達(dá)10.83 mm～139.20 mm，是無林流域的4倍～32倍(周曉峰等，2001;王懷宇等，2010)。在川西高原原始林區(qū)，從有林溝和采伐溝的對(duì)比研究中可以看出，有林溝冬季(11～3月)平均枯水流量很穩(wěn)定，保持在54 L·s-1～65 L·s-1，徑流模數(shù)在 16.3 L·s-1·km-2～19.6 L·s-1·km-2，而采伐溝冬季月平均枯水流量只為13 L·s-1～21 L·s-1，徑流模數(shù)為4.48 L·s-1·km-2～7.23 L·s-1·km-2，說明采伐溝的枯水徑流量下降顯著(王懷宇等，2010)。國(guó)外的一些研究也得出了相似的結(jié)論(Bonell M，1993)。可見，森林的存在有效地調(diào)節(jié)了洪枯比，使河川徑流年內(nèi)分配趨于均勻。

和國(guó)內(nèi)的大多數(shù)研究結(jié)果不同，國(guó)外的大部分研究則表明，森林采伐會(huì)增加河流枯水徑流而造林會(huì)減少枯水徑流(Scott＆Lesch，1997;魏曉華等，2005)。在我國(guó)也有少量的研究得出了相同的結(jié)果。松花江水系陡嘴子河的4個(gè)中等集水區(qū)30年觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果表明，當(dāng)森林覆蓋率在40%以上的情況下，比之荒地能增加徑流歷時(shí)64%，減少最大徑流量32%，同時(shí)也減少總徑流量14%，枯水期徑流量也隨之減少，森林覆蓋率每增加1%，枯水期徑流減少1.5 mm～7.5 mm;松花江水系阿什河上游3個(gè)面積2 km2以下的小集水區(qū)(集水)通過50%的帶狀采伐和皆伐后，采伐區(qū)的總徑流量增加了1.31%～9.17%，秋汛(多雨季節(jié))徑流增加了3.61% ～10.71%，而枯水(包括春汛融雪徑流)徑流則減少了17.51%(周曉峰等，2001;王懷宇等，2010)。周彥輝(1986)通過計(jì)算，得出森林覆被率與枯水徑流呈反比的結(jié)論。

由此可見，在全世界范圍內(nèi)，森林對(duì)枯水徑流表現(xiàn)出正負(fù)兩種效應(yīng)。耿運(yùn)生＆喬裕民(2003)認(rèn)為流域內(nèi)的枯水徑流取決于林地蒸散發(fā)與土壤人滲率的綜合作用。一是在降水較多且林地土壤透水性能良好時(shí)，滲透強(qiáng)度超過可能的蒸發(fā)散強(qiáng)度，則森林對(duì)枯水徑流的正效應(yīng)突出;而在降水較少或不具備良好的滲透條件時(shí)，則有可能是蒸散耗水成為主要因素，森林的負(fù)效應(yīng)就突出了(王懷宇等，2010)。地區(qū)、林種、林型、林區(qū)的管理等因素對(duì)枯水徑流的影響可能比森林的影響更大(耿運(yùn)生＆喬裕民，2003;王懷宇等，2010)。魏曉華等(2005)也認(rèn)為森林變化對(duì)枯水徑流的影響除了與植物變化所引起的蒸散發(fā)變化有關(guān)外，還取決于土壤的變化。干旱季節(jié)采伐森林以后，流域的枯水流量不可能立刻增加，只有在土壤含水量得到補(bǔ)給，地下水位達(dá)到一定高度并趨于穩(wěn)定后，再遇降水，枯水流量才會(huì)增加(周梅，1995)。此外，即使在同一流域，不同時(shí)期的雨前條件和無雪期氣象條件也有很大的差異。

2.3 森林對(duì)年徑流量的影響

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，對(duì)地表圈層的水循環(huán)產(chǎn)生了重要的影響，特別是其涵養(yǎng)水源、保持水土和維持水質(zhì)的作用為多數(shù)學(xué)者所公認(rèn)，但是森林的存在是增加或減少河川徑流量，目前并沒有形成一個(gè)定論(李昌哲等，1986;李文華等，2001;程根偉等，2004)。從世界各國(guó)研究來看，森林與徑流的關(guān)系主要有以下3種不同的觀點(diǎn)。

1)森林會(huì)減少年徑流量

國(guó)際上大多數(shù)國(guó)家的研究者在不同地理區(qū)域得出的結(jié)論大多也是認(rèn)為森林的存在會(huì)使徑流量減少。美國(guó)北卡羅來那州的Coweeta集水區(qū)一直被認(rèn)為是世界上持續(xù)研究歷史最長(zhǎng)的集水區(qū)。Coweeta長(zhǎng)期的水流量記錄結(jié)果顯示，清除森林可以增加大約15%的平均水流量和洪峰流量(Swank＆Crossley，1988)。Hubbard Brook森林集水區(qū)多年對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果則表明，當(dāng)砍伐流域內(nèi)20%的森林后，可以觀測(cè)到流域年徑流量的增加，當(dāng)砍伐面積達(dá)到流域面積的45%時(shí)，流域年徑流深增加100 mm以上，當(dāng)將流域內(nèi)的森林全部砍伐后，流域年徑流深增加250 mm以上，砍伐面積每增加10%，流域年徑流深增加 18 mm(Botmonn ＆ Likens，1979)。Sanders(1986)在俄亥俄州的Dayton所進(jìn)行的研究中也發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有林分的林冠覆蓋率為22%時(shí)，減少地表徑流大約為7%，如果林冠覆蓋率增加到50%，將能減少地表徑流大約12%。程根偉等(1997)對(duì)加拿大Carnation-Creek流域森林砍伐前后共計(jì)15年的對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，90%的清伐后流域年徑流系數(shù)增大了約15%，年平均產(chǎn)水量增加了約300 mm～500 mm。英國(guó)的Balqhidder集水區(qū)實(shí)驗(yàn)分別比較了草地與荒地以及草地和針葉林等不同植被覆蓋類型的水文過程，結(jié)果發(fā)現(xiàn)森林植被的存在同樣會(huì)減少產(chǎn)水量(Whitehead＆ Calder，1993)。Calder(1990)對(duì)英國(guó)Plvnlimon森林集水區(qū)的研究結(jié)果也顯示，有森林覆蓋的集水區(qū)的年徑流量低于草地覆蓋區(qū)。德國(guó)在Krofdorf集水區(qū)開展的采用校核觀測(cè)的辦法來剔除其他因素對(duì)森林采伐實(shí)驗(yàn)影響的研究結(jié)果表明，分段采伐流域內(nèi)96%山毛櫸林后的第2年，流域年徑流深增加86mm(Brechtel＆Fuehrer，1991)。Chirino等(2006)比較了西班牙Ventós集水區(qū)裸地、草地、灌木林和人工松樹林的產(chǎn)流效應(yīng)，結(jié)果表明，裸地的徑流深為有植被林地徑流深的4倍。Ruprecht等(1991)在澳大利亞的研究表明，皆伐和擇伐均會(huì)導(dǎo)致林地葉面積的下降、地下水位的上升和徑流深的逐年增長(zhǎng)。日本的小流域結(jié)果也表明徑流量隨森林的皆伐、擇伐而增加(李文華等，2001)。

我國(guó)的森林集水區(qū)研究開始于20世紀(jì)60年代，研究的內(nèi)容主要集中于探討森林植被覆蓋率變化與流域徑流量變化的關(guān)系(李文華等，2001)。目前的研究表明，在我國(guó)的干旱、半干旱地區(qū)，由于森林植被蒸騰耗水在生態(tài)系統(tǒng)水分平衡中占的比重較大，森林有明顯減少徑流量的作用。據(jù)黃土高原成對(duì)有林和無林流域降水和徑流的相對(duì)變化量資料統(tǒng)計(jì)表明，黃土高原區(qū)森林覆蓋度增加會(huì)普遍降低河川徑流量，森林覆蓋率平均每增加10%將減少徑流量1.67 mm，增加流域降水量4.12 mm(劉昌明 ＆鐘駿襄，1978)。楊海軍等(1994)對(duì)山西省吉縣境內(nèi)的紅旗林場(chǎng)的少林和多林流域的對(duì)比研究也表明，少林流域的徑流量明顯多于有林流域。位于我國(guó)華北地區(qū)的山西省黃土區(qū)清水河流域，在60年代、70年代和80年代末森林覆蓋率分別為25.13%、55.29%和57.88%，而年均徑流量則分別為55 mm、46 mm和23mm，年均徑流系數(shù)分別為0.093、0.083和0.045，隨著森林覆蓋率增加及林齡增大，年徑流量、年徑流系數(shù)都明顯減少(王禮先等，1998)。張曉萍等(2009)估算了黃河中游河口-龍門區(qū)間不同植樹造林情景下年均徑流量的變化。結(jié)果表明，河龍區(qū)間適宜區(qū)和次適宜區(qū)均植樹后，區(qū)域產(chǎn)水減少9.2%(3.1 mm)，區(qū)域局部減水最大達(dá)到48 mm。

2)森林會(huì)增加徑流量

前蘇聯(lián)的許多研究結(jié)果認(rèn)為，森林覆蓋率增加能提高河川流量，并引用大量由于采伐森林造成河流水位下降和造成干旱的歷史事實(shí)加以證明(李文華等，2001)。Harr(1979)在美國(guó)俄勒岡西部的研究表明，森林采伐后，年徑流量減少。我國(guó)的多數(shù)研究表明，在長(zhǎng)江中上游濕潤(rùn)地區(qū)，森林對(duì)徑流量具有正效應(yīng)(Cheng，1999)。長(zhǎng)江中上游流域多組多林和少林流域(674 km2～5 322 km2)的對(duì)比分析結(jié)果表明，多林流域的年徑流量比少林流域的大，多林流域的年徑流系數(shù)比少林流域的增加33% ～218%(周曉峰，2001)。在岷江上游的米亞羅亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)中，森林砍伐顯著降低了流域的產(chǎn)水量，森林覆蓋度降低10%，徑流量降低70 mm左右，森林砍伐降低河川徑流效應(yīng)明顯(馬雪華，1987，1993;黃禮隆，1990)。馬雪華(1993)在西南地區(qū)岷江上游冷杉林集水區(qū)內(nèi)也觀察到，采伐森林會(huì)使年徑流量減少。在我國(guó)其他地區(qū)也有一些相同的觀測(cè)結(jié)果。對(duì)我國(guó)東北地區(qū)黑龍江、松花江水系20個(gè)面積為101 km2～170 000 km2流域10年測(cè)定的多元回歸分析結(jié)果表明，森林覆蓋率增加1%會(huì)引起年徑流量1.46 mm的增加(周曉峰，2001)。朱道光等(2005)采用大流域徑流測(cè)定與小流域?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，利用35年的徑流和森林資源變化資料，對(duì)小興安嶺林區(qū)森林采伐后河川徑流發(fā)生的一系列變化進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明，森林采伐后營(yíng)造落葉松人工林，造林初期10年內(nèi)，河川徑流量表現(xiàn)為增加趨勢(shì);隨著落葉松人工林的不斷生長(zhǎng)和郁閉成林，采伐流域的徑流量逐漸減少，并趨于采伐前水平或低于采伐前水平。石頭河和黑河流域位于我國(guó)西北地區(qū)秦嶺北坡，在20世紀(jì)50年代～60年代，由于流域的林分質(zhì)量都經(jīng)過較大的破壞，石頭河和黑河流域徑流量分別下降23.6%和32.6%。但石頭河流域有較多林地被劃為保護(hù)區(qū)，林分質(zhì)量有較大提高，每公頃年產(chǎn)流量6 405.9 m3，而黑河流域每公頃產(chǎn)流量為4 364.5 m3，前者比后者高出46.8%(李文華等，2001)。

3)森林覆蓋率與徑流量沒有明顯的關(guān)系

前蘇聯(lián)西北部和上伏爾加河流域等集水區(qū)的觀測(cè)，提出森林對(duì)小流域年徑流量無明顯影響，或不明顯的規(guī)律性(李文華等，2001)。我國(guó)的一些研究也得到了相似的結(jié)果，東北林業(yè)大學(xué)在帽兒山的蒙古櫟采伐實(shí)驗(yàn)表明，疏伐對(duì)總徑流量影響較小。經(jīng)50%疏伐，使郁閉度從0.95降低到0.6，徑流量增加1.9 mm，僅增加了0.88%(周曉峰，1994)。海南島萬泉河乘坡水文站和昌化江毛枝水文站的觀測(cè)資料也表明，森林植被變化對(duì)河川徑流量的影響并不十分明顯。20世紀(jì)60年代和70年代乘坡水文站森林覆蓋率分別為15%和40%，年降水量分別為2 601 mm、2 428 mm，年均徑流量分別為1 805 mm、1 676 mm，年均徑流系數(shù)均為0.69(王禮先，1998;李文華等，2001)。

2.4 森林對(duì)徑流形成的影響

徑流是指降雨或融雪水通過坡面和流域蓄滲與匯流，最終在出口形成徑流全過程的水分運(yùn)動(dòng)和傳輸。森林與徑流的關(guān)系是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，其內(nèi)容大體包括暴雨徑流的源區(qū)(空間分布)、暴雨徑流的運(yùn)動(dòng)路徑(匯)、暴雨徑流的成分分割、暴雨徑流產(chǎn)生的時(shí)間問題(時(shí)間分布)、不同徑流成分運(yùn)動(dòng)的物理表達(dá)(程根偉等，1996;張志強(qiáng)等，2001)。長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，水流量與森林類型密切相關(guān)。一般認(rèn)為，針葉林、硬闊葉林、落葉闊葉林、灌木林、草本植物對(duì)流域產(chǎn)水量的影響呈遞減趨勢(shì)，針葉林覆蓋率變化10%將引起流域年總產(chǎn)水量約40 mm的變化量，闊葉林覆蓋率變化10%將引起流域年總產(chǎn)水量約25 mm的變化量，而灌木林或草本植物覆蓋率變化10%將引起流域年總產(chǎn)水量約10 mm的變化量(Bosch＆Hewlett，1982)。此外，在不同研究區(qū)域森林影響年徑流量變化的幅度差別很大，采伐方式、氣候條件、土壤地質(zhì)、地形條件、水文測(cè)驗(yàn)在采伐后進(jìn)行的時(shí)間等等均可能引起森林水文功能或計(jì)量結(jié)果的差異。在其他因素都相同的條件下，森林采伐后降雨徑流響應(yīng)在很大程度上依賴于地被層被破壞的程度，流域產(chǎn)水量對(duì)森林砍伐的響應(yīng)在降雨量大的地區(qū)變化較大，當(dāng)植被恢復(fù)受到抑制時(shí)，流域產(chǎn)水量增加的趨勢(shì)將長(zhǎng)期地持續(xù)下去。但當(dāng)讓植被進(jìn)行自然恢復(fù)，濕潤(rùn)地區(qū)植被恢復(fù)速度快，徑流變化持續(xù)的時(shí)間較短。流域產(chǎn)水量增加的變化在濕潤(rùn)地區(qū)通常在3年～10年消失(Cuenca et al，1997)?？梢灶A(yù)料在較為干旱的地區(qū)，由于植被恢復(fù)速度較慢，流域產(chǎn)水量增加的趨勢(shì)將會(huì)持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間。另外，較長(zhǎng)時(shí)間的水文反應(yīng)還與植被恢復(fù)的樹種組成、結(jié)構(gòu)變化和氣候變動(dòng)有關(guān)，研究表明流域產(chǎn)水量的變化是森林葉面積指數(shù)的函數(shù)(Swank et al，1988;Burt＆Swank，1992)。由于處于流域內(nèi)森林的不同位置對(duì)徑流形成具有不同的影響，因此，森林采伐的自然空間位置的差異也可導(dǎo)致不同的水文響應(yīng)。

森林采伐對(duì)徑流影響主要表現(xiàn)在增加地表徑流和壤中流的比例，而下滲徑流降低，與保留林相比，皆伐跡地地表徑流增加152%，壤中流增加88.3%，下滲徑流減少(周曉峰，1994)。劉昌明等(1978)分析了黃土高原年徑流量及其成分隨森林覆蓋度變化的曲線，發(fā)現(xiàn)在徑流量的兩個(gè)組分——地表徑流和地下徑流中，地表徑流隨森林覆蓋度增加呈直線降低，而地下徑流有隨覆蓋度增加而微弱上升的趨勢(shì)，地下徑流增加在一定程度上減緩了森林覆蓋率降低地表徑流的趨勢(shì)。

3 總結(jié)

森林與水的關(guān)系問題是當(dāng)今生態(tài)學(xué)與水文學(xué)研究的中心議題之一。本文通過對(duì)森林調(diào)節(jié)降水、涵養(yǎng)水源、調(diào)控洪枯流量、調(diào)節(jié)徑流等多方面功能的現(xiàn)有研究資料進(jìn)行歸納分析，綜合研究國(guó)內(nèi)外不同森林類型的森林水文研究結(jié)果，旨在尋找其中科學(xué)規(guī)律，為森林生態(tài)環(huán)境建設(shè)和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

［1］Andrassian V.Waters and forests:from historical controversy to scientific debate［J］.Journal of Hydrology.2004，29:11 ～27.

［2］Austin S A.Stream flow Response to Forest Management:A Metaanalysis Using Published Data and Flow Duration Curves［D］.M.S.Thesis.Fort Collins，Colorado，USA:Colorado State University.1999.

［3］Black P E.Research issues in forest hydrology［J］.Journal of A-merican Water Resource，1998，34(4):98 ～115.

［4］Bonell M.Progress in the understanding of runoff generation dynamics in forests［J］.Journal of Hydrology，1993，150:217 ～275.

［5］Bosch J M，Hewlett J D.A review of catchment experiments to determine the effect of vegetation changes on water yield and evapotranspiration ［J］.Journal of Hydrology，1982，55:3-22

［6］Botmonn F H，Likens G F.Pattern and progress in a forested ecosystem［M］.New York:Springer-Verlag，1979，253.

［7］Brechtel H M，F(xiàn)uehrer H W.Water yield control in beech forest:a paired watershed study in the Krofdorf forest research area［J］.Interactions Between Atmosphere，Soil and Vegetation，1991，204:477～484.

［8］Burt T P，Swank W T.Flow frequency responses to grass conversion and subsequent succession ［J］.Hydrological Processes，1992，6(2):179～188.

［9］Calder I R.Evaporation in the uplands［M］.Chichester:Wiley，1990:148.

［10］Cheng G W.Forest change:Hydrological effects in the Upper Yangtze River Valley［J］.Ambio，1999，28(8):457 ～459.

［11］Chirino E，Bonet A，Bellot J，et al.Effects of 30-year-old Aleppopine plantations on runoff，soil erosion，and plant diversity in a semi-arid landscape in south eastern Spain ［J］.Catena，2006，65:19～29.

［12］Cuenca RH，Stangel DE，Kelly SF.Soil water balance in a boreal forest［J］.Journal of geography research，1997，102(24):29355～29365.

［13］Gomez J A，Giraldez J V，F(xiàn)ereres E.Rainfall interception by olive trees in relation to leaf area［J］.Agricultural Water Management，2001，49:65 ～76.

［14］Harr R D，F(xiàn) M McCorison.Initial effects of clear cut logging on size and timing of peak flows in a small watershed in western Oregon［J］.WaterResourceResearch，1979，15:90 ～94.

［15］Hornbeck J W，Martin C W，Eagar C.Summary of water yield experiments atHubbard Brooks ExperimentalForest，New Hampshire［J］.Canadian Journal of Forest Research，1997，27:2043～2052.

［16］McCulloch J S G，Robinson M.History of forest hydrology［J］.Journal of Hydrology，1993，150:189 ～216.

［17］Park H，Hattori S，Kang H O.Seasonal and inter-plot variations of stemflow，throughfall，and interception loss in two deciduous broad-leaved forests［J］.Journal of the Japan Society of Hydrology Water Resources，2000，13:17 ～30.

［18］Ruprecht JK，Schofield NJ.Effects of partial deforestation on hydrology and salinity in high salt storage landscapes.II.Strip，soils and parkland clearing ［J］.Journal of Hydrology，1991，129(14):39～55.

［19］Sander R A.Urban Vegetation impacts on the hydrology of Dayton［J］.Ohio.Urban Eco，l 1986(9):361 ～376.

［20］Scott D F，Lesch W.Stream flow responses to afforestation with Eucalyptus grandis and Pinus petula and to felling in the Mokobulaan experimental catchments，South African ［J］.Journal of Hydrology，1997，199:360 ～377.

［21］Swanson R H.Forest hydrology issues for the 21st Century:A consultant's viewpoint［J］.Journal of American Water Resources Association，1998，34(4):755 ～763.

［22］Swank W T，Crossley D A.Forest hydrology and ecology at Coweeta［J］.Ecological study.New York:Springer-verlag.1988.

［23］Whitehead P G，Robinson M.Experimental basin studies-an international and historical perspective of forest impacts［J］.Journal of Hydrology，1993，145:217 ～230.

［24］程根偉.四川盆地江河徑流特性與森林的關(guān)系探討［J］.水土保持學(xué)報(bào)，1991，5(1):48 ～52.

［25］程根偉，鐘祥浩，何毓成.森林水文研究中的悖論及最新認(rèn)識(shí)［J］.大自然探索，1996，15(2):81 ～85.

［26］程根偉，Hetherington E.太平洋西海岸森林砍伐對(duì)洪水特征的影響［J］.山地研究，1997，15(3):167～172.

［27］程根偉，余新曉，趙玉濤，等.山地森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)與數(shù)學(xué)模擬［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［28］高甲榮，肖斌，張東升，等.國(guó)外森林水文研究進(jìn)展評(píng)述［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2001，15(5):60 ～64.

［29］韓永剛，楊玉盛.森林水文效應(yīng)的研究進(jìn)展［J］.亞熱帶水土保持，2007，19(2):20 ～25.

［30］黃禮隆.川西高山林區(qū)森林水源涵養(yǎng)性能的初步研究［J］.見:李承彪，四川森林生態(tài)研究.成都:四川省科學(xué)技術(shù)出版社，1990.

［31］雷瑞德，張仰渠.秦嶺林區(qū)森林水文效應(yīng)的研究［J］.見:林業(yè)部科技司.中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社，1996，223 ～233.

［32］李昌哲，郭衛(wèi)東.森林植被的水文效應(yīng)［J］.生態(tài)學(xué)雜志，1986，5(5):17 ～21.

［33］李文華，何永濤，楊麗韞.森林對(duì)徑流影響研究的回顧與展望［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2001，16(5):398 ～406.

［34］劉昌明，鐘駿襄.黃土高原森林對(duì)年徑流影響的初步分析［J］.地理學(xué)報(bào)，1978，33(2):112 ～116.

［35］劉向東，蘇寧虎，吳欽孝，等.六盤山森林水文生態(tài)功能評(píng)價(jià)［M］.國(guó)際森林水文學(xué)研究方法討論會(huì)，1987.

［36］劉世榮，常建國(guó)，孫鵬森.森林水文學(xué):全球變化背景下的森林與水的關(guān)系［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，31(5):753 ～756.

［37］劉世榮，溫遠(yuǎn)光，王兵，等.中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)水文生態(tài)功能規(guī)律.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，1996.

［38］盧培俊.熱帶森林水文學(xué)研究芻議［J］.熱帶林業(yè)科技，1987，2:1～8.

［39］馬雪華.四川米亞羅地區(qū)高山冷杉林水文作用的研究［J］.林業(yè)科學(xué)，1987，23(3):253 ～265.

［40］馬雪華.森林水文學(xué)［M］.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，1993.

［41］石健，郭小平，孫艷紅，等.森林植被對(duì)徑流形成機(jī)制的影響［J］.水土保持應(yīng)用技術(shù)，2006，(2):5 ～8.

［42］石培禮，李文華.森林植被變化對(duì)水文過程和徑流的影響效應(yīng)［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2001，16(5):481 ～487.

［43］薛建輝，郝奇林，吳永波，等.3種亞高山森林群落林冠截留量及穿透雨量與降雨量的關(guān)系［J］.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，32(3):9 ～13.

［44］王愛娟，肖文波.林冠截留降雨研究綜述［J］.水土保持研究，2009，16(4):55 ～59.

［45］王飛高，周冬梅，俞均昌，等.森林對(duì)河川徑流影響以及研究方法［J］.江西林業(yè)科技，2005，(2):16-18.

［46］王懷宇，張福利，霍宏.我國(guó)森林植被變化對(duì)河川徑流影響的研究進(jìn)展［J］.林業(yè)科技情報(bào)，2010，42(1):8 ～11.

［47］王金葉，車克鈞.祁連山森林復(fù)合流域徑流規(guī)律研究［J］.土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1998，4(1):22～27.

［48］王禮先，張志強(qiáng).森林植被變化的水文生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展［J］.世界林業(yè)研究，1998，11(6):14 ～23.

［49］魏曉華，李文華，周國(guó)逸，等.森林與徑流關(guān)系——一致性和復(fù)雜性［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2005，20(5):761 ～770.

［50］吳萬奎，魏玉廣，李文采，等.廣元市元壩區(qū)主要森林類型生物生產(chǎn)力及水源涵養(yǎng)能力的研究［J］.四川林業(yè)科技，1996，17(2):55～61.

［51］文仕之，何炳飛.杉木人工林生態(tài)系統(tǒng)不同干擾條件下徑流規(guī)律的研究［J］.見:劉煊章.森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，1993，221 ～227.

［52］楊海軍，孫立達(dá)，余新曉.晉西黃土區(qū)森林流域水量平衡研究［J］.水土保持通報(bào)，1994，14(2):26 ～31.

［53］張志強(qiáng)，王禮先，余新曉，Klaghofer E.森林植被影響徑流形成機(jī)制研究進(jìn)展［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2001，16(1):79 ～84.

［54］張曉萍，張櫓，李銳，等.基于DEM的黃河中游植被恢復(fù)對(duì)年均徑流量影響的估計(jì)［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，33(6):1056～1064.

［55］周梅.森林對(duì)河川徑流影響研究綜述［J］.內(nèi)蒙古林學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1995，17(4):9 ～17.

［56］周曉峰，趙惠勛，孫慧珍.正確評(píng)價(jià)森林水文效應(yīng)［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2001，16(5):420 ～426.

［57］周曉峰，李慶夏.帽兒山、涼水森林水分循環(huán)的研究［J］.見:林業(yè)部科技司.中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社，1994，pp213 ～221.

［58］周彥輝.森林對(duì)徑流的影響［M］.東北林業(yè)大學(xué)，1986.

［59］朱道光，蔡體久，姚月峰，等.小興安嶺森林采伐對(duì)河川徑流的影響［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，16(12):2259～2262.

［60］朱勁偉.小興安嶺紅松闊葉林的水文效應(yīng)［J］.東北林學(xué)院學(xué)報(bào)，1982，(4):17 ～24.