森林水源涵養(yǎng)功能研究進展

邵英男 沃曉棠 李云紅 陳 瑤 韓麗冬

(1.黑龍江省森林工程與環(huán)境研究所 森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081；2.東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

森林水源涵養(yǎng)功能是生態(tài)系統(tǒng)服務功能之一，是森林生態(tài)功能評價的重要組成部分[1，2]。森林的水源涵養(yǎng)功能是指森林生態(tài)系統(tǒng)通過3個作用層，即林冠層、枯落物層和土壤層攔截和滯蓄降水[3],從而起到涵蓄土壤水分、補充地下水、調(diào)節(jié)林內(nèi)小氣候、減小林內(nèi)地表蒸發(fā)散和調(diào)節(jié)河川徑流的作用[4]。因此，森林植被水源涵養(yǎng)功能受物種組成、林分結(jié)構(gòu)、土壤類型、外來干擾等因素的影響很大[5-7]。通過研究森林水源涵養(yǎng)功能，探討森林植被對降雨分配的影響，也為正確評價森林水文生態(tài)功能提供科學依據(jù)。

目前,森林水源涵養(yǎng)功能研究多見報道,但對其生態(tài)作用和作用機制仍缺乏系統(tǒng)全面的認識。因此,在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)之上,對影響森林水源涵養(yǎng)功能的各項因素進行歸納和總結(jié),以期為今后相關(guān)方面的研究提供一定的借鑒和指導作用。

1 森林水源涵養(yǎng)功能研究進展

1.1 林冠層

林冠層是大氣降水進入森林后的第一個作用層，是森林蒸發(fā)散的重要組成部分，直接影響降水在森林生態(tài)系統(tǒng)中的整個循環(huán)過程。大量研究表明，林冠截留占總降水量的9.0%～69.1%左右[8-10]。郭永盛等[11]對內(nèi)蒙古大青山典型植被水源涵養(yǎng)功能進行分析，結(jié)果表明：油松林的林冠截留量最大,為0.170mm，落葉松林和白樺林依次為0.104mm和0.052mm。莫菲等[12]對東靈山林區(qū)4種森林植被水源涵養(yǎng)功能進行了評價，研究發(fā)現(xiàn)：林冠層截留率為12.28%～19.23%，林冠截留能力大小依次為遼東櫟林、落葉闊葉混交林、油松林、華北落葉松林。王黑子來等[13]研究發(fā)現(xiàn)，大興安嶺地區(qū)森林植被林冠層持水能力為：針闊混交林冠層截留量最高為1 034.83t/hm2，截留率為26.19%；落葉松林林冠層截留量最小，為483.05t/hm2，截留率為15.51%。孫德泉[14]對井岡山國家級自然保護區(qū)水源涵養(yǎng)能力進行研究，研究表明：林冠層截留總量為5.29×104t，其中針闊混交林最強，闊葉林最弱。

1.2 枯落物層

森林的枯落物層對降水的調(diào)節(jié)能力也較強[15]。大量研究結(jié)果表明，森林枯落物層持水能力的大小與森林流域的產(chǎn)流機制有著密切的聯(lián)系[16]，同時受枯落物的組成、蓄積量、植被類型、林齡、枯落物的分解狀況、降雨特點的影響。研究發(fā)現(xiàn)，水分在枯落物層的傳輸機制類似于林冠的截留過程，其截留量與枯落物的種類、蓄水能力有關(guān)，與林地單位面積枯落物成正比[17]。陳引珍[18]對三峽庫區(qū)森林植被水源涵養(yǎng)功能進行評價，結(jié)果表明：不同林型枯落物持水量為灌木林(80.6t/hm2)>針闊混交林(47.11t/hm2)>常綠闊葉林(43.2t/hm2)>楠竹林(33.4t/hm2)。喬玉[19]對遼東山區(qū)不同林型枯落物持水能力進行分析，結(jié)果表明：落葉松林(61.79t/hm2)>闊葉混交林(50.07t/hm2)>花曲柳林(39.79t/hm2)>紅松林(34.79t/hm2)>針闊混交林(29.56t/hm2)。時忠杰等[20]對六盤山主要森林類型枯落物的水文功能進行研究，結(jié)果表明:枯落物的最大持水率為177.68%～387.42%,枯落物層的最大持水量為0.9～7.6mm,最大攔蓄量為0.36～4.96mm,有效攔蓄量為0.23～3.82mm, 均表現(xiàn)為針葉林>闊葉林>灌叢。陳波等[21]研究冀北山地4個海拔梯度的華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林枯落物層的水文效應，結(jié)果表明：枯落物總蓄積量、最大持水量、有效攔蓄能力均隨海拔升高而增大,枯落物總儲量在8.19～39.49t/hm2之間,最大持水量在17.76～74.12t/hm2之間,有效攔蓄能力在14.56～54.60t/hm2之間。顧宇書等[22]對渾河上游4種典型林分類型的枯落物持水特性進行了研究，研究表明：枯落物最大持水量的大小依次為日本落葉松人工林(55.93t/hm2)>遼東櫟天然次生林(50.42t/hm2)>核桃楸闊葉混交林(37.84t/hm2)>冷杉針闊混交林(35.84t/hm2)

1.3 土壤層

森林土壤層對降水資源分配格局的影響最為明顯,是森林發(fā)揮水文調(diào)節(jié)作用的主要場所[23]，其截留效應受喬木層、枯落物層的間接影響[24]。森林土壤的水分入滲和森林土壤的蓄水能力是評價森林水源涵養(yǎng)功能的重要參數(shù)。林地土壤入滲模型以Philip模型最為常見，該模型成功地描述了土壤入滲和森林水源涵養(yǎng)之間的關(guān)系[25]。李婧[26]研究發(fā)現(xiàn)：三峽庫區(qū)4種主要森林類型土壤層的入滲速率為常綠闊葉林(46.50mm/min)>常綠闊葉+落葉闊葉混交林(24.33mm/min)>落葉闊葉林(21.17mm/min)>暖性針葉林(10.08mm/min) 。張偉等[27]對冀北山地各林分土壤水文效應進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：土壤最大持水量排序為山楊林(1 709t/hm2)>油松蒙古櫟混交林(1 551t/hm2)>白樺林(1 549t/hm2)>油松林(1 547t/hm2)>華北落葉松林(1 357t/hm2)>蒙古櫟林(1 303t/hm2)；土壤滲透性能排序為:油松蒙古櫟混交林>山楊林>白樺林>油松林>蒙古櫟林>華北落葉松林。張展[28]研究發(fā)現(xiàn)：水源頭區(qū)域森林土壤最大蓄水量的變化范圍在1 980.48～2 199.56t/hm2之間，木荷—潤楠混交林最大，撂荒地最小。有效蓄水量的大小依次為刺楸—楓香混交林(150.75t/hm2)>木荷—潤楠混交林(146.25t/hm2)>木荷—潤楠混交林(139.12t/hm2) >撂荒地(127.54t/hm2)。各樣地土壤上層(0～15cm)的初滲和穩(wěn)滲速度變化范圍分別為1.82～8.71mm/min，0.55～3.62mm/min，其中木荷—潤楠混交林的初滲和穩(wěn)滲系數(shù)最大,分別為4.11mm/min和1.43mm/min。顧宇書等[29]對渾河上游4種典型水源林土壤物理性質(zhì)及水源涵養(yǎng)功能進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：不同林分土壤最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量大小排序為核桃楸—色木槭—花曲柳混交林(1 304.45、908.78、395.67t/hm2)>冷杉—白樺—懷槐(1 252.51、905.26、347.26t/hm2)>日本落葉松純林(1 136.15、832.12、304.04t/hm2)>遼東櫟天然次生林(1 057.27、817.88、239.40t/hm2)。

2 展望

森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能及其價值評估是當前生態(tài)服務功能研究的熱點問題,同時也是一個極其復雜的難點問題。目前國內(nèi)關(guān)于森林水源涵養(yǎng)功能的研究較多,但與國外相比仍存在很大差距,整體研究水平亟待提高。為此,應特別關(guān)注以下兩個方面的研究工作:

(1)從林冠截留研究現(xiàn)狀來看，我國的相關(guān)研究尚處于初步階段，只限于把降水特征和林分郁閉度等少數(shù)因素作為影響因素，著重研究的是林冠層對月或年的降水截留量大小，而沒有考慮林冠層對一次降雨截留的大小，沒有討論林冠截留與其他因素(如林冠濕潤度、林冠貯水能力、枝葉量等)的相關(guān)性。因此，在今后的研究工作中要著重對林冠截留的監(jiān)測。

(2)從已有的研究可以看出，我國對森林生態(tài)系統(tǒng)的降水分配、截留遠未闡明。大多數(shù)研究仍局限于對各組分(如林冠層、灌木層、草本層、枯落物等)的監(jiān)測研究，缺乏對森林生態(tài)系統(tǒng)大尺度的監(jiān)測研究。所以我們還無法科學、準確地闡明森林生態(tài)系統(tǒng)的水文過程和機制。因此，我們要進行多學科、全方位、多層次的綜合研究，更好地闡述森林生態(tài)系統(tǒng)對降水分配和截留的作用機制。

參考文獻：

[1]王兵,任曉旭,胡文.中國森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能及其價值評估[J].林業(yè)科學,2011,47(2):145～143.

[2]賀淑霞,李敘勇,莫菲,等.中國東部森林樣帶典型森林水源涵養(yǎng)功能[J].生態(tài)學報,2011,31(12):3285～3295.

[3]巍強,張秋良,代海燕,等.大青山不同林地類型土壤特性及其水源涵養(yǎng)功能[J].水土保持學報,2008,22(2):111～115.

[4]慕長龍,龔固堂.長江中上游防護林體系綜合效益的計算與評價[J].四川林業(yè)科技,2001,22(1):15～23.

[5]成晨,王玉杰,潘玉娟,等.重慶縉云山不同林分類型水源涵養(yǎng)功能研究[J].水土保持通報,2009,29(4):174～179.

[6]王鵬程,肖文發(fā),張守攻,等.三峽庫區(qū)主要森林植被類型土壤滲透性能研究[J].水土保持學報,2007,21(6):51～56.

[7]秦嘉海,魏淑蓮,金自學,等.不同針葉林對祁連山森林灰褐土理化性質(zhì)和水源涵養(yǎng)功能的影響[J].水土保持通報,2010,30(5):84～87.

[8]Huber A, Iroume A. Variability of annual rainfall Partitioning for dieffrent sites and forest Covers in Chile[J].Jounral of Hydrology, 2001,(248):78～92.

[9]Teklehaimanot Z, et al. rainfall interception and boundary conductance in relation to tree spacing[J].hydrol，1991,(123):261～278.

[10]溫光遠,劉世榮.我國森林生態(tài)系統(tǒng)類型降水截留規(guī)律的數(shù)量分析[J].林業(yè)科學,1995,31(4):289～298.

[11]郭永盛,白玉英,楊宏，等.內(nèi)蒙古大青山典型植被水源涵養(yǎng)功能分析[J].林業(yè)資源管理,2010,6(3):75～78.

[12]莫菲,李敘勇,賀淑霞,王曉學.東靈山林區(qū)不同森林植被水源涵養(yǎng)功能評價[J].生態(tài)學報,2011,31(17):5009～5016.

[13]王黑子來,劉微,黃超.大興安嶺生態(tài)溝系典型森林植被水源涵養(yǎng)功能的研究[J].中國農(nóng)學通報,2011,27(19):33～37.

[14]孫德泉.井岡山國家級自然保護區(qū)水源涵養(yǎng)能力研究[D].北京:中國地質(zhì)大學學位論文,2012.

[15]李倩茹,許中旗,許晴,等.燕山西部山地灌木群落凋落物積累量及其持水性能研究[J].水土保持學報,2009,23(2):75～78.

[16]Putuhena W. M&Cordery I. Some hydrological effects of changing forest cover from eucalypts to Pinus radiata[J].Agricultural and Forest Meteorology,2000,(100):59～72.

[17]William M. Putuhena, Ian Cordery. Estimation of interception capacity of the forest floor[J].Journal of Hydrology,1996,180(2):283～299.

[18]陳引珍.三峽庫區(qū)森林植被水源涵養(yǎng)及其保土功能研究[D].北京:北京林業(yè)大學學位論文,2007.

[19]喬玉.遼東山區(qū)不同林型水源涵養(yǎng)功能研究[D].遼寧:遼寧工程技術(shù)大學學位論文,2008.

[20]時忠杰,王彥輝,徐麗宏.六盤山主要森林類型枯落物的水文功能[J].北京林業(yè)大學學報,2009,31(1):91～99.

[21]陳波,孟成生,趙耀新，等.冀北山地不同海拔華北落葉松人工林枯落物和土壤水文效應[J].水土保持學報,2012,26(3):216～221.

[22]顧宇書,邢兆凱,韓友志,等.渾河上游4種典型林分類型枯落物持水特征[J].南京林業(yè)大學學報：自然科學版,2013,37(1):31～36.

[23]王燕,王兵,趙廣東,等.江西大崗山3種林型土壤水分物理性質(zhì)研究[J].水土保持學報,2008,22(1):151～153.

[24]Putuhena W M. Cordery I. Estimation of interception capacity of the forest floor[J].Joumal of Hydrology,1996,(180):283～29.

[25]Lin H. S. Mclnnes K. J. et al. Macro-porosity and initial moisture effects on infiltration rates in Vertisols and vertic intergrandes[J].Soil Science, 1998,163(1):2～8.

[26]李婧.三峽庫區(qū)紫色砂巖地主要森林類型水文效應研究[D].北京:北京林業(yè)大學學位論文,2012.

[27]張偉,楊新兵,張汝松，等.冀北山地不同林分枯落物及土壤的水源涵養(yǎng)功能評價[J].水土保持通報,2011,31(3):208～212.

[28]張展.禮水源頭區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能綜合評價[D].長沙:中南林業(yè)科技大學學位論文,2012.

[29]顧宇書,邢兆凱,韓友志，等.渾河上游4種典型水源林土壤物理性質(zhì)及其水源涵養(yǎng)功能[J].東北林業(yè)大學學報,2013,(1)：37～41.