水源涵養(yǎng)林水文生態(tài)效應(yīng)研究進(jìn)展

熊 婕,辛 穎,趙雨森

(東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱，150040)

近年來，森林惡意破壞引起了許多生態(tài)問題，例如水土流失嚴(yán)重、水資源污染、生物多樣性下降、土地荒漠化擴(kuò)大、洪澇災(zāi)害發(fā)生頻繁等。水源涵養(yǎng)林又叫水源林，主要指河川、湖泊、水庫的上游集水區(qū)大面積林，包括原始森林、次生森林的天然林以及人工林，屬于防護(hù)林種之一。它是一種具有特殊功能的水土防護(hù)林，在水源涵養(yǎng)、改善水質(zhì)、調(diào)節(jié)氣候等方面都起著重要的作用。

1 森林對(duì)水量的影響

1.1流域試驗(yàn)的研究19世紀(jì)末20世紀(jì)初開始了對(duì)森林水文學(xué)實(shí)際觀測(cè)和分析的研究[1]。1900年瑞士學(xué)者在Emmental流域開展的森林流域與牧草流域的水文狀況的對(duì)比研究被認(rèn)作是流域研究的開端[2]。1948年美國(guó)學(xué)者Kittredge首次提出了森林水文學(xué)這個(gè)概念，將森林水文學(xué)定義為是一門專門研究森林植被對(duì)有關(guān)水文狀況影響的科學(xué)[3]。

第一次嚴(yán)格意義上的流域?qū)Ρ葘?shí)驗(yàn)于1909 年在美國(guó)Wagon Wheel Gap 開展[4]。20世紀(jì)初，在開展的流域?qū)Ρ仍囼?yàn)的基礎(chǔ)上，國(guó)外的水文工作者對(duì)有林地和無林地的水源涵養(yǎng)作用進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并細(xì)致地觀測(cè)了各種森林類型的森林水文現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)其水流量比植被貧乏或無植被覆蓋的要高[5]。到了20世紀(jì)50年代，有關(guān)的流域研究約有150項(xiàng)，1965年美國(guó)關(guān)于流域的研究到達(dá)頂峰。對(duì)山地流域徑流研究較多的是日本，全國(guó)有319個(gè)流域徑流的詳細(xì)資料，按夏季徑流比率的多少和分配情況，將全國(guó)劃分為兩大類型和10個(gè)徑流地帶，并對(duì)各地帶的森林水文過程進(jìn)行了研究。

1920年初，美籍學(xué)者羅德民和我國(guó)學(xué)者李德毅先生在山東、山西等地首次展開了森林水文研究，就不同森林的水土保持效應(yīng)和植被對(duì)雨季徑流的影響進(jìn)行了細(xì)致的分析。1960年中期開始研究森林植被覆蓋率與流域徑流量的關(guān)系，研究表明森林覆蓋率的減少會(huì)增加流域徑流量。1980年后期，我國(guó)學(xué)者把森林水文作用分為3個(gè)領(lǐng)域，即：森林對(duì)水質(zhì)的影響、森林對(duì)水文循環(huán)的影響以及森林對(duì)水文循環(huán)機(jī)制的影響，并且建立了相關(guān)的參數(shù)模型[6]。2000年初伴隨著遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用，馬明國(guó)等人采用遙感-地面觀測(cè)的方法對(duì)黑河的森林水文過程進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明由于存在的環(huán)境異質(zhì)性，森林的水文作用在具有不同特征條件的水文生態(tài)區(qū)有很大差別[7]。目前對(duì)森林水文效應(yīng)的研究多為局部化，對(duì)于大范圍的其他流域，必須要加強(qiáng)對(duì)水文過程動(dòng)力學(xué)運(yùn)行機(jī)制的研究。

1.2森林水文過程研究森林水文過程是指在森林生態(tài)系統(tǒng)中水分受森林的影響而表現(xiàn)出來的水分的分配和運(yùn)動(dòng)的過程，包括降雨、降雨截持、干流、蒸散、地表徑流等，是森林水文學(xué)研究中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

1.2.1林冠截留。林冠層是森林水文效應(yīng)的第一個(gè)作用層。樹冠截留和截持雨的蒸發(fā)在森林生態(tài)系統(tǒng)的水文循環(huán)中具有重要的地位，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)中的整個(gè)循環(huán)過程及水分平衡有直接的影響。

1971年Rutter[8]研究了林冠截留的特性，發(fā)現(xiàn)其與林外降雨量呈線性相關(guān)的關(guān)系。1979年 Gash推導(dǎo)出截留的計(jì)算式。目前較為完善的林冠截留模型是Rutter和Gash解析模型，這2種模型相對(duì)來說更適合于模擬密閉林分林冠截留[4，9]。Valente[10]將這2種模型進(jìn)行了參數(shù)修正，模擬了在稀疏林分下降雨的截留過程。Schofield對(duì)桉樹展開的截留損失方面的研究表明：截留損失占總降雨的9%～16%。

我國(guó)各類森林生態(tài)系統(tǒng)的林冠截留量平均值在134.0～626.7 mm之間[11]，林冠截留率的平均值為19.85%±7.16%。多年的數(shù)據(jù)采集和調(diào)查研究表明，截留損失旱季大于雨季，截留量與落葉呈負(fù)相關(guān)，與覆蓋率呈正相關(guān)，但是不同的森林類型由于不同的林冠結(jié)構(gòu)，兩者的相關(guān)關(guān)系也有所差異。研究指出國(guó)外溫帶闊葉林冠層截留系數(shù)在11%～36%、針葉林在9%～48%[12]。國(guó)內(nèi)南北不同氣候帶森林植被冠層截留系數(shù)在11.4%～34.3%[11]，而川西臥龍亞高山暗針葉林冠層截留系數(shù)在33%～72%[13]。植被種類不同、密度不同，其林冠截留也不同[14]。

對(duì)于林冠截留的定量研究，國(guó)內(nèi)大部分學(xué)者采取對(duì)林外和林內(nèi)降雨量實(shí)地測(cè)量，應(yīng)用水量的平衡方程來計(jì)算，方程式為P=P＇+I+G，式中P：林外大氣降水量(mm)；P＇：林內(nèi)穿透降水量(mm)；I：林冠截雨量(mm)；G：干流量(mm)。若將干流量定為林冠穿透雨量，則上式可簡(jiǎn)化為P=P＇+I，式中P：林外大氣降水量(mm)；P＇：林內(nèi)穿透降水量(mm)；I：林冠截留雨量(mm)[15]。

1.2.2枯枝落葉層截留。枯落物層是維持森林的植被養(yǎng)分、涵養(yǎng)水源、改良土壤理化性質(zhì)的重要物質(zhì)。對(duì)森林水文效應(yīng)、林地土壤的水熱通氣狀況、林地生物種群的數(shù)量和類型等起著重要的作用。

國(guó)外學(xué)者巴烏爾在一個(gè)多世紀(jì)以前就開始對(duì)枯落物持水量問題進(jìn)行了研究。由于掌握的資料有限，影響了水文狀況方面的調(diào)查，由于枯落物多樣性和厚度有差異，未能得出確定性的結(jié)論。桑茨基在測(cè)定枯落物的持水能力的方法上作了有意義的改進(jìn)。20世紀(jì)60代初，莫爾察諾夫在桑茨基測(cè)定方法的基礎(chǔ)上，又作了進(jìn)一步的完善，得出結(jié)論：枯落物和苔蘚的干度與厚度與吸收的大氣降水呈正相關(guān)，禾本科植物和苔蘚比枯落物的截留能力要低很多[16]。80年代末，國(guó)外學(xué)者更多關(guān)注于枯枝落葉層的吸水水分的蒸發(fā)方面。Schaap和Berg等[17]人釆用Lysimeter測(cè)定了枯枝落葉層的水分蒸發(fā)，然后用Penman-Monteith方程模擬了枯枝落葉層的水分蒸發(fā)速率和枯落物表面到1 m高大氣溫度的差異，取得了較好的結(jié)果。

我國(guó)的研究結(jié)果顯示，枯枝落葉吸持水量可達(dá)到自身干重的2～4倍，各種森林枯落物的最大持水率平均值是309.54%。粗木質(zhì)殘?bào)w(CWD)腐朽級(jí)的級(jí)別越高，自然相對(duì)含水量就越高，并且越容易吸水達(dá)到飽和[18]，森林的枯枝落葉層因?yàn)檩^大的截持能力使穿透雨對(duì)補(bǔ)給的土壤水分和供應(yīng)的植物水分產(chǎn)生影響[19]。目前一般采用傳統(tǒng)的室內(nèi)泡水法來研究枯落物的最大持水量相關(guān)的持水性能，但是不能客觀地反映某一特定吋間的某一特定降雨事件下枯落物層持水能力的大小。

1.2.3林地土壤水分入滲及貯水。林地土壤的水分入滲及貯水是森林水源涵養(yǎng)功能的一個(gè)重要指標(biāo)，它對(duì)森林流域徑流的形成機(jī)制的意義重大。

國(guó)外學(xué)者對(duì)土壤水分的保持和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量研究，提出了很多的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，用來描述土壤的含水量與水吸力或基質(zhì)勢(shì)的關(guān)系。Dunne對(duì)肥沃的森林土壤的穩(wěn)定入滲率進(jìn)行了調(diào)查研究，結(jié)果顯示高達(dá)8.0 cm/h。土壤層水文作用的發(fā)生和滲透量的多少都與土壤水分的飽和度與補(bǔ)給狀況有直接關(guān)系，森林土壤類型和枯落物類型對(duì)土壤的滲透性能起著決定性的作用，森林類型變化對(duì)其土壤的滲透性能影響也是森林水文特征的重要體現(xiàn)。

我國(guó)研究表明，森林土壤能蓄水641～678 t/hm2[20]。對(duì)于熱帶和亞熱帶的森林來講，林地土壤的孔隙度發(fā)育較好且蓄水能力強(qiáng)的是闊葉林，其非毛管蓄水量大部分在100 mm以上；對(duì)于寒溫帶、溫帶山地針葉林和溫帶山地落葉闊葉林來講，其非毛管孔隙蓄水量較低，多在100 mm以下。近年來，眾多學(xué)者以總結(jié)歸納我國(guó)森林土壤層的水文特征和研究方法為基礎(chǔ)，針對(duì)我國(guó)的特定區(qū)域提出了一些關(guān)于持水的模型，如Brooks-Corey模型[21]、Gardner模型[22]以及Van Genuchten模型[23]等，用來對(duì)森林土壤的水分特征進(jìn)行研究。

1.2.4林地蒸發(fā)散。林地蒸發(fā)散對(duì)森林植物的一些基本生態(tài)特征和對(duì)水分消耗影響的一系列外部因素都能作出比較客觀的反映，并能輔助分析不同森林類型的水源涵養(yǎng)功能。

20世紀(jì)60年代我國(guó)開始對(duì)林地的蒸發(fā)散進(jìn)行研究，一些學(xué)者在甘肅的子午嶺運(yùn)用能量平衡的方法對(duì)山楊進(jìn)行了蒸發(fā)散的測(cè)定。20世紀(jì)80年代后，對(duì)森林蒸發(fā)散的研究慢慢成了熱門，在方法上也呈現(xiàn)出多樣化。常用的方法有Paulson-Badgley 、EBBR法和空氣動(dòng)力學(xué)法[24]。到了90年代，學(xué)者們將目光投放到林木蒸騰量和土壤水分的蒸發(fā)測(cè)定分離研究上。近年來，隨著遙感技術(shù)的普及，國(guó)內(nèi)學(xué)者將該技術(shù)應(yīng)用到對(duì)蒸發(fā)散方面的研究，建立了遙感模型。趙梅芳用3-PG模型估算了杉木人工林的蒸發(fā)散[25]。占車生等[26]建立了一種地表溫度與氣溫相關(guān)性的模型，并將SEBS-China模型加以改進(jìn)，對(duì)臺(tái)灣地區(qū)的蒸發(fā)散進(jìn)行了測(cè)定。由于對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)蒸發(fā)散的影響因素眾多，且時(shí)間的變異性和空間的差異性很大，用小尺度的田間實(shí)驗(yàn)來評(píng)估大尺度會(huì)對(duì)其準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

2 森林對(duì)徑流泥沙的影響

在森林對(duì)土壤侵蝕影響的研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)水源涵養(yǎng)林對(duì)徑流泥沙量的控制是水源涵養(yǎng)林效益評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo)。在研究中得出基本一致的結(jié)論：森林對(duì)產(chǎn)沙具有較強(qiáng)的抑制作用，能有效地減緩?fù)寥狼治g，并能減少河流懸移質(zhì)的含量。

1950年初，美國(guó)學(xué)者Loughlin對(duì)韋斯特蘭的北部森林流域中暴雨對(duì)泥沙量的影響進(jìn)行了研究，認(rèn)為森林采伐能促進(jìn)泥沙量：即在采伐流域中約有575 m3泥沙(約占泥沙總量95%)流出了采伐流域；對(duì)于沒有破壞的流域，僅有總泥沙量5%(約28.5 m3)流出流域[27]。1980年中期，我國(guó)學(xué)者許靜儀[28]研究表明：森林能削減年侵蝕深度的94.7%，降水量分別達(dá)到32.3 mm和121.6 mm時(shí)，攔沙作用也就僅下降3.2%。20世紀(jì)90年代魏秉玉等人通過實(shí)驗(yàn)證明了森林小流域與泥沙流失基本沒有關(guān)系。2000年初，馬雪華[29]的研究表明，采伐岷江上游森林使河流的年平均含沙量提高了1～3倍。刺槐油松混交林地中土壤侵蝕約減少96%，在天然降雨情況下，荒坡的產(chǎn)沙量分別是刺槐林地和油松林地的4.1～12.4倍和19.2～44.8倍[2]。

3 森林對(duì)水質(zhì)的影響

從1960年中期開始進(jìn)行森林對(duì)水質(zhì)影響的研究，最初目的是調(diào)查關(guān)于土壤穩(wěn)定性的問題[30]。美國(guó)、英國(guó)、前蘇聯(lián)、芬蘭、加拿大等國(guó)都建立了森林生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)的定位研究站，對(duì)森林和水質(zhì)的關(guān)系進(jìn)行了長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)研究。20世紀(jì)70年代初，Parker[31]對(duì)世界各地降水進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)化學(xué)元素濃度的排列順序是：S>Na>Cl>N>Ca>K>P。日本學(xué)者對(duì)降雨進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：K、Na、Ca、Mg、P等元素含量在林內(nèi)降雨和樹干徑流中均有所增加，Na在地表徑流中的含量增加顯著，NH4+-N、NO3+-N在地表徑流中的含量大量減少。80年代開始，酸雨成為影響水質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)的主要問題，歐洲中部的酸雨污染特別嚴(yán)重，酸雨使土壤酸化嚴(yán)重且破壞了森林。對(duì)美國(guó)東部進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)降雨的年平均pH值在4.0～4.5，酸度超過自然界線約50倍[32]。近年來，歐美等一些國(guó)家通過定點(diǎn)定位觀測(cè)并用對(duì)比試驗(yàn)等方法，對(duì)森林經(jīng)營(yíng)方式對(duì)流域水質(zhì)的影響進(jìn)行了大量的研究，揭示了森林在鹽堿化和富營(yíng)養(yǎng)化形成過程中良好的防治效益。

1950年初我國(guó)開始關(guān)注森林對(duì)水質(zhì)的影響，魯如坤等[33]收集了浙江地區(qū)的雨水樣品，分析表明N、S元素可以隨降雨進(jìn)入土壤，并被葉片直接吸收。20世紀(jì)60年代到90年代對(duì)于森林對(duì)林內(nèi)雨的化學(xué)性質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)：降水經(jīng)過林冠后，樹干徑流和穿透雨中的Na、K、Ca、Mg、P、NH4+-N等元素的含量均部分增加，樹干徑流增加較顯著，地表徑流中的Na含量有較大的增加[34]。研究表明，大氣降水中有85種以上有機(jī)化合物，多是環(huán)境污染物，污染物經(jīng)過林冠層、地表和土壤層后，不僅種類減少，而且數(shù)量大為降低，可使有害物質(zhì)的濃度低于1 μg/L[35]。對(duì)于森林對(duì)降雨攔截的影響，臺(tái)灣學(xué)者Cheng等對(duì)LHC、PLC、Fu-Shan這3個(gè)水域試驗(yàn)基地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。從LHC試驗(yàn)基地早期攔截的研究表明：對(duì)于大規(guī)模暴風(fēng)雨的攔截?fù)p失基本上達(dá)5%～20%。主要依賴于降雨的強(qiáng)度、持續(xù)的時(shí)間、總量和林冠的特性，截留也隨著暴風(fēng)雨的規(guī)模程度減少而減少。

4 結(jié)語

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在人類發(fā)展中起著極其重要的作用。森林水文生態(tài)效應(yīng)是森林生態(tài)的重要功能之一，同時(shí)也是水源涵養(yǎng)林的機(jī)理所在[36-37]。該文通過對(duì)水源涵養(yǎng)林在涵養(yǎng)水源、調(diào)控洪枯流量、改善流域水質(zhì)等方面的現(xiàn)有資料進(jìn)行分析，綜合分析比較了國(guó)內(nèi)外不同森林類型的水文研究的結(jié)果，目的在于找到相關(guān)的科學(xué)規(guī)律，為環(huán)境的保護(hù)和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

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