淺析森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能

黃 蓉 吳永華 趙 峰

（蘭州市園林科學研究所， 蘭州 730070）

近年來，在全球經(jīng)濟飛速發(fā)展和人口數(shù)量急劇增加的背景下，人類對水資源的需求量不斷增加，傳統(tǒng)的生產(chǎn)、生活方式對水資源不合理的開發(fā)和利用以及日趨嚴重的水污染問題等使得優(yōu)質(zhì)、可利用水資源大幅減少，導致全球范圍內(nèi)水資源供需矛盾日益尖銳，水資源緊缺成為引人關注的全球性問題[1]。森林生態(tài)系統(tǒng)是生物圈生態(tài)系統(tǒng)中分布最廣、結(jié)構(gòu)最復雜、類型最豐富的陸地生態(tài)系統(tǒng)，具有一系列水文作用，如涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)和緩洪作用以及改善水質(zhì)等，被稱為是清潔水源的發(fā)祥地[2]。 當今世界面臨諸如洪澇災害、水土流失和土地荒漠化等一系列與森林嚴重破壞密切相關的生態(tài)環(huán)境問題，其根本原因就是破壞了森林的水源涵養(yǎng)功能[3]。 森林的水源涵養(yǎng)功能是森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能的重要組成部分，主要體現(xiàn)在森林喬木層、灌草層、枯落物層和土壤層對降水再分配過程中，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[4-5]。 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[6]。 目前，對森林水源涵養(yǎng)功能研究主要集中在植被與水源涵養(yǎng)功能的關系[7]、森林土壤與水源涵養(yǎng)功能的關系[8]、水源涵養(yǎng)功能的計算及評估方法[9-10]、水源涵養(yǎng)的服務功能[11-12]等方面。

本文主要從森林水源涵養(yǎng)功能的作用機理、水源涵養(yǎng)量的估算方法及其價值的估算與評價等方面，分析目前國內(nèi)對森林水源涵養(yǎng)功能研究的一些現(xiàn)狀，提出當前森林水源涵養(yǎng)功能研究亟需解決的關鍵科學問題及未來可能的發(fā)展方向，對森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的進一步研究具有重要意義，以期為今后相關方面的研究提供一定的借鑒和指導。

1 水源涵養(yǎng)功能的作用機理

水源涵養(yǎng)是森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)多個水文過程及其水文效應的綜合表現(xiàn)，其實質(zhì)是森林植被減少和緩和了地表徑流，增加了土壤流和地下徑流，其是森林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能的重要組成部分，主要包括攔蓄降水、調(diào)節(jié)徑流、影響降雨量和凈化水質(zhì)等方面[13]。其 作用機理主要通過林冠層、枯落物層和土壤層攔截和滯蓄降水，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[6]。

1.1 林冠層截留

森林對降水調(diào)節(jié)的作用，首先表現(xiàn)為林冠對降水的截留，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[14]。 是降水在到達地面前進行的第一次分配，截留的部分通過蒸發(fā)返回大氣，小部分的林內(nèi)降雨直接到達地面，另一部分的降水順著樹干流到地面，另外，樹體還吸收很小一部分雨量[15]。樹木冠層對降水的攔截作用，一方面有利于減輕洪水期林地所承受的降雨量[16]；另一方面，可以減弱雨滴的動能，緩和降水對森林地表的直接擊濺和沖刷，從而間接地保護了林地土壤層[17]。林冠層降水截留作用的大小是由林冠層枝葉的生物量、葉面積指數(shù)和持水率、降水特征、天氣狀況所決定[18]。 我國主要森林生態(tài)系統(tǒng)類型的林冠截留率平均值變動在11.40%～36.50% 之間，變動系數(shù)為6.86%～55.05%[11]。

1.2 枯落物層截留

森林生態(tài)系統(tǒng)枯枝落物是指森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)由生物組分產(chǎn)生，然后歸還到林地表面，作為分解的物質(zhì)和能量來源，借以維持生態(tài)系統(tǒng)功能的所有有機物質(zhì)的總稱，包括葉、枝、樹皮、花、果實、種子等[11]?？葜β淙~由于其獨特的結(jié)構(gòu)和水文特性，有截持降水、阻延地表徑流、抑制土壤蒸發(fā)、防止土壤濺蝕及增強土壤抗沖效應，特別是在暴雨出現(xiàn)時，枯枝落葉的涵蓄降水作用更為突出[19]。 其上部是很少腐爛的落葉枯枝，疏松而有彈性；下部是半分解的殘體，有菌絲纏繞，較疏松，透水性強[15]。 其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，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[6，20]。有研究認為，枯枝落葉吸持的水量可達自身干重的2～4 倍，截持的水量約占降水量的8%～10%，各種森林的枯枝落葉層的最大持水率平均為309.54%，其中，中雨時枯枝落葉截持量較大[15，21]。

1.3 土壤層截留

森林土壤是森林涵養(yǎng)水源的主體，土壤層水文狀況的變化將直接對整個區(qū)域的水文過程產(chǎn)生積極的影響[22]。 土壤持水能力是評價森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)能力的重要指標，其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]。作為森林水文作用的第3 活動層土壤層，是天然的大水庫，降雨能沿著土壤空隙下滲，成為土壤貯水和地下徑流，從而表現(xiàn)出林分涵養(yǎng)水源和保持水土的功能[24]。 其截留效應主要受植被類型、土壤含水量、土壤厚度、土壤的孔隙狀況、降水持續(xù)時間、降水強度以及枯落物等因素的影響[25-26]。

2 森林水源涵養(yǎng)量的估算方法

目前，對森林水源涵養(yǎng)功能研究的方法很多，森林水源涵養(yǎng)量無法通過實驗或者其他手段直接驗證，且不同學者對于森林水源涵養(yǎng)價值內(nèi)涵理解不同，采用的估算方法多種多樣。 不同計算方法所代表的水源涵養(yǎng)內(nèi)涵有所不同，相應的計算結(jié)果可能出現(xiàn)較大差異。 本文主要總結(jié)了水源涵養(yǎng)量常用的估算方法，并從估算公式、概念內(nèi)涵及方法的特點進行描述。

表1 森林水源涵養(yǎng)價值估算方法匯總

表1 森林水源涵養(yǎng)價值估算方法匯總

3 水源涵養(yǎng)功能價值的估算及評價

森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能是多個生態(tài)水文過程的綜合表現(xiàn)，通過林冠層水文效應、地表枯落物層的吸水截持、林地土壤水庫的滲透蓄水這三個主要環(huán)節(jié)的共同作用，使得森林對降雨過程進行了有效的攔蓄和調(diào)節(jié)分配，從而發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能。 因此，其水源涵養(yǎng)功能的優(yōu)劣與分布和森林各層次（林冠層、枯落物層和土壤層）的傳輸過程密切相關[1，11]。

對森林水源涵養(yǎng)價值的估算，通過計算森林的水源涵量（根據(jù)表1 所列的公式計算所得），然后根據(jù)影子工程法[34]對水源涵養(yǎng)的價值進行估算。

式中：V 為森林水源涵養(yǎng)價值；W總為森林水源涵養(yǎng)量；Wg為某種替代工程的水容量；Vg為替代水利工程的價值；L 為發(fā)展階段系數(shù)（L≈0.15）[35]。

水庫建設投資測算的每1m3庫容所需投入的成本為0.67 元[36]，公式（1）可以簡化為：

水源涵養(yǎng)功能的評價主要是選擇評價指標。 目前，中國知網(wǎng)的文章中評價森林水源涵養(yǎng)功能的評價指標有46 個，評價指標使用頻度前10 個中直接評價指標包括林冠截留率、枯落物最大持水量、枯落物最大持水率、土壤穩(wěn)滲速率、土壤最大持水量、土壤非毛管持水量；間接評價指標包括枯落物蓄積量、土壤非毛管孔隙度、土壤總孔隙度、土層厚度。 水源涵養(yǎng)功能綜合評價的方法有層次分析法、主成分分析法、坐標綜合分析法、灰色關聯(lián)度分析法、綜合評定法及專家打分法等[1，37]。

4 展望

盡管眾多學者從不同角度對森林水源涵養(yǎng)功能做了研究，但并沒有將森林水源涵養(yǎng)功能的研究成果有效地納入生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估過程中來，導致森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能評價往往缺乏森林水文學的基礎認知[9]。 在今后的研究中需解決的主要問題有：

（1）深入開展多尺度研究，發(fā)展尺度轉(zhuǎn)換方法。

對水源涵養(yǎng)功能及價值的研究，大部分集中在小尺度或短時間上森林的水源涵養(yǎng)量。 在小尺度上的研究結(jié)論往往難以上推至更大尺度。 空間異質(zhì)性是生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的一個結(jié)構(gòu)屬性，它與許多生態(tài)學現(xiàn)象密切相關，對生態(tài)系統(tǒng)的功能和過程有重要影響。植被的空間格局對水源涵養(yǎng)密切相關[38]。時間尺度（一次降水事件、季節(jié)尺度、長時間尺度）和空間尺度（單株尺度、坡面尺度、流域尺度、區(qū)域尺度）上分別通過影響林冠截留、枯落物截留、地形、林源、林齡、土壤類型和質(zhì)地等影響森林水量的調(diào)節(jié)[9，39]。進行多尺度、多角度的研究森林水源涵養(yǎng)功能，明確其在不同區(qū)域尺度上的異質(zhì)性、尺度特征和多尺度關聯(lián)，為區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的保育和區(qū)域生態(tài)安全的可持續(xù)管理提供理論依據(jù)將是未來研究的一個重要方向。

（2）從研究森林蓄水機制向研究林分的耗水特性轉(zhuǎn)變。

目前的研究主要集中在森林如何收集水分，而對森林的耗水機制研究較少。 研究樹種及植被的耗水特性，找到土壤水分特性和林分耗水特性的尺度轉(zhuǎn)換關系，從水分的儲存、運輸、吸收和調(diào)節(jié)等方面深入研究林木耗水規(guī)律， 以及它們受到氣象因子的控制機制等。 結(jié)合林分持水、失水和耗水的系統(tǒng)性研究，有助于全面揭示森林水分狀況，對進一步優(yōu)化森林水源涵養(yǎng)功能結(jié)構(gòu)具有重要的指導意義和學術(shù)價值。

（3）從單一方法向多種方法轉(zhuǎn)變

森林水源涵養(yǎng)是一個復雜的過程，受到眾多自然因素和人為因素的影響。 林冠層的植物類型影響著枯落物層持水能力，枯落物層又影響土壤水分的入滲和徑流的形成。 就一種方法來評價某一區(qū)域或某一森林類型的水源涵養(yǎng)功能，而不同的方法由于其選取的指標、 進行的假設等不同而得出不同的結(jié)論，難以真正說明其水源涵養(yǎng)能力的高低和水源涵養(yǎng)量的多少。 研究某一區(qū)域或某一森林類型的水源涵養(yǎng)功能時應盡可能多的采用多種計算方法， 通過多種方法的比較分析，選擇出適合該區(qū)域的水源涵養(yǎng)量的估算方法。

（4）從靜態(tài)研究向動態(tài)研究的轉(zhuǎn)變。

森林植被在陸地生態(tài)水文循環(huán)過程中不是孤立的、靜態(tài)的水文景觀要素，森林生長、結(jié)構(gòu)和功能的動態(tài)變化直接影響森林截持蓄留降水的整個過程。忽略森林物候、結(jié)構(gòu)及其演替變化的影響，難以真正體現(xiàn)森林植被空間格局及其結(jié)構(gòu)動態(tài)變化對水文過程的影響[40]。 研究應加大對不同林齡、林源、擾動等多因素復合情景下森林的水源涵養(yǎng)功能研究，加快森林水源涵養(yǎng)功能研究由靜態(tài)單一要素向動態(tài)多元要素的轉(zhuǎn)變，深入對森林水源涵養(yǎng)功能的認識。

森林水源涵養(yǎng)具有重要的經(jīng)濟價值和生態(tài)效應，但是除一些專業(yè)人士關注外，很少有人關注，甚至根本無人知曉，因此，提高森林水源涵養(yǎng)的關注度，有利于更好地管理、保護森林生態(tài)系統(tǒng)，使森林生態(tài)系能夠更好地發(fā)揮其功能，為人類提供更優(yōu)質(zhì)的服務。