森林是水庫(kù)

2022年是習(xí)近平總書(shū)記連續(xù)參加首都義務(wù)植樹(shù)活動(dòng)的第十年，也是《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于科學(xué)綠化的指導(dǎo)意見(jiàn)》正式頒布實(shí)施一周年。森林是水庫(kù)、錢(qián)庫(kù)、糧庫(kù)和碳庫(kù)，這是總書(shū)記對(duì)森林具有多重效益的重要論述，更是對(duì)森林發(fā)揮改善民生福祉作用的充分肯定。

森林被稱(chēng)為“綠色水庫(kù)”。它既沒(méi)有攔水堤壩，也沒(méi)有水閘開(kāi)關(guān)，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)水的涵養(yǎng)時(shí)空調(diào)節(jié)，其內(nèi)在的科學(xué)道理和規(guī)律一直是我們森林生態(tài)學(xué)研究的重要科學(xué)問(wèn)題之一。

森林分層截留大氣降水

中國(guó)民間有一句俗語(yǔ)：“山上栽滿樹(shù)，等于修水庫(kù)?！薄扒嗌匠Ｔ冢G水長(zhǎng)流”，說(shuō)的其實(shí)就是森林的涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)功能。森林中茂密的林冠層、松軟的枯枝落葉層以及地下發(fā)達(dá)的植物根系和深厚松軟的土壤層，使其具有強(qiáng)大的持水性和滲透性，下雨時(shí)能截持、吸收、貯存，無(wú)雨季節(jié)又能緩緩滲出，可以削弱和阻滯洪水，補(bǔ)給旱季的徑流，維持河水長(zhǎng)流不息。同時(shí)，經(jīng)過(guò)森林的凈化，河水也會(huì)更加純凈。

在一定程度上，森林截留、阻擋和吸收降水，分地上和地下兩部分。地上的林冠層，形成第一次截留；林下灌木、草本植物層為第二次截留，林地枯枝落葉層和土壤等形成第三次截留，這種層層截留，有效地緩沖了降水對(duì)土壤表層的直接沖擊，減少了地表水土流失。

大氣降水被林冠層重新分配成3個(gè)不同的部分，即穿透水、莖流水和截留水。從林冠層上或從林冠空隙降落到林地上，是穿透水；經(jīng)過(guò)樹(shù)冠沿著樹(shù)干到達(dá)林地，是莖流水；還有一部分以水珠的形態(tài)被保持在植物體表面，形成截留水，截留水很少達(dá)到地面，大多被物理蒸發(fā)返回大氣中。林冠層的降水到達(dá)林地，被林下活地被物吸收。有研究表明，亞熱帶地區(qū)主要森林活地被物最大吸附水量為每公頃0.29-5.04噸，相當(dāng)于0.03-0.5毫米的降水深度，平均為0.2毫米。赤松天然壯齡林、落葉松人工壯齡林的下層草被表面的最大吸附水量，推算值為0.04-0.05毫米，雜草冠部覆蓋面積的吸附水量為0.15-0.56毫米。

當(dāng)大氣降水通過(guò)林冠層和林下活地被物層以后，便到達(dá)枯枝落葉層。枯枝落葉層是森林生態(tài)系統(tǒng)特有的一個(gè)層次，具有重要的水文生態(tài)功能。僅從吸持降水的角度來(lái)說(shuō)，枯枝落葉層就像一張“地被”覆蓋在林地表面，能有效地防止雨滴對(duì)土壤的沖刷。同時(shí)，枯枝落葉層又像一層“海綿”，有雨時(shí)吸水，無(wú)雨時(shí)又逐漸地散發(fā)水分，調(diào)節(jié)著地表土壤水分，避免土壤水分過(guò)干或過(guò)濕。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每平方公里的森林可貯存5—10噸水。下雨天，茂密森林的樹(shù)冠能截留15%-40%的降水量。降雨強(qiáng)度越小，被樹(shù)冠截流的雨量也越多。其他的雨水經(jīng)由樹(shù)木流到林地上，除5%-10%從林地表面蒸發(fā)外，有50%-80%的雨水進(jìn)入森林后被林地上的植被和松軟的枯枝落葉層及腐殖質(zhì)層吸收。據(jù)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，森林枯枝落葉層每年所能涵養(yǎng)的最大水量為186.5-223毫米（杉木林）和314.5-377.4毫米（混交林）。可見(jiàn)森林枯枝落葉層的蓄水作用非常明顯。

森林涵養(yǎng)水源離不開(kāi)土壤

大氣降水在經(jīng)過(guò)林冠層、林下活地被物及枯枝落葉層的再分配后，部分降水最終滲入到森林土壤層中。土壤的滲透性主要受非毛管孔隙發(fā)育狀況的影響，孔隙多、團(tuán)粒結(jié)構(gòu)好的土壤，滲透性較強(qiáng)。而森林可以改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，提高降水在土壤中的蓄存和滲透性。

研究發(fā)現(xiàn)，森林調(diào)節(jié)水的作用受林冠層截持—— 林內(nèi)灌草層截持—— 林地枯枝落葉層和苔蘚層攔蓄—— 森林土壤層涵蓄所構(gòu)成的一個(gè)綜合復(fù)雜過(guò)程影響，而90%以上取決于森林長(zhǎng)期演替所形成和發(fā)育良好的復(fù)雜土壤結(jié)構(gòu)。這是我們研究團(tuán)隊(duì)在岷江上游基于20多年的野外科學(xué)觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析得出的最新研究結(jié)果。

岷江上游地處青藏高原東南緣，是成都平原乃至長(zhǎng)江上游的重要水源地和生態(tài)屏障。為了弄清楚長(zhǎng)江上游生態(tài)安全屏障帶構(gòu)建的重大科技問(wèn)題，闡釋森林對(duì)水源涵養(yǎng)的調(diào)控機(jī)制，團(tuán)隊(duì)梳理總結(jié)了長(zhǎng)期積累的觀測(cè)數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，岷江冷杉是岷江上游亞高山森林的主要建群樹(shù)種，其樹(shù)體生物量大、葉面積指數(shù)高、蒸騰作用小等特性使得岷江冷杉林對(duì)水的涵蓄效果突出，尤其是岷江冷杉原始林對(duì)水源涵養(yǎng)作用最為顯著，主要原因在于岷江冷杉原始林長(zhǎng)期自然演替形成了發(fā)達(dá)的海綿狀苔蘚層和枯枝落葉層以及具有非毛管孔隙度大、滲透性強(qiáng)的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，有利于水分的蓄存和滲透。

數(shù)據(jù)顯示，岷江冷杉原始林苔蘚層和枯枝落葉層的蓄水量每公頃分別高達(dá)126.36噸和223.85噸，分別是人工云杉林、次生闊葉林和灌叢的3.41 （2.59）、8.26 （29.82）、5.55 （4.60）倍。這在一定程度上證實(shí)了黃秉維院士在《確切地估計(jì)森林的作用》一文中提出的森林會(huì)降低土壤表面徑流這一觀點(diǎn)。但徑流減少的水并不是完全用于森林自身的蒸騰，而是通過(guò)森林土壤蓄存起來(lái)了，然后以土壤中潛流的形式緩慢地輸送到河流中。

據(jù)測(cè)算，每公頃林地比無(wú)林地最少能多蓄水300立方米，1萬(wàn)公頃林地所含水量相當(dāng)于一座300萬(wàn)立方米的水庫(kù)，每公頃林地的泥沙流失量?jī)H為50千克，而無(wú)林地則高達(dá)2200千克。在降雨量相同的條件下，采伐跡地小溝洪峰量大于未采伐森林小溝的2-3倍，匯流時(shí)間縮短10小時(shí)，而其枯水量卻比森林小溝小50%以上。由此可見(jiàn)，森林具有顯著的涵養(yǎng)水源的作用。

森林涵養(yǎng)水源受樹(shù)種影響

不是所有的樹(shù)都是涵養(yǎng)水源的“能手”。研究表明，森林冠層平均截留率變化為10%-40%，例如，7年生的油松林截留的雨量為降雨量的30.1%，5年生的刺槐林為27.5%，10年生的柞樹(shù)林為36.1%。另外，林地上的枯枝落葉的吸水量一般可達(dá)自身重量的40-260%，其中油松為40%、刺槐為120%、柞樹(shù)為180%。

我們?cè)卺航嫌蔚牟煞ホE地上研究發(fā)現(xiàn)，云冷杉原始林采伐之后灌木懸鉤子和先鋒樹(shù)種紅樺迅速“占領(lǐng)”跡地的生態(tài)位，形成大片單一低效的林分。這些灌木種類(lèi)和紅樺繁殖和生長(zhǎng)極快，樹(shù)齡又短，它們占據(jù)的地方，幾無(wú)其他樹(shù)種的生存空間，特別是抑制了地帶性亞高山森林的目的樹(shù)種云冷杉幼苗的天然更新。這種林分葉面蒸騰量大，土壤滲透性和持水能力低，待山雨一來(lái)，它們“束手無(wú)策”。

當(dāng)年大面積采伐中“幸存”下來(lái)的一部分天然岷江冷杉個(gè)體，被稱(chēng)為“保留木”，與樹(shù)下枯落物、灌草、苔蘚、微生物組成遺留群落，成為當(dāng)今廣袤低效紅樺林中的“星火”。保留木群落中的生物，特別是微生物層都攜帶有大量“記憶片段”，這些片段蘊(yùn)藏著其歷史上適應(yīng)一次又一次自然災(zāi)害、與水源保持最平衡關(guān)系的“基因”。

為了揭示這些“記憶片段”的科學(xué)奧秘，我們團(tuán)隊(duì)首次運(yùn)用穩(wěn)定同位素示蹤技術(shù)，揭示了岷江上游典型集水區(qū)的降水、穿透水、樹(shù)干莖流、地被層水、土壤水、壤中流、河水和植物水氫氧穩(wěn)定同位素組成及其各水體之間的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律。首次發(fā)現(xiàn)并證實(shí)岷江冷杉是該區(qū)節(jié)水、調(diào)水和蓄水功能最佳的樹(shù)種，且岷江冷杉原始林比其他不同演替階段的次生林和人工林具有更高的水源涵養(yǎng)功能。

這一研究結(jié)果揭示了岷江上游森林植被水文調(diào)節(jié)功能的形成與演變機(jī)制，澄清了學(xué)術(shù)界關(guān)于長(zhǎng)江上游亞高山地區(qū)林-水關(guān)系的爭(zhēng)議，系統(tǒng)構(gòu)建了岷江上游退化水源涵養(yǎng)林恢復(fù)、人工林結(jié)構(gòu)調(diào)整、干旱河谷植被重建等四大類(lèi)15項(xiàng)配套關(guān)鍵技術(shù)體系，成功解決了岷江上游森林植被恢復(fù)配置模式、特殊生境植被恢復(fù)與水源涵養(yǎng)功能提升的關(guān)鍵技術(shù)難題，為岷江流域乃至整個(gè)長(zhǎng)江上游天然林保護(hù)、退耕還林（草）工程的實(shí)施，以及長(zhǎng)江上游生態(tài)安全屏障的構(gòu)建提供了強(qiáng)有力的科技支撐。

森林可以調(diào)節(jié)徑流、削洪補(bǔ)枯

森林依靠其涵養(yǎng)水源的能力能調(diào)節(jié)徑流、削減洪峰流量。森林在小流域上，可以削減降雨過(guò)程洪峰流量，并推遲洪峰到來(lái)，在枯水期，能增加枯水期流量，推遲枯水期到來(lái)時(shí)間，明顯減少洪枯比。研究表明，小流域森林覆蓋率每增加2%時(shí)，約可削減洪峰1%，當(dāng)森林覆蓋率達(dá)到最大值100%時(shí)，可削減洪峰40%-50%。

有研究結(jié)果顯示，亞熱帶25個(gè)林分的森林土壤的平均初滲率為每分鐘14.41毫米，平均穩(wěn)滲率為每分鐘9.20毫米。熱帶山地雨林土壤表現(xiàn)出很強(qiáng)的土壤水分滲透性，當(dāng)每次降水量為10-30毫米，進(jìn)入林地70厘米厚土層的降水量幾乎全部為土壤吸持；當(dāng)每次降水量為50-100毫米，70厘米深的土壤層有36.5%-56.3%的降水入滲；當(dāng)每次降水量在102-132毫米，70厘米土壤深處的滲透水量的雨水加權(quán)平均為54.6毫米。這就是說(shuō)，在大雨、暴雨時(shí)，土壤的水文調(diào)節(jié)性能是以滯留貯存水分體現(xiàn)，這種特性延長(zhǎng)了水分滲透到下層的時(shí)間，并在延續(xù)一段時(shí)間后再緩慢地補(bǔ)充河川流量，起到調(diào)蓄徑流的作用、緩解洪峰徑流。

天然林保護(hù)工程實(shí)施20多年以來(lái)，岷江上游地區(qū)的森林覆蓋率由1997年的38%上升到2017年的43%；森林水源涵養(yǎng)能力預(yù)期可以由21.88億噸提升至26.52億噸；衡量旱澇災(zāi)害發(fā)生的重要指標(biāo)洪枯比在岷江雜谷腦流域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由1982年的11.5下降到2006年的7.1，紫坪鋪的洪枯比由1983年的10.3下降到了2016年的4.95。這足以說(shuō)明長(zhǎng)江上游天然林保護(hù)工程的實(shí)施為岷江上游的水源生態(tài)安全作出了巨大貢獻(xiàn)，發(fā)揮了巨大的森林水源涵養(yǎng)和消洪濟(jì)枯的作用。

森林涵養(yǎng)水源的生態(tài)系統(tǒng)觀

當(dāng)前，山水林田湖草沙是一個(gè)生命共同體的理念已經(jīng)深入人心，但其真正的科學(xué)內(nèi)涵卻并不清晰，導(dǎo)致貫徹這一思想理念的過(guò)程并不精準(zhǔn)，在實(shí)踐應(yīng)用中也不完全到位。在科學(xué)揭示山水林田湖草沙一體化的生態(tài)系統(tǒng)理念中，我們團(tuán)隊(duì)還有了意外發(fā)現(xiàn)。

受海拔、地勢(shì)、光熱等因素影響，岷江上游的植被覆蓋類(lèi)型自上而下多呈現(xiàn)出高山草甸、亞高山暗針葉林、中山常綠闊葉林并種植用材林及林下經(jīng)濟(jì)作物、平原發(fā)展農(nóng)田經(jīng)濟(jì)的區(qū)域自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)復(fù)合系統(tǒng)。研究顯示，海拔3800米以上的高山草甸對(duì)降水具有低蒸散、高滲透的作用，但草甸土壤下滲形成的徑流水順勢(shì)流入亞高山暗針葉林，給森林土壤提供了水源補(bǔ)給。更重要的是，亞高山暗針葉林蒸發(fā)散的90%又以雨霧水的形式回降到了高山草甸，滋潤(rùn)了草甸植被的穩(wěn)定生長(zhǎng)。水分在亞高山森林和高山草甸之間形成連續(xù)內(nèi)循環(huán)，從亞高山森林中緩緩流出的水形成徑流，為林下經(jīng)濟(jì)、平原農(nóng)田灌溉、畜禽養(yǎng)殖提供源源不斷的水源供給，為人類(lèi)清潔飲水和從事各類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)提供了保障。

森林改變了降水的分配形式。有了森林，森林就會(huì)對(duì)降水起到充分的蓄積和重新分配作用，將其大部分變?yōu)橛行谠袇^(qū)域內(nèi)循環(huán)。森林蒸散出來(lái)的水分進(jìn)入大氣中可以增加空氣濕度，還可以在流域內(nèi)或流域外一定距離又以降水的形式回落地面去滋補(bǔ)農(nóng)田。這一現(xiàn)象也很好詮釋了山水林田湖草沙是一個(gè)生命共同體的生態(tài)文明理念，更為人類(lèi)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)自然、研究自然提供了現(xiàn)實(shí)案例。

山高水更高，只有山高林密，才有流水潺潺。人類(lèi)要像珍惜水一樣珍惜森林，努力使萬(wàn)千森林廣布江河中上游的千溝萬(wàn)壑，讓森林更好地護(hù)衛(wèi)江河的安瀾。