水源涵养林水文生态效应研究

孔维健　周本智　徐升华　蔡晓郡　李　兵

摘要水源涵养林是具有特殊意义的防护林种，从水源涵养林流域试验（系统）研究、水文生态作用过程研究、水源涵养林对径流泥沙和水质的影响等方面介绍了水源涵养林水文生态效应的研究概况，论述了水源涵养林在涵养水源、减少径流泥沙、净化水质等方面具有的重要作用。

关键词水源涵养林；水文生态效应；径流泥沙；水质

中图分类号S727.21 文献标识码A文章编号 1007-5739（2009）06-0235-02

水源涵养林是具有特殊意义的水土防护林种，具有多种功能和不同的效益，它不但有森林普遍具有的生态效益、经济效益和社会效益，而且更重要的是它还具有涵养保护水源、调洪削峰、防止土壤侵蚀、净化水质和调节气候等生态服务功能[1]。

1水源涵养林的流域试验（系统）研究

森林水文学作为一门科学进行实际观测和分析研究始于19世纪末20世纪初，主要集中在森林变化（主要是森林砍伐而不是造林）对流域产水量的影响。1900年开始于瑞士Emmental山区2个小流域的对比试验是研究森林变化对流域产水量影响的开端，也是现代试验森林水文学开端的标志。美国始于1909年的Wagon Wheel Gap的试验研究是严格意义上的对比流域试验，从此以后，通过流域试验评价植被清除或植被类型变化对流域产水量影响的研究日渐增多。对比流域试验研究在美国于1965年左右达到了顶峰。从各国的研究结果来看，普遍认为流域产水量随着森林覆盖率的减少而增加，造林及提高森林覆盖率可以减少流域产水量。但是由于存在环境异质性，也有得出相反结论的，这就使得采用流域研究、系统研究的方法所得到的实验结果无法可靠地推广到其他领域，迫使人们从20世纪60~70年代起更加注重森林水文过程物理机制的研究[2]。

2水源涵养林水文生态作用过程的研究

水源涵养林水文生态作用是一个十分复杂的物理过程。就其本身来说，涵养水源的功能并不强大，但是由于它对降水的再分配作用十分明显，同时水源涵养林使林内的降水量、降水强度和降水时间发生改变，从而影响了流域的水文过程，使其在水土保持、调节洪峰、净化水质、水源涵养等方面发挥重要作用。

2.1林冠截留

降落到森林中的雨滴，由于受到林冠层的截留作用，发生了到达地面过程的第1次水量分配，将大气降水分配为穿透雨量、树干茎流和林冠截留三部分。由于林冠的截留作用，减轻了雨水对地表面的直接冲击，对林地土壤层有一定的间接保护作用，也减缓了地表径流的形成，同时加强了森林中的水分循环。林冠对降水再分配过程是森林生态系统重要水文生态功能之一，具有重要的水文生态意义。

不同森林生态系统的林冠截留功能存在较大的波动性，林冠截留量的大小受到风速、降雨特点、树种、林龄、郁闭度、林冠蒸发能力等多种因素的影响。我国主要森林生态系统的林冠截留量平均为134.0~626.7mm，变动系数为14.27%~40.53%，截留率平均为11.40%~34.30%，变动系数为6.86%~55.05%[3]。由于其具有时空异质性，国内外的学者根据影响林冠截留的各种因子与林冠截留量的数量关系推导出降水截留的经验理论模型，其中以Rutter模型和Gash解析模型较为完善并得到广泛应用[4]。

2.2森林枯枝落叶层截持水

降水通过林冠后，到达枯枝落叶层，进行到达地面过程的第2次水量分配。森林枯枝落叶层具有较大的水分截持能力，而且提高了土壤抗冲性，减缓了水在土壤坡面上的流动速度，阻滞地表径流，减小径流泥沙量，增加了水向土壤中入渗的机会，提高了土壤渗透性，从而影响到降雨对土壤水分的补充和植物的水分供应，还能够减少林地水分蒸发。因此，枯枝落叶层在森林生态系统水文调节、涵养水源和保持水土方面具有十分重要的意义。

森林的枯枝落叶层对降水的蓄留量与森林流域产流机制密切相关，并受枯落物组成、林分类型、林龄、凋落物分解程度和积累量、前期水分状况、降雨特点等的影响。我国主要森林类型的凋落物生物量为3.5~26.8t/hm²，其变异系数为18%~68%，其中冷温型或温型的山地落叶松森林最大，热带山地雨林最小。而针阔混交林凋落物的持水能力要高于阔叶林或针叶林。我国的研究结果表明：枯枝落叶吸持水量可达自身干重的2~4倍，各种森林的枯枝落叶层的最大持水率平均为309.54%。

2.3林地土壤水分入渗及贮水

降水通过林冠、枯枝落叶层的截留，到达林地土壤表层，开始进行第3次再分配。土壤是森林生态系统水分的主要蓄库，土壤的降雨贮存能力与土壤的非毛管孔隙关系更为密切，它是森林保持水资源的关键。森林植被明显影响林地土壤的孔隙度，尤其是增加了非毛管孔隙度，从而使森林土壤具有较大的入渗率、入渗量和渗蓄能力，加大了森林生态系统的调蓄能力。

国内目前一般使用林地土壤非毛管孔隙饱和含水量来计算林地贮水。对各种森林生态系统土壤层（0~60cm）的蓄水量的研究表明，非毛管孔隙蓄水量的变动范围为36.42~142.17mm，平均为89.57mm，变动系数为31.06；最大蓄水量相应为286.32~486.60 mm。我国热带和亚热带地区的森林生态系统，特别是阔叶林生态系统，森林土壤的孔隙发育好，非毛管孔隙度为12%~26%，土壤蓄水量为100~150 mm，林地的蓄水能力较大；温带和寒温带森林土壤非毛管孔隙度低于12%，土壤蓄水量为36~90 mm，蓄水能力相对较小[5]。

2.4林地蒸发散

蒸发散是一个生态学、水文学和气象学的重要过程，是林木、林下植被和地面这一整体向大气输送的水汽总通量，即森林全部蒸发和蒸腾。它能比较客观地反映森林植物的基本生态特征和一系列的外部因素对水分消耗的影响，通过对蒸发散的估算有助于分析不同森林类型的水源涵养功能，同时也能分析计算林木需水量及土壤水分亏缺，是森林水文平衡研究中一项重要因子，是森林水文循环中的主要课题。

林地蒸散量受森林年龄、气候和降雨量等各种因子的影响，是生物和环境相互作用的综合结果。森林蒸散量会随着降雨量增加而微弱增加，而相对蒸散率降低，通常相对蒸散率在40%~90%之间变化[6]。但是有研究认为，蒸散量与大于600mm的降水量不相关，与小于600mm的降雨量相关，而且潮湿流域的年蒸散量相对恒定[7]。当前，大多数研究结果表明，包括截留损失在内的森林生态系统的蒸发散量大约占降雨量输入的40%~80%。

3水源涵养林对径流泥沙的影响

国内外在森林对土壤侵蚀影响的水源涵养林效益评价的一个重要指标就是水源涵养林对径流泥沙量的控制。通过林冠和枯落物层的拦截和消能作用，可以减少地表径流量及径流速度，减弱雨水对土表的直接冲击和侵蚀，使林地表层土壤不会迅速流失。同时森林土壤良好的水分渗透性能及林木根系强大的固土作用，可有效地控制土壤侵蚀的发生和发展[8]。林木根系在土中交织，盘根错节，深入岩缝，能够防止土坡滑落的形成，起到固土防崩、阻挡块体运动的作用，减少滑坡、泥石流和山洪的发生，从而起到水土保持的作用。结构良好的森林植被可以减少水土流失量90%以上。

4水源涵养林对水质的影响

森林对水质和水环境影响方面的研究开始于20世纪60年代中期。早期的研究工作主要集中于土地利用方式对水文状况的影响，之后开始着手进行植被与水量、水质和地表径流关系的研究，并在许多小流域进行诸如过度采伐对水质的影响等一系列对比试验，这对其后的森林水质研究产生了十分重要的影响。

在水源保护区，造成水体污染的因素主要是非点源污染，即在降水径流的淋洗和冲刷下，泥沙和泥沙所携带的有害物质随径流迁移到水库、湖泊或江河，导致水质浑浊恶化。水源涵养林能有效地防止水资源的物理、化学和生物的污染，减少进入水体的泥沙。降水通过林冠沿树干流下时，林冠下的枯枝落叶层就像过滤器，对水中的污染物进行过滤、净化，所以最后由河溪流出的水的化学成分发生了变化[3]。

5结语与展望

水源涵养林在涵养水源、减少径流泥沙含量、有效改善流域水质等方面具有重要作用，关于水源涵养林的水文生态研究主要是以水文学方法为主，对其效益的评价主要是涵养水源、减少径流泥沙含量和改良水质三方面。但由于存在环境异质性，水源涵养林的水文生态效应在不同的水文生态区作用也不同，今后需要加强对森林水文过程动力学机制的研究，以便能够将一个流域的研究结果可靠地外推到其他流域。

6参考文献

[1] 辛颖，赵雨森.水源涵养林水文生态效应研究进展[J].防护林科技，2004，59（2）：56-62.

[2] MOISEER B N.Streamflow and forest coverage in watershed in nor-thwest USSR and along Upper Volga River[J].Forestry（RV），1984（5）：4-8.

[3] 马雪华.森林与水质[M].北京：测绘出版社，1989.

[4] 刘世荣，温远光，王兵，等.中国森林生态系统水文生态功能规律[M].北京：中国林业出版社，1996.

[5] 张劲松，孟平，尹昌君.植物蒸散耗水量计算方法综述[J].世界林业研究，2001，14（2）：23-28.

[6] FLERCHINGER G N，COOLEY K R. A ten-year water balance of a mountainous semi-arid watershed[J]. Journal of Hydrology，2001（237）：86-99.

[7] LEWIS D，SINGEL M J，DAHLGREN R A，et al. Hydrology in a Cal-ifornia oak woodland watershed： a 17-year study[J]. Journal ofHydrology，2000（240）：106-117.

[8] 袁建平，蒋定生，甘淑.不同治理度下小流域正态整体模型试验——林草措施对小流域径流泥沙的影响[J].自然资源学报，2000，15（1）：91-96.