水源涵养林水文生态效应研究进展

熊 婕,辛 颖,赵雨森

(东北林业大学，黑龙江哈尔滨，150040)

近年来，森林恶意破坏引起了许多生态问题，例如水土流失严重、水资源污染、生物多样性下降、土地荒漠化扩大、洪涝灾害发生频繁等。水源涵养林又叫水源林，主要指河川、湖泊、水库的上游集水区大面积林，包括原始森林、次生森林的天然林以及人工林，属于防护林种之一。它是一种具有特殊功能的水土防护林，在水源涵养、改善水质、调节气候等方面都起着重要的作用。

1 森林对水量的影响

1.1流域试验的研究19世纪末20世纪初开始了对森林水文学实际观测和分析的研究[1]。1900年瑞士学者在Emmental流域开展的森林流域与牧草流域的水文状况的对比研究被认作是流域研究的开端[2]。1948年美国学者Kittredge首次提出了森林水文学这个概念，将森林水文学定义为是一门专门研究森林植被对有关水文状况影响的科学[3]。

第一次严格意义上的流域对比实验于1909 年在美国Wagon Wheel Gap 开展[4]。20世纪初，在开展的流域对比试验的基础上，国外的水文工作者对有林地和无林地的水源涵养作用进行了评价，并细致地观测了各种森林类型的森林水文现象，发现其水流量比植被贫乏或无植被覆盖的要高[5]。到了20世纪50年代，有关的流域研究约有150项，1965年美国关于流域的研究到达顶峰。对山地流域径流研究较多的是日本，全国有319个流域径流的详细资料，按夏季径流比率的多少和分配情况，将全国划分为两大类型和10个径流地带，并对各地带的森林水文过程进行了研究。

1920年初，美籍学者罗德民和我国学者李德毅先生在山东、山西等地首次展开了森林水文研究，就不同森林的水土保持效应和植被对雨季径流的影响进行了细致的分析。1960年中期开始研究森林植被覆盖率与流域径流量的关系，研究表明森林覆盖率的减少会增加流域径流量。1980年后期，我国学者把森林水文作用分为3个领域，即：森林对水质的影响、森林对水文循环的影响以及森林对水文循环机制的影响，并且建立了相关的参数模型[6]。2000年初伴随着遥感技术的广泛应用，马明国等人采用遥感-地面观测的方法对黑河的森林水文过程进行了试验，结果表明由于存在的环境异质性，森林的水文作用在具有不同特征条件的水文生态区有很大差别[7]。目前对森林水文效应的研究多为局部化，对于大范围的其他流域，必须要加强对水文过程动力学运行机制的研究。

1.2森林水文过程研究森林水文过程是指在森林生态系统中水分受森林的影响而表现出来的水分的分配和运动的过程，包括降雨、降雨截持、干流、蒸散、地表径流等，是森林水文学研究中的一个重要环节。

1.2.1林冠截留。林冠层是森林水文效应的第一个作用层。树冠截留和截持雨的蒸发在森林生态系统的水文循环中具有重要的地位，对森林生态系统中的整个循环过程及水分平衡有直接的影响。

1971年Rutter[8]研究了林冠截留的特性，发现其与林外降雨量呈线性相关的关系。1979年 Gash推导出截留的计算式。目前较为完善的林冠截留模型是Rutter和Gash解析模型，这2种模型相对来说更适合于模拟密闭林分林冠截留[4，9]。Valente[10]将这2种模型进行了参数修正，模拟了在稀疏林分下降雨的截留过程。Schofield对桉树展开的截留损失方面的研究表明：截留损失占总降雨的9%～16%。

我国各类森林生态系统的林冠截留量平均值在134.0～626.7 mm之间[11]，林冠截留率的平均值为19.85%±7.16%。多年的数据采集和调查研究表明，截留损失旱季大于雨季，截留量与落叶呈负相关，与覆盖率呈正相关，但是不同的森林类型由于不同的林冠结构，两者的相关关系也有所差异。研究指出国外温带阔叶林冠层截留系数在11%～36%、针叶林在9%～48%[12]。国内南北不同气候带森林植被冠层截留系数在11.4%～34.3%[11]，而川西卧龙亚高山暗针叶林冠层截留系数在33%～72%[13]。植被种类不同、密度不同，其林冠截留也不同[14]。

对于林冠截留的定量研究，国内大部分学者采取对林外和林内降雨量实地测量，应用水量的平衡方程来计算，方程式为P=P＇+I+G，式中P：林外大气降水量(mm)；P＇：林内穿透降水量(mm)；I：林冠截雨量(mm)；G：干流量(mm)。若将干流量定为林冠穿透雨量，则上式可简化为P=P＇+I，式中P：林外大气降水量(mm)；P＇：林内穿透降水量(mm)；I：林冠截留雨量(mm)[15]。

1.2.2枯枝落叶层截留。枯落物层是维持森林的植被养分、涵养水源、改良土壤理化性质的重要物质。对森林水文效应、林地土壤的水热通气状况、林地生物种群的数量和类型等起着重要的作用。

国外学者巴乌尔在一个多世纪以前就开始对枯落物持水量问题进行了研究。由于掌握的资料有限，影响了水文状况方面的调查，由于枯落物多样性和厚度有差异，未能得出确定性的结论。桑茨基在测定枯落物的持水能力的方法上作了有意义的改进。20世纪60代初，莫尔察诺夫在桑茨基测定方法的基础上，又作了进一步的完善，得出结论：枯落物和苔藓的干度与厚度与吸收的大气降水呈正相关，禾本科植物和苔藓比枯落物的截留能力要低很多[16]。80年代末，国外学者更多关注于枯枝落叶层的吸水水分的蒸发方面。Schaap和Berg等[17]人釆用Lysimeter测定了枯枝落叶层的水分蒸发，然后用Penman-Monteith方程模拟了枯枝落叶层的水分蒸发速率和枯落物表面到1 m高大气温度的差异，取得了较好的结果。

我国的研究结果显示，枯枝落叶吸持水量可达到自身干重的2～4倍，各种森林枯落物的最大持水率平均值是309.54%。粗木质残体(CWD)腐朽级的级别越高，自然相对含水量就越高，并且越容易吸水达到饱和[18]，森林的枯枝落叶层因为较大的截持能力使穿透雨对补给的土壤水分和供应的植物水分产生影响[19]。目前一般采用传统的室内泡水法来研究枯落物的最大持水量相关的持水性能，但是不能客观地反映某一特定吋间的某一特定降雨事件下枯落物层持水能力的大小。

1.2.3林地土壤水分入渗及贮水。林地土壤的水分入渗及贮水是森林水源涵养功能的一个重要指标，它对森林流域径流的形成机制的意义重大。

国外学者对土壤水分的保持和运动进行定量研究，提出了很多的经验模型，用来描述土壤的含水量与水吸力或基质势的关系。Dunne对肥沃的森林土壤的稳定入渗率进行了调查研究，结果显示高达8.0 cm/h。土壤层水文作用的发生和渗透量的多少都与土壤水分的饱和度与补给状况有直接关系，森林土壤类型和枯落物类型对土壤的渗透性能起着决定性的作用，森林类型变化对其土壤的渗透性能影响也是森林水文特征的重要体现。

我国研究表明，森林土壤能蓄水641～678 t/hm2[20]。对于热带和亚热带的森林来讲，林地土壤的孔隙度发育较好且蓄水能力强的是阔叶林，其非毛管蓄水量大部分在100 mm以上；对于寒温带、温带山地针叶林和温带山地落叶阔叶林来讲，其非毛管孔隙蓄水量较低，多在100 mm以下。近年来，众多学者以总结归纳我国森林土壤层的水文特征和研究方法为基础，针对我国的特定区域提出了一些关于持水的模型，如Brooks-Corey模型[21]、Gardner模型[22]以及Van Genuchten模型[23]等，用来对森林土壤的水分特征进行研究。

1.2.4林地蒸发散。林地蒸发散对森林植物的一些基本生态特征和对水分消耗影响的一系列外部因素都能作出比较客观的反映，并能辅助分析不同森林类型的水源涵养功能。

20世纪60年代我国开始对林地的蒸发散进行研究，一些学者在甘肃的子午岭运用能量平衡的方法对山杨进行了蒸发散的测定。20世纪80年代后，对森林蒸发散的研究慢慢成了热门，在方法上也呈现出多样化。常用的方法有Paulson-Badgley 、EBBR法和空气动力学法[24]。到了90年代，学者们将目光投放到林木蒸腾量和土壤水分的蒸发测定分离研究上。近年来，随着遥感技术的普及，国内学者将该技术应用到对蒸发散方面的研究，建立了遥感模型。赵梅芳用3-PG模型估算了杉木人工林的蒸发散[25]。占车生等[26]建立了一种地表温度与气温相关性的模型，并将SEBS-China模型加以改进，对台湾地区的蒸发散进行了测定。由于对森林生态系统蒸发散的影响因素众多，且时间的变异性和空间的差异性很大，用小尺度的田间实验来评估大尺度会对其准确性产生影响。

2 森林对径流泥沙的影响

在森林对土壤侵蚀影响的研究中，国内外学者发现水源涵养林对径流泥沙量的控制是水源涵养林效益评价的一个重要指标。在研究中得出基本一致的结论：森林对产沙具有较强的抑制作用，能有效地减缓土壤侵蚀，并能减少河流悬移质的含量。

1950年初，美国学者Loughlin对韦斯特兰的北部森林流域中暴雨对泥沙量的影响进行了研究，认为森林采伐能促进泥沙量：即在采伐流域中约有575 m3泥沙(约占泥沙总量95%)流出了采伐流域；对于没有破坏的流域，仅有总泥沙量5%(约28.5 m3)流出流域[27]。1980年中期，我国学者许静仪[28]研究表明：森林能削减年侵蚀深度的94.7%，降水量分别达到32.3 mm和121.6 mm时，拦沙作用也就仅下降3.2%。20世纪90年代魏秉玉等人通过实验证明了森林小流域与泥沙流失基本没有关系。2000年初，马雪华[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蚀约减少96%，在天然降雨情况下，荒坡的产沙量分别是刺槐林地和油松林地的4.1～12.4倍和19.2～44.8倍[2]。

3 森林对水质的影响

从1960年中期开始进行森林对水质影响的研究，最初目的是调查关于土壤稳定性的问题[30]。美国、英国、前苏联、芬兰、加拿大等国都建立了森林生态系统相关的定位研究站，对森林和水质的关系进行了长期的监测研究。20世纪70年代初，Parker[31]对世界各地降水进行系统研究，发现化学元素浓度的排列顺序是：S>Na>Cl>N>Ca>K>P。日本学者对降雨进行研究发现：K、Na、Ca、Mg、P等元素含量在林内降雨和树干径流中均有所增加，Na在地表径流中的含量增加显著，NH4+-N、NO3+-N在地表径流中的含量大量减少。80年代开始，酸雨成为影响水质和生态系统的主要问题，欧洲中部的酸雨污染特别严重，酸雨使土壤酸化严重且破坏了森林。对美国东部进行实地监测，发现降雨的年平均pH值在4.0～4.5，酸度超过自然界线约50倍[32]。近年来，欧美等一些国家通过定点定位观测并用对比试验等方法，对森林经营方式对流域水质的影响进行了大量的研究，揭示了森林在盐碱化和富营养化形成过程中良好的防治效益。

1950年初我国开始关注森林对水质的影响，鲁如坤等[33]收集了浙江地区的雨水样品，分析表明N、S元素可以随降雨进入土壤，并被叶片直接吸收。20世纪60年代到90年代对于森林对林内雨的化学性质的影响发现：降水经过林冠后，树干径流和穿透雨中的Na、K、Ca、Mg、P、NH4+-N等元素的含量均部分增加，树干径流增加较显著，地表径流中的Na含量有较大的增加[34]。研究表明，大气降水中有85种以上有机化合物，多是环境污染物，污染物经过林冠层、地表和土壤层后，不仅种类减少，而且数量大为降低，可使有害物质的浓度低于1 μg/L[35]。对于森林对降雨拦截的影响，台湾学者Cheng等对LHC、PLC、Fu-Shan这3个水域试验基地进行数据采集。从LHC试验基地早期拦截的研究表明：对于大规模暴风雨的拦截损失基本上达5%～20%。主要依赖于降雨的强度、持续的时间、总量和林冠的特性，截留也随着暴风雨的规模程度减少而减少。

4 结语

森林作为陆地生态系统的主体，在人类发展中起着极其重要的作用。森林水文生态效应是森林生态的重要功能之一，同时也是水源涵养林的机理所在[36-37]。该文通过对水源涵养林在涵养水源、调控洪枯流量、改善流域水质等方面的现有资料进行分析，综合分析比较了国内外不同森林类型的水文研究的结果，目的在于找到相关的科学规律，为环境的保护和建设提供科学依据。

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