流域森林植被水文生态效应研究展望.pdf

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1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:

/第3期2008年9月山西水土保持科技SoilandWaterConservationScienceandTechnologyinShanxiNo.3Sep.2008资助项目:

国家自然科学基金（20070605）,山西省自然科学基金（2001090）收稿日期:

2008206206囗综合论述流域森林植被水文生态效应研究展望白晋华郭晋平（山西农业大学林学院景观生态研究所）摘要:

对流域森林植被的水文效应及其与流域水资源关系的研究,多少年来受到各界学者关注,并取得了显著成果。

但森林与水的关系问题十分复杂,二者的关系除受到流域森林植被本身高度异质性的影响外,地形、地质、土壤类型、植被等的空间变异性,气象通量诸如降雨、入渗和蒸发等的时空变化性,以及研究方法和尺度对研究成果也有着限制性影响。

在综述近年来相关方面研究的基础上,就当前森林水文研究中的若干定论与争议做出分析,并对今后的研究做出展望:

进一步完善流域内各类型森林景观要素的水文效应研究,探索水文效应敏感型流域森林植被景观格局及其动态特征指标,深入研究流域河岸带森林植被的水文生态效应,加强森林植被水文效应的区域性对比和跨尺度整合研究。

关键词:

森林植被水文效应流域中图分类号:

S715;X143文献标识码:

A文章编号:

100820120（2008）0320001205森林作为陆地上面积最大、分布最广、组成结构最复杂、物种资源最丰富、适应性最强、稳定性最大、功能最完善的生态系统,在资源、基因、水、碳、养分、能源等储存和调节的同时,对改善生态环境,维护生态平衡方面同样具有不可代替的作用。

但由于人为不合理的开发利用,引起森林植被减少,生态环境恶化和资源消失,保护和恢复各种森林植被已成为人类面临的一项重要任务。

另一方面,全球水资源的分布极不平衡、水资源缺乏及各种污染引起的水质下降,使得解决水资源问题成为人类共同面临的问题。

从流域的尺度上开展森林景观的生态水文研究,越发受到关注。

森林水文效应是生态系统中森林和水相互作用及其功能的综合体现。

流域中的森林植被格局与水资源,一个是陆地生态系统的主体,一个是生态系统物质循环和能量流动的主要载体。

森林植被变化对森林水文过程的影响将会改变水量平衡的各个环节,影响森林的水分状况和河川径流。

森林景观在类型、数量及质量上的转变会使得其在林冠截留、枯枝落叶截留及森林土壤蓄水作用等水文功能上均有不同程度的减弱。

自20世纪50年代以来,世界各国研究工作者从多方面对森林水文作用进行了富有成效的探索,并取得了许多重要研究成果。

但在实际的研究过程中,由于一个流域的水文过程除受降雨影响外,还受地形、地质、土壤类型、植被等的空间变异性以及气象通量诸如降水、入渗和蒸发等的时空变化影响,再加上不同的研究尺度与研究手段,以及在实验点布置及对研究结果的分析主要是采用统计分析法等影响,使得其结果很难分析森林生态水文效应的过程与原由,对森林水文生态效应的结论在许多方面仍存在争论,有时彼此间相互矛盾,甚至得出相悖的研究结果。

因此,森林与水的关系问题仍是当今生态学与水文学研究的中心议题之一。

本文在综述近年来有关森林水文效应研究的基础上,站在流域的尺度上,就当前我国森林水文研究中的若干定论与争议做出总结分析,并对研究内容、手段和方向进行展望,以找出森林水文研究新的突破点。

1流域森林植被生态水文效应研究流域森林植被水文效应的研究主要集中在流域森林植被与降水、径流、洪峰及河流水质等方面。

随着流域生态学的提出,流域森林植被水文生态效应的研究范围在进一步扩展和细化,诸如流域森林植被、河道地貌过程、沉积过程、河岸带动态等。

值得注意的是,流域森林植被及其景观格局与水文生态效应的关系存在着许多争论,也就是说,流域森林植被及其景观格局与流域多种过程的关系还有许多不确定性,许多关系还很模糊。

1.1流域森林植被与降水虽然流域内的降水几乎全部是由那些与流域森林植被存在无关的自然因子引起的,但是流域降水的局部差异再加上森林植被的影响,使小流域水量11994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:

/平衡的问题得到正确的水量估计变得复杂起来,导致了森林对降水影响问题形成长久的争论。

迄今为止,关于森林与降水量的关系仍存在截然相反的观点和结果:

一种观点认为森林对垂直降水无明显影响,另一种观点认为森林可以增加降水量。

唯一公认的就是森林能增加水平降水,但其增加这种降水的功能也是极其有限的。

森林对大气水分长距离输送及大气环流的影响作用有多大,其对垂直降水到底有怎样、多大程度的影响,其影响的程度相对于流域的降水量来说占到多少比例,目前仍缺乏足够的理论和实证依据。

流域内森林植被能否增加降水的问题,在学术界仍将是一个长期争论的问题,甚至被猜测森林植被与降水问题本身就没有惟一的答案。

1.2流域森林植被与径流流域森林植被对流域内径流的影响主要体现在林冠截留与蒸发、地表径流、入渗及流域内动植物的吸收固定等诸环节之中。

首先,林冠截留作为对输入流域水分调节及林内次降水的起点,至今依然是研究的热点。

大气垂直降雨落到森林植被表面,受到林冠截拦,必然引起大气降水的第一次分配。

国内外在这方面积累了大量的研究资料,研究结果则由于研究对象及各地降雨特征等的不同而有所差异,甚至国外与国内的研究结果均有很大差别。

国外一般认为温带针叶林林冠截留率在20%40%之间,而我国主要森林生态系统类型的林冠截留量平均值变动在134.0626.7mm,变动系数为6.68%55.05%。

在此基础上,许多研究人员还根据影响林冠截留的各种因子和林冠截留的数量关系研建了各种林冠截留的理论模型和经验模型,如莱因斯利模型、西里米截留模型、罗天祥的杉木林降雨截留模型、曾思齐的马尾松降雨截留模型、Rutter和Gash解析模型等。

但由于对截留过程本质缺乏统一的认识,研究方法很不一致,建立的模型各有侧重点,导致模型形式上比较复杂,可比性较差。

再加上建立的模型中众多因子的测定容易产生误差,影响模型精度,因而在应用于定量评价森林截留降水作用时受到很大限制。

尤其在越来越受水文界关注的尺度问题、生态水文过程、人类活动及气候变化的水文响应等热点问题方面缺乏有力的解决方案,有待进一步的发展和完善。

其次,森林的蒸发散作为流域内森林水量平衡中最重要的指标,包括林地蒸发、林冠截持水分蒸发和森林植物蒸腾三部分,其大小对流域内的水文效应也有着重要的影响。

从单一角度和尺度上讲,森林蒸发散大于无林区的蒸发散。

不少研究成果也表明,随着降水量的增加,森林绝对蒸发散略显增加趋势,相对蒸发散则呈减少的规律性变化。

如Riekerk采用窝式双箱渗透计所测定树木最大蒸腾量可达11mm/d。

对森林生态系统蒸发散定量测定结果也表明,森林的蒸发量可占到降雨量的40%80%。

但更多的理论研究则认为,森林总蒸发量与无林地自由水面的蒸发量较接近。

所以,有关森林到底是“抽水机”还是“绿色水库”根本不能一概而论,也许在不同的研究尺上或研究出发点上,会有截然相反的结果。

再者,森林枯落物层、根系层和森林土壤作为森林生态系统独特的结构层次,不仅对生态系统物质循环和能量流动具有重要的作用,而且其水文生态效应显著。

国内外学者对其多种生态水文功能也进行了有意义的探索和研究,取得了许多重要成果。

研究结果均表明,凋落物层对减少地表径流、降低径流速度的作用非常明显,水分在地被物层的传输机制类似于林冠截留过程,其截留量与地被物的种类、贮水能力有关,与林地单位面积上的地被物成正比。

而且其水文效应的大小还取决于枯落物自身的湿润程度、干旱程度及降雨特征,尤其是降水时间的长短。

刘世荣等进一步研究表明,在我国各种森林枯落物的最大持水率平均为309.54%,变动系数47.21%,而且各森林类型枯落物的现存量及其持水功能随森林的地理分布也呈现出随纬度和海拔高度的增大而增强的局势。

纵观国内外枯落物对降水的再分配研究,尤其是对其动态过程研究极少,缺少在野外对次降水截留过程的研究。

第三,森林与径流的关系更是森林水文学中的一个热点问题。

由于目前国内外对森林影响区域降水尚未形成肯定的科学结论,因此,森林对流域年径流总量影响的结论都是对特定地区、特定流域而言的。

根据国内外的试验资料分析,在半干旱地区森林覆盖率的增加将导致流域产水量（年径流总量）有所减少,相反,森林植被覆盖率的减少则可以增加流域年径流总量。

由于各国研究的自然地理条件、研究方法、研究区域面积等的不同,关于森林对河川径流量的影响问题,国内外主要有三种不同的观点。

森林覆盖率的减少会不同程度地增加河川年径流量的观点得到大多数研究者的支持,但是也有森林流域年径流量较无林或少林流域大的结论。

而持中间观点的学者认为,森林植被的存在对年径流量基本无影响。

到目前为止,在森林对径流存在很大的影响这一点上达到了一致性认识,但对其影响的量化2山西水土保持科技2008年第3期1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:

/效应是正效应还是负效应,还不能达成共识,即使同一学者所做出的分析,亦因地区与研究尺度不同而有所差异。

至于其定量效应,虽然好多学者在这方面做出了大量的努力,但所持结果仍是难以定夺。

森林对枯水期径流的影响同样是森林与径流关系中的一个焦点问题。

枯水期径流是当进入冬春旱季时,地表径流中断,此时河流的流量是年内的最小流量。

森林对枯水期径流的影响主要是因为森林可以减少地面蒸发,增加水分入渗,减少地表径流,使降水有效地进入土壤层,同时通过林冠截留、枯落物持水和林地土壤的入渗来改变流域内的水分在时空上分布的变异性。

但是,由于森林具有截留降水和蒸发散大的特点,对枯水期径流量产生负面影响,研究得出的结论也仅是森林能补枯,有时也可能减枯的结论。

因此,森林对枯水期径流的影响仍将是一个复杂的需要进一步研究的问题。

综合目前的研究结果,关于森林与径流的关系,即不能以流域大小为转移来定性确定其对径流量的影响是增加还是减少,也不能以覆盖率、采伐强度及研究地区的降雨特征来轻意外推,这一争论仍将是今后长期存在的议题。

1.3流域森林植被与洪峰迄今为止,森林拦蓄洪水的调节作用在定性上是明确的,森林能削减洪峰,延长洪峰,但也会使之叠加进而增大了洪峰量,将导致更大的洪水灾害。

森林蓄水容量与森林类型、特征、土壤层厚度及地质、地貌等条件有关,因此不同自然地理区及不同水文区,森林与洪水的关系仍不能一概而论。

在对森林削减洪水灾害作用的定量分析方面则仍有不同的观点。

我国研究表明,小流域汛期径流与流域森林覆盖率呈正相关。

而前苏联学者用175个流域的观测资料进行了系统分析,研究结果认为洪峰模数与流域森林覆盖率呈线性负相关,在100%森林覆盖率的条件下,森林可以减少洪峰的最大程度为0.4。

英国在威尔士中部开展的PlyLimon流域试验研究结果也仅表明,森林流域的洪峰流量低于牧草流域,在特大暴雨条件下两者没有显著差别。

1.4流域森林植被与河流水质流域森林植被对河流水质的影响主要表现在河川径流的泥沙含量及营养物质含量方面。

从世界各国在森林水文学领域的研究成果来看,一般认为森林植被在涵养水源、减少径流泥沙含量、净化水质等方面的作用是巨大的,且其核心是土壤的表层结构,而不同林冠结构与层次对流经森林地带的水质所起的作用是不同的,且随着地被覆盖层的变化,流域的水文过程是一个动态过程。

国外在定量评价大气污染对流域水文循环、流域景观内河岸带森林结构与高地森林间的营养传输、河岸带农田施肥对河流水中营养物质的变化、河岸带植被类型的改变对河流水质的影响等方面已受到足够重视,并取得了定量化研究成果。

与国外研究相比,我国基于此方面的研究仍主要集中在森林生态系统本身的营养循环上,虽然研究森林对于流域水化学性质的定量化影响还较少,但森林对径流的水质有明显的作用得到大量研究者的支持。

2流域森林水文效应研究方法与尺度2.1流域森林水文研究的方法纵观国内外森林水文研究,所采用的实验设计可概括为控制流域对比法、单独流域对比法、平行流域对比法和多个流域对比法等四种,其中控制流域对比法应用最多;而采用的研究方法可归纳为流域水量平衡法、流域对比分析法、下垫面水文模型、流域系统水文模型及应用遥感技术和地理信息系统对流域的综合研究等五种。

从另一个角度上,又能分为坡地小面积与小区野外原型实验、水文模拟实验、水文特征量统计分析三大类。

但由于水文过程为多维的非线性复杂过程,影响因素很多,存在多个平衡过程的相互作用,因而很有可能产生类似数学上的混沌效应。

再者,分析手段多为统计方法,要统计就要选择合适的统计要素,这些统计要素是否能够代表实际的过程,统计要素是否完全,常造成研究结果与研究目标的差异。

因此,需要对水文过程的机理进行研究,了解区域水文小循环和全球大循环的相互作用,并置于全球变化的背景下。

只有这样,才能动态地把握水分传输过程和能量平衡,才能完全解释研究结果成因。

还有观测的方法,也是影响森林水文效应研究的一个重要问题。

即使是对同一森林水文特征进行分析,所采取的方法仍没有一个标准,再加上自然界下垫面条件极为复杂多变,一个山坡跟另一个山坡的情况就不一样,甚至同一个山坡的不同地方也不一样,布置的实验点其实验方法是否合适,是否存在一些原则上的问题,如山坡径流场的补给水源的场地是否清楚,山坡径流场是否能够完全控制所研究的剖面,这种径流场能够代表哪种下垫面类型的径流过程,观测仪器的布置方法能否控32008年9月白晋华等流域森林植被水文生态效应研究展望1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:

/制所要研究的目标等,也是应该考虑的问题。

2.2流域森林水文研究的尺度任何研究的方法与技术手段均应基于一定的研究尺度。

结构、功能及其动态变化相同的生态系统在不同的空间尺度和时间尺度上有着不同的生态效应。

对于流域生态水文效应也是如此。

纵观国内外近20年来的森林水文研究,从流域试验与单项水文因子的实验研究扩展到点尺度、坡面尺度、流域尺度,乃至景观尺度、区域尺度,但大多数仍是在较单一尺度上开展的,在景观和流域尺度上开展的综合水文研究也仅是在人为控制的单一的生态系统中来进行。

基于具有高度时空异质的流域森林景观,结构复杂,功能多样,加之在组织研究项目时还缺乏相关学科间的紧密协作,特别是在研究尺度和方法上的统筹协调性差,使得开展流域水文研究在方法上很难有一个定性的结论和尺度。

多大面积的集水区或流域就能体现相应类型的水文过程,不同的地质条件与地形对研究尺度的影响又体现在哪里,多大尺度上的研究结论就能外延等问题,仍摆在研究者的面前。

3流域森林植被景观水文生态效应研究展望3.1加强流域内各类型森林景观要素的水文效应研究众多研究已表明,不同类型森林景观的林冠层、枯落物层、根系层对降水的截持、再分配有着重大的差别,再加上各类型森林景观不同的蒸发量,直接影响到流域内森林景观的水文效应。

进一步加强对流域内各类型森林景观的水文效应研究,量化不同类型森林景观随降水的时空动态变化的截留规律、持水率、入渗率、产流量,建立森林蒸发散与降水量、土壤类型、风速、光照、温度等因子间的数学模型,并进行主成分分析与相关分析,探求影响蒸发的核心因子与主要因子,处理好开发模型和理论研究的关系,具有重要意义。

在遥感监测、水文循环模拟和大气模拟的结合点上形成新的观点,利用遥感、DEM来描述参数关系,把相关参数从有资料地区推广到无资料地区,推算流域内不同森林景观要素特征到动态格局对降水和径流的消长和时滞效应,在综合的尺度上搞清森林景观的水文效应,克服小尺度的田间试验结果不能外推的不足,准确测定或计算林地蒸发散的时空变化,是构建合理的流域森林景观格局,正确评价和控制流域内森林景观的水文循环特征的关键环节。

3.2探索流域森林植被景观格局及其动态的水文效应敏感型指标流域森林植被景观作为流域中的主要下垫面,对流域生态水文效应有着决定性的控制作用。

深入研究森林景观的结构特征与格局动态,是开展流域森林水文效应研究的前提与基础。

不同类型森林景观要素的组成结构、斑块形状与大小、斑块数量与时空分布动态格局,将直接影响流域内降水的分配、水分入渗、径流的产生及动态过程。

只有探清流域内森林景观的结构特征与格局动态,借助3S技术,对流域内森林景观的动态过程进行多情境模拟与分析,找出流域内各森林景观要素的阈值,才能在流域尺度上把握森林水文效应的机能与动态过程,探讨二者的耦合效应与动态平衡过程,构建流域生态安全指标,为流域的规划治理奠定理论基础,提供科学依据。

3.3加强流域河岸带森林植被的水文生态效应研究河岸带森林植被对水陆生态系统间的物流、能流、信息流和生物流,具有明显的边缘效应和复杂的功能,能发挥廊道、过滤器和屏障的作用与功能,对增加动植物物种种源,提高生物多样性和生态系统生产力,进行水土污染治理和保护,稳定河岸,调节微气候和美化环境,开放旅游活动等均具有重要的现实和潜在价值。

聚焦全球变化与高强度的人类影响下的陆地水循环机理,在不断开展各种人为干扰梯度和人类活动（采伐、多种土地利用形式、火烧、大气污染、土壤酸化等）对流域内河岸带植被的影响研究,包括河岸带的群落结构、生物多样性、土壤养分结构与动态、高地森林与河岸带森林的关系等基础上,加强河岸带森林植被的水文生态效应研究,探索河岸带森林植被恢复途径与河岸带林地规划设计,也是宏观尺度上开展流域森林植被与流域水文效应耦合的目的所在,同时也是构建流域安全格局的根本之处。

3.4加强森林植被水文效应的区域性对比和跨尺度整合研究由于森林水文的研究具有很强的区域性,加强区域间研究成果的对比,是尺度外推的前提。

与此同时,进行多尺度上的综合分析,使小流域的定位研4山西水土保持科技2008年第3期1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http:

/究与较大范围的区域水文观测站资料分析研究相结合。

水量平衡场、小集水区以及典型流域的试验研究要结合研究地区的气候因素及自然地理、地质性质等对水文过程特征的影响,在多个区域的各种水文现象的模拟与预测的前提下,构建和校核基于物理过程分布式参数的流域水文过程耦合模型和尺度转换模型,开展森林植被水文效应的多情境分析,反映森林影响径流形成的内在机制、生态过程和水文过程的耦合机制,以进行不同自然地理和气候条件下的森林水文的生态分类和流域管理区划,是今后流域森林水文研究的主要方向。

流域森林植被与流域水资源间的关系很复杂,在群落、流域和景观的尺度上探明流域植被景观动态变化过程的前提下,综述当前森林植被与流域水文研究中的争论与热点,收集分析流域历年来的气象与水文资料,在流域及景观综合尺度上,探求出森林植被景观格局动态与流域水文过程的耦合效应,构建流域生态安全格局,为实现流域森林可持续经营管理与流域的可持续发展目标奠定基础是本研究的根本宗旨。

参考文献1BonellM.Progressintheunderstandingofrunoffgen2erationdynamicsinforests.JournalofHydrology,1993,150:

217275.2BonellM.Selectedchallengesinrunoffgenerationre2searchinforestsfromthehillslopetoheadwaterdrainagebasinscaleJ.JAmeriWaterResourceAssoc,1998,34（4）:

765785.3陈军锋,李秀彬.森林植被变化对流域水文影响的争论.自然资源学报,2001,16（5）:

474480.4陈文波,卢建生,肖笃宁.森林景观变化对森林水文功能的影响评估.江西农业大学学报,2004,26（4）:

517521.5冯光杨.明月江的森林水文效应.山地研究.1995,13

（1）:

2226.6高甲荣,肖斌,张东升,等.国外森林水文研究进展述评.水土保持学报,2001,15（5）:

6065.7高人,周广柱.辽宁东部山区5种森林植被类型水文生态效益综合评判.中国生态农业学报,2003

（2）:

122125.8VivilleD.InterceptiononamountainousdecliningsprucestandintheStrengashcatchment.JournalofHydrology,1993,144:

273282.9巩合德,王开运.森林水文生态效应及在川西亚高山针叶林群落中的研究.世界科技研究与发展（专题:

生态系统过程研究）,2003（10）:

4146.10黄奕龙,陈利顶,傅伯杰.黄土丘陵小流域植被生态用水评价.水土保持学报,2005

（2）:

152156.11黄奕龙,傅伯杰,陈利顶.生态水文过程研究进展.生态学报,2003,23（3）:

580587.12刘凤莲,陈植华.流域水文模型发展展望.地质灾害与环境保护,2005,16

（1）:

7174.13刘世荣,孙鹏森,温远光.中国主要森林生态系统水文功能的比较研究.植物生态学报,2003,27

（1）:

1622.14刘贤赵,黄明斌.黄土丘陵沟壑区森林土壤水文行为及其对河川径流的影响.干旱地区农业研究,2003,21

（2）:

7276.15卢琦,李清河.美国森林的水文效应.世界林业研究,2002,15（3）:

5460.16罗雷,何丙辉.森林凋落物的水文生态效应浅议.水土保持科技情报,2005（5）:

1216.17饶良懿,朱金兆,毕华兴.重庆四面山森林枯落物和土壤水文效应.北京林业大学学报,2005,27

（1）:

3337.18石培礼,李文华.森林植被变化对水文过程和径流的影响效应.自然资源学报,2001,16（5）:

481487.19王德连,雷瑞德,韩创举.国内外森林水文研究现状和进展.西北林学院学报,2004,19

（2）:

156160.20王礼宪,张志强.干旱地区森林对流域径流的影响.自然资源学报,2001（5）:

439444.21王涛.21世纪林业生态建设展望.世界林业研究,2002,15（3）:

16.22王玉杰,熊峰,王云琪,等.森林植被对水文通量的影响研究综述.水土保持研究,2005,12（4）:

183187.23殷水清,谢云.黄土高原地区中小流域日降雨空间分布特征.北京师范大学学报（自然科学版）,2005

（1）:

8991.24于澎涛.分布式水文模型在森林水文学中的应用.林业科学研究,2000（4）:

431438.25张志强,余新晓,赵玉涛,等.森林对水文过程影响研究进展.应用生态学报,2003,14

（1）:

113116.26周晓峰,赵惠勋,孙慧珍.正确评价森林水文效应.自然资源学报,2001,16（5）:

420426.27朱金兆,刘建军,朱清科,等.森林凋落物层水文生态功能研究.北京林业大学学报,2002,24（5/6）:

3034.作者简介白晋华（1979-）:

男,博士生,助教;通讯地址:

山西省太谷县,03080152008年9月白晋华等流域森林植被水文生态效应研究展望