水源涵養林水文生態效應研究

孔維健　周本智　徐升華　蔡曉郡　李　兵

摘要水源涵養林是具有特殊意義的防護林種，從水源涵養林流域試驗（系統）研究、水文生態作用過程研究、水源涵養林對徑流泥沙和水質的影響等方面介紹了水源涵養林水文生態效應的研究概況，論述了水源涵養林在涵養水源、減少徑流泥沙、凈化水質等方面具有的重要作用。

關鍵詞水源涵養林；水文生態效應；徑流泥沙；水質

中圖分類號S727.21 文獻標識碼A文章編號 1007-5739（2009）06-0235-02

水源涵養林是具有特殊意義的水土防護林種，具有多種功能和不同的效益，它不但有森林普遍具有的生態效益、經濟效益和社會效益，而且更重要的是它還具有涵養保護水源、調洪削峰、防止土壤侵蝕、凈化水質和調節氣候等生態服務功能[1]。

1水源涵養林的流域試驗（系統）研究

森林水文學作為一門科學進行實際觀測和分析研究始于19世紀末20世紀初，主要集中在森林變化（主要是森林砍伐而不是造林）對流域產水量的影響。1900年開始于瑞士Emmental山區2個小流域的對比試驗是研究森林變化對流域產水量影響的開端，也是現代試驗森林水文學開端的標志。美國始于1909年的Wagon Wheel Gap的試驗研究是嚴格意義上的對比流域試驗，從此以后，通過流域試驗評價植被清除或植被類型變化對流域產水量影響的研究日漸增多。對比流域試驗研究在美國于1965年左右達到了頂峰。從各國的研究結果來看，普遍認為流域產水量隨著森林覆蓋率的減少而增加，造林及提高森林覆蓋率可以減少流域產水量。但是由于存在環境異質性，也有得出相反結論的，這就使得采用流域研究、系統研究的方法所得到的實驗結果無法可靠地推廣到其他領域，迫使人們從20世紀60~70年代起更加注重森林水文過程物理機制的研究[2]。

2水源涵養林水文生態作用過程的研究

水源涵養林水文生態作用是一個十分復雜的物理過程。就其本身來說，涵養水源的功能并不強大，但是由于它對降水的再分配作用十分明顯，同時水源涵養林使林內的降水量、降水強度和降水時間發生改變，從而影響了流域的水文過程，使其在水土保持、調節洪峰、凈化水質、水源涵養等方面發揮重要作用。

2.1林冠截留

降落到森林中的雨滴，由于受到林冠層的截留作用，發生了到達地面過程的第1次水量分配，將大氣降水分配為穿透雨量、樹干莖流和林冠截留三部分。由于林冠的截留作用，減輕了雨水對地表面的直接沖擊，對林地土壤層有一定的間接保護作用，也減緩了地表徑流的形成，同時加強了森林中的水分循環。林冠對降水再分配過程是森林生態系統重要水文生態功能之一，具有重要的水文生態意義。

不同森林生態系統的林冠截留功能存在較大的波動性，林冠截留量的大小受到風速、降雨特點、樹種、林齡、郁閉度、林冠蒸發能力等多種因素的影響。我國主要森林生態系統的林冠截留量平均為134.0~626.7mm，變動系數為14.27%~40.53%，截留率平均為11.40%~34.30%，變動系數為6.86%~55.05%[3]。由于其具有時空異質性，國內外的學者根據影響林冠截留的各種因子與林冠截留量的數量關系推導出降水截留的經驗理論模型，其中以Rutter模型和Gash解析模型較為完善并得到廣泛應用[4]。

2.2森林枯枝落葉層截持水

降水通過林冠后，到達枯枝落葉層，進行到達地面過程的第2次水量分配。森林枯枝落葉層具有較大的水分截持能力，而且提高了土壤抗沖性，減緩了水在土壤坡面上的流動速度，阻滯地表徑流，減小徑流泥沙量，增加了水向土壤中入滲的機會，提高了土壤滲透性，從而影響到降雨對土壤水分的補充和植物的水分供應，還能夠減少林地水分蒸發。因此，枯枝落葉層在森林生態系統水文調節、涵養水源和保持水土方面具有十分重要的意義。

森林的枯枝落葉層對降水的蓄留量與森林流域產流機制密切相關，并受枯落物組成、林分類型、林齡、凋落物分解程度和積累量、前期水分狀況、降雨特點等的影響。我國主要森林類型的凋落物生物量為3.5~26.8t/hm²，其變異系數為18%~68%，其中冷溫型或溫型的山地落葉松森林最大，熱帶山地雨林最小。而針闊混交林凋落物的持水能力要高于闊葉林或針葉林。我國的研究結果表明：枯枝落葉吸持水量可達自身干重的2~4倍，各種森林的枯枝落葉層的最大持水率平均為309.54%。

2.3林地土壤水分入滲及貯水

降水通過林冠、枯枝落葉層的截留，到達林地土壤表層，開始進行第3次再分配。土壤是森林生態系統水分的主要蓄庫，土壤的降雨貯存能力與土壤的非毛管孔隙關系更為密切，它是森林保持水資源的關鍵。森林植被明顯影響林地土壤的孔隙度，尤其是增加了非毛管孔隙度，從而使森林土壤具有較大的入滲率、入滲量和滲蓄能力，加大了森林生態系統的調蓄能力。

國內目前一般使用林地土壤非毛管孔隙飽和含水量來計算林地貯水。對各種森林生態系統土壤層（0~60cm）的蓄水量的研究表明，非毛管孔隙蓄水量的變動范圍為36.42~142.17mm，平均為89.57mm，變動系數為31.06；最大蓄水量相應為286.32~486.60 mm。我國熱帶和亞熱帶地區的森林生態系統，特別是闊葉林生態系統，森林土壤的孔隙發育好，非毛管孔隙度為12%~26%，土壤蓄水量為100~150 mm，林地的蓄水能力較大；溫帶和寒溫帶森林土壤非毛管孔隙度低于12%，土壤蓄水量為36~90 mm，蓄水能力相對較小[5]。

2.4林地蒸發散

蒸發散是一個生態學、水文學和氣象學的重要過程，是林木、林下植被和地面這一整體向大氣輸送的水汽總通量，即森林全部蒸發和蒸騰。它能比較客觀地反映森林植物的基本生態特征和一系列的外部因素對水分消耗的影響，通過對蒸發散的估算有助于分析不同森林類型的水源涵養功能，同時也能分析計算林木需水量及土壤水分虧缺，是森林水文平衡研究中一項重要因子，是森林水文循環中的主要課題。

林地蒸散量受森林年齡、氣候和降雨量等各種因子的影響，是生物和環境相互作用的綜合結果。森林蒸散量會隨著降雨量增加而微弱增加，而相對蒸散率降低，通常相對蒸散率在40%~90%之間變化[6]。但是有研究認為，蒸散量與大于600mm的降水量不相關，與小于600mm的降雨量相關，而且潮濕流域的年蒸散量相對恒定[7]。當前，大多數研究結果表明，包括截留損失在內的森林生態系統的蒸發散量大約占降雨量輸入的40%~80%。

3水源涵養林對徑流泥沙的影響

國內外在森林對土壤侵蝕影響的水源涵養林效益評價的一個重要指標就是水源涵養林對徑流泥沙量的控制。通過林冠和枯落物層的攔截和消能作用，可以減少地表徑流量及徑流速度，減弱雨水對土表的直接沖擊和侵蝕，使林地表層土壤不會迅速流失。同時森林土壤良好的水分滲透性能及林木根系強大的固土作用，可有效地控制土壤侵蝕的發生和發展[8]。林木根系在土中交織，盤根錯節，深入巖縫，能夠防止土坡滑落的形成，起到固土防崩、阻擋塊體運動的作用，減少滑坡、泥石流和山洪的發生，從而起到水土保持的作用。結構良好的森林植被可以減少水土流失量90%以上。

4水源涵養林對水質的影響

森林對水質和水環境影響方面的研究開始于20世紀60年代中期。早期的研究工作主要集中于土地利用方式對水文狀況的影響，之后開始著手進行植被與水量、水質和地表徑流關系的研究，并在許多小流域進行諸如過度采伐對水質的影響等一系列對比試驗，這對其后的森林水質研究產生了十分重要的影響。

在水源保護區，造成水體污染的因素主要是非點源污染，即在降水徑流的淋洗和沖刷下，泥沙和泥沙所攜帶的有害物質隨徑流遷移到水庫、湖泊或江河，導致水質渾濁惡化。水源涵養林能有效地防止水資源的物理、化學和生物的污染，減少進入水體的泥沙。降水通過林冠沿樹干流下時，林冠下的枯枝落葉層就像過濾器，對水中的污染物進行過濾、凈化，所以最后由河溪流出的水的化學成分發生了變化[3]。

5結語與展望

水源涵養林在涵養水源、減少徑流泥沙含量、有效改善流域水質等方面具有重要作用，關于水源涵養林的水文生態研究主要是以水文學方法為主，對其效益的評價主要是涵養水源、減少徑流泥沙含量和改良水質三方面。但由于存在環境異質性，水源涵養林的水文生態效應在不同的水文生態區作用也不同，今后需要加強對森林水文過程動力學機制的研究，以便能夠將一個流域的研究結果可靠地外推到其他流域。

6參考文獻

[1] 辛穎，趙雨森.水源涵養林水文生態效應研究進展[J].防護林科技，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] 馬雪華.森林與水質[M].北京：測繪出版社，1989.

[4] 劉世榮，溫遠光，王兵，等.中國森林生態系統水文生態功能規律[M].北京：中國林業出版社，1996.

[5] 張勁松，孟平，尹昌君.植物蒸散耗水量計算方法綜述[J].世界林業研究，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，蔣定生，甘淑.不同治理度下小流域正態整體模型試驗——林草措施對小流域徑流泥沙的影響[J].自然資源學報，2000，15（1）：91-96.