基于能量原理分析森林植被對水土保持的影響

韓家永，李芝茹，宋啟亮

(1.黑龍江省鐵力林業局，鐵力152500;2.東北林業大學工程技術學院，哈爾濱150040)

森林是陸地上分布面積最大、組成結構最復雜、生物多樣性最豐富的生態系統，具有多種功能和價值，是陸地生態系統的主體［1］。森林植被作為構建生態環境的主要因子，在調節氣候、涵養水源、防風固沙、防止水土流失、改良土壤等方面具有重要作用。森林植被可以通過根系固著土壤顆粒，然后經土壤微生物作用來改善沙地土壤狀況，減少風蝕，防止水土流失和流沙擴展，改良土壤的養分狀況。早在1971年，美國學者Ellson就通過對森林植被保持水土方面的研究，認識到植被對土壤的保護作用是由于它使降落的雨滴減少或喪失了動能［2］。同樣，1989年國內也有研究顯示有林地可以降低風速40%60%，并有效緩解沙塵和土壤侵蝕［3］。同時森林植被能夠提高蒸發量并減少水的產流量，這與草地和農作物覆蓋下的集水區是相同的。在2000年，澳大利亞學者Robert A Vertessy和南非學者Peter J Dye就森林植被對集水區水量平衡及水土流失的影響方面展開研究［4］，認為受森林覆蓋變化影響的產水量主要隨著年降水量和森林類型而變化，同時在一定程度上受當地小氣候條件的影響，主要是由于林冠的降水截留作用。通過林冠截留降雨外，也影響著森林水文過程［5］。裸地與有植被覆蓋地降雨水文過程對比圖可以看出(如圖1所示):由降雨造成的土壤侵蝕，是降雨與土壤之間的直接作用引起的。降雨直接作用于地表，勢必引起地表擊濺，破壞土壤表層，造成不同程度的擊濺量。被濺起的土壤隨雨水作用形成各種不同類型的侵蝕。而由于植被的介入，使降雨在到達地面前和入滲后都受到了植被的影響，從而緩解降雨和土壤的直接作用，減少擊濺量和沖刷量，從而減輕地表徑流和水土流失。

圖1 裸地與有植被覆蓋地降雨水文過程對比圖Fig.1 Contrast of rainfall hydrological process between exposed land and vegetation land

由此可見森林植被在水土保持方面意義重大，而探明森林植被防風固沙、遏制水土流失的原理可以指導人們科學合理的開發利用森林資源，有針對性的開展水土流失治理工作。在追求森林經濟價值和社會價值的同時順應自然規律，讓森林更好的發揮它的生態作用。因此深入探究森林植被在水土保持方面作用仍然具有現實意義。

1 森林資源的增加對環境的積極影響

1.1 我國森林資源變化趨勢

基于森林是陸地生態系統的主體，林業在我國社會經濟發展中有著舉足輕重的地位，人們對林業的重視程度逐年提高。從建國以來到2008年為止，我國林業部于1962年開始，歷時12年完成了1次徹底的全國森林資源整理統計匯總，并隨后連續7次進行了全國森林資源清查［6－8］。在延續了近30a的全國森林資源清查工作中，隨著使用的儀器設備越來越先進和精確，所考察的項目也越來越豐富，得到的數據也越來越完善。每次全國森林資源清查結果，都不同程度地客觀的反映了當時全國森林資源的現狀，如表1所示。

表1 全國森林資源清查結果匯總表Tab.1 The summary of national forest inventory result

可從表1中觀測到歷年來森林資源消長變化動態為:全國森林面積由12 186萬 hm2增加到19 545.22萬 hm2，森林覆蓋率由 12.7%提高到20.36%，活立木蓄積量和森林蓄積量均不同程度的提高，而且漲幅漸漸增大。值得一提的是，天然林面積緩步增加的同時，隨著政策的推進和國家投入力度的加大，我國人工林面積逐年飆升，先后幾次年平均人工林增加面積居世界首位［8］。

雖然我國森林資源總量位于世界前列，但人均占有量很低。我國森林面積居世界第五位，森林蓄積量列第七位。但我國的森林覆蓋率只相當于世界森林覆蓋率的61.3%，全國人均占有森林面積相當于世界人均占有量的21.3%，人均森林蓄積量只有世界人均蓄積量的12.5%［8］。而且森林質量不高，單位面積蓄積量指標遠遠低于世界林業發達國家水平。林齡結構不合理，可采資源繼續減少，這對后備資源培育構成極大威脅。同時從第4次清查中就體現出林地被改變用途或征占用作非林行業數量巨大，清查期間最高林轉非面積高達1 010.68萬hm2，而且據不完全統計近年來林轉非面積也在持續擴大［9］。因而針對清查中發現的種種問題，國家林業部門也出臺很多的政策，并采取措施及時補救出現的問題，確保森林更好的發揮其生態作用。

1.2 我國水土流失方面問題嚴峻

水土流失，是指在濕潤或半濕潤地區，由于植被嚴重破壞導致的，土壤及其他地表組成物質在水力、風力、凍融、重力和人為活動等作用下，被破壞、剝蝕、轉運和沉積的過程。一般水土流失強度分為:輕度、中度、強度、極強度、劇烈5個等級［10］。我國大部分地區屬于季風氣候，大部分地區屬于濕潤或半濕潤地區，降水量集中，雨季降水量常達年降水量的60%～80%，且多暴雨，具有易于發生水土流失的地質地貌條件和氣候條件，因此水土流失現象在我國十分嚴重。如表2全國不同時期水土流失面積統計表所示，每次數據采集體現的水土流失面積都大的驚人，以1985年采集到的水土流失數據1 794 169.22 km2相當于179個中等足球場的面積，可見水土流失面積之廣。水土流失帶來的后果是土壤的養分 (即土壤中的N、P、K、腐殖質等)隨之流失，使土地變貧瘠、變荒漠化而無法種植農作物，或在干旱地區引發沙塵天氣等。尤其在我國水土流失較為嚴重的河源區，其脆弱的生態環境退化趨勢正在加重，生態問題十分突出。水土流失面積每年平均新增21萬hm2，侵蝕程度日趨嚴重。目前，黃河源區的土壤侵蝕最為嚴重，水土流失面積達750萬hm2，占整個黃河流域水土流失面積的17.5%。每年輸入黃河的泥沙超過數千萬噸，而黃河每年向下游的輸沙量達16億t，如果堆成寬、高各1m的土堆，可以繞地球27圈多。19501999年黃河下游河道淤積泥沙92億t，致使河床普遍抬高2～4 m。據統計，建國以來我國因自然災害造成的損失約25 000多億元，年均災害損失約占年均GDP的3%6%，占財政收入的 33%左右［10］。

而隨著治理力度的加大，對照表1中第36次森林資源清查數據，在森林面積和森林覆蓋率有所提高的同時，我國的水土流失問題也得到了一定的控制，水土流失總面積1995年較1985年明顯減少，而2000年水土流失總面積3 569 212.15 km2較1995年流失總面積3 555 557.24 km2雖略有增長［11］，但漲幅不足0.4%。

表2 全國不同時期水土流失面積統計 km2Tab.2 Statistics of soil erosion area in different time km2

圖2 森林破壞與水土流失循環圖Fig.2 The circle of forest destroy and soil erosion

1.3 森林在遏制水土流失方面的作用體現

由于我國人口多，糧食、民用燃料需求等壓力大，在生產力水平不高的情況下，對土地實行掠奪性開墾，片面強調糧食產量，忽視因地制宜的農林牧綜合發展，把只適合用于林、牧業利用的土地也辟為農田。大量開墾陡坡，以至陡坡越開越貧，越貧越墾，生態系統惡性循環;過度放牧現象、或濫砍濫伐森林，甚至亂挖樹根、草坪，樹木銳減，使地表裸露，這些都加重了水土流失［12］。使我國的生態陷入了圍繞農業、林業和水土流失的惡性循環中，如圖2所示。另外，某些基本建設不符合水土保持要求，不合理修筑公路、建廠、挖煤、采石等，破壞了植被，引起水土流失，邊坡穩定性降低，甚至引發滑坡、塌方、泥石流等更嚴重的地質災害。

可見森林是遏制水土流失的有效屏障，要遏制水土流失，首要任務是加強林業方面的建設，在保護天然林的同時擴大植樹造林力度，提高人工林面積，從而提高森林覆蓋率，防治水土流失。截至2006年底，全國累計完成水土流失初步治理面積92萬km2，其中建設基本農田1 300萬hm2，營造水土保持林460萬hm2，使我國水土流失現象得到了一定程度的控制［13］。而森林植被究竟如何防治水土流失，還需要繼續深入探討。

2 對森林植被保持水土原理的一點看法

2.1 土壤水研究中自由能的引入

水土流失從物理學角度看來，是一定條件下外營力作用于具有自由能的土壤水，從而使土壤及其他地表組成物質被沖蝕、轉運、剝離原土層。在很多關于土壤水的研究中，常常把水作為一個系統，把土壤固相和空氣作為環境來處理，此時土壤、水、環境之間存在能量交換。而根據熱力學第一、第二定律，一個封閉系統在等溫等壓過程中，所作的非容積功等于 (可逆過程)或小于 (不可逆過程)自由能的減少，因此自由能是指系統中具有作非容積功的那部分能量，非容積功原始的能量表達如公式 (1)所示。

式中:δWf為系統對環境所作的非容積功，dU為熱力學狀態函數的全微分，pdV=Wa其中p為常量，T表示絕對溫度為常量，dS為系統的熵變。

一般研究的是等溫等壓 (可逆)過程，T、p為常量，即:－

令G=U+pV+TS，G為自由能，也是一個狀態函數，則有有:

當對于研究的不可逆熱力學過程，由于系統在變化過程中從環境吸收的熱量小于TdS，因此有:

即系統所作非容積功小于等于系統自由能的減少，而自由能又被稱為吉布斯 (Gibbs)函數、吉布斯自由能、等溫等壓位等。是等溫等壓下熱力學體系的一個參數［14－18］。

2.2 土壤水的自由能

依然以水為系統，把土壤固相和空氣作為環境研究，當純凈的自由水進入土壤中成為土壤水時，其能量狀態也發生了變化，公式 (1)兩端各加上(SdT－Vdp)，則有:

由此得出土壤水最初微分方程為:

由于δWf表示系統對環境所作的非容積功，－δWf則表示環境對系統所作的非容積功。環境(土壤固相和空氣)對水所作的非容積功包括很多因素，如重力、毛管力、土壤顆粒的表面吸力等。

重力對水做的功為mgdz，m為水的質量，g為重力加速度，dz為高差。其他因素對水作的非容積功均以強度因素Y(如機械功中的力)和容積因素dX(如位移)的乘積來表示，則上式可表示為:

以上分析均假定系統相對獨立，沒有質量交換，即土壤水的物質組成和濃度不變。而實際上水是含有各種溶質的，若含有的各種溶質濃度發生變化，勢必影響土壤水的自由能。若以ni表示第i種溶質的濃度，則土壤水自由能為:

若以1 mol水作為分析對象，則有:

由此可以從能量角度分析水土流失過程中土壤水的運動情況，以及森林植被抑制水土流失的微觀過程。

2.3 土壤水特性曲線

基于以上分析，土壤基質勢隨土壤含水量的不同而變化。根據土壤水特性曲線，可以分析土壤水非飽和狀態下的能態與數量間的關系圖，是分析土壤水保持和運動的基本資料。

如圖3所示Sa稱為進氣吸力 (或進氣值)，當土壤飽和時，土壤基質勢 (或土壤基質勢吸力)為零。如果對土壤施加一定的微小吸力，土壤由于土壤顆粒及毛管力等作用并沒有水流出。當吸力逐漸增大直到超過某一臨界值Sa時，土壤中的大孔徑開始排水使土壤含水量減少。當吸力進一步的提高，土壤中更多的相對大的孔徑不能繼續持水而排出水來，土壤水分進一步減少。這一過程持續進行，土壤吸力持續提高，土壤基質勢持續降低，土壤含水量持續減少。

圖3 土壤水特征曲線Fig.3 Soil water characteristic curve

綜上所述，植物根系吸水時根系的吸水力大于土壤對毛管水的吸力，所以水被植物吸收，其中溶解的養分也隨之供植物利用。而土壤持水性能的好壞由土壤孔徑大小、土壤顆粒表面積大小、土壤內團聚體數量等因素影響，土壤顆粒的直徑和體積越細小，其表面積越大，顆粒表面分子的引力越大，其鎖水性能越好。原則上，土壤孔徑越大，其間空氣和水分的運動越順暢，可為植物根系的伸展提供空間，為土壤動物的活動提供通道。但是土壤孔徑過大會使其毛管力降低從而不利于土壤持水。土壤內團聚體 (也作粘粒)，通常分為硅酸鹽粘粒和鐵鋁氫氧化物粘粒兩類，二者分別是中緯度和熱帶風化過程的典型產物。土壤團聚體內部存在大量的毛管孔隙，吸水力強，能儲存很多水分，且大部分水分和某些有效養分都被吸持在粘粒的表面，使粘粒在土壤中起著水分和養分儲存庫的作用，因此土壤團聚體越多越利于土壤持水。即土壤團聚體越多，土壤質地愈粘重，表面積愈大，土壤孔徑越小，愈利于土壤基質持水。

3 結束語

結合以上我國歷年來森林資源清查數據和水土流失面積統計結果，隨著森林植被的破壞，我國的水土流失現象越來越嚴重，同時隨著森林面積的增加，水土流失現象得到了一定程度的緩解。究其原因，在植物根系吸水、蒸騰作用、凋落物形成腐殖質等一系列過程中，都不同程度的影響土壤水的運動，從而提高土壤持水量，抑制地表徑流，防止水土流失。

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