準確理解和量化森林水源涵養功能

孫 閣,張 櫓,王彥輝

1 美國農業部林務局南方研究院, 北卡羅來納州 27709 2 武漢大學水利水電學院, 武漢 430074 3 澳大利亞聯邦科學與工業研究組織水土研究所, 堪培拉 2601 4 中國林業科學研究院森林生態環境與自然保護研究所, 北京 100091

森林水源涵養一詞當前在國內生態建設和環保領域幾乎盡人皆知[1],顧名思義就是指森林的保護水源功能。由于通俗易懂和能很好表達森林的改善水環境、調節水循環、保護水資源的效益[2—4],使其廣泛出現在各類高等院校乃至中學的教科書中,也被廣大科研工作者、土地管理者、政策制定者和大眾使用[5]。

在1998年發生全國性特大洪水災害后,中國政府投入巨資實施了以退耕還林還草為主的生態恢復工程,在增加植被覆蓋、減少侵蝕和泥沙方面的成就舉世矚目[6]。1978年啟動的“三北防護林”工程主要目的是防風固沙和保持水土，很少考慮森林水文作用。但是后來啟動的退耕還林、天然林保護工程則增加了減少洪水的主要意圖,增強“水源涵養”功能成為基本目標之一[7]。當前中國格外重視增加森林植被,其人工林面積位列世界第一(69萬km2),全國森林覆蓋率從20世紀90年代的17%提高到現在的24%左右,并計劃在2050年提高到30%。遙感觀測表明,中國大陸整體變綠[8],生態環境逐步改善,某些生態系統功能在逐步提高(如碳匯、控制土壤侵蝕),成為全球生態恢復的中國樣板[6]。

然而,大面積森林植被建設也帶來不同生態系統服務的權衡問題[3, 9]。最明顯的莫過于北方旱區的水資源問題,如黃土高原植被增加后減少了河川徑流和加重了土壤干化[10]。同時,部分三北防護林出現了主要因干旱脅迫導致的森林退化[11]。如何權衡“林-水-沙-碳”關系及相關多種服務,從而實現森林和水資源協調優化管理,一直是困惑有關部門的熱點問題。雖然相關研究進展很大,但受慣性思維影響,一些不科學的認識還時見報端,如“有林就有水”“造林就是造水”“造林提高降水量”等提法,誤導了民眾認識和政府決策。在當前,普遍認同植樹造林是增加陸地碳匯功能和積極應對氣候變化的一個重要途徑[12],但也引起了對增加森林覆蓋率會減少水資源供給的擔憂。因此,如何準確理解和量化森林水文作用,是科學理解“綠水青山就是金山銀山”和正確實施“山水林田湖草沙”綜合治理以及林業助力落實“碳中和”國家戰略決策的需要,是新時期對森林、水資源、流域綜合管理的新要求。

但是,當前在生態學、林學、水文學界對如何準確理解和定量評價森林水源涵養作用還存在內涵與研究方法方面的很大分歧[13—15],主要在于對森林水源涵養的定義和含義尚有歧義,從而不能正確理解森林水文功能,并導致在媒體宣傳、政策制定、生產應用時遠離了其本意。比如,森林水源涵養作用的核心是在特定條件下森林的“消洪補枯”有益作用,但盲目放大其含義,或認為在所有地理環境下森林都具有如此顯著功能,就很容易導致認為森林越多則水資源越多,從而不加區分地盲目造林和擴大森林面積,引發或加重了一系列生態問題[16—17]。

厘清森林水源涵養作用的內涵、范疇和量化方法,有助于合理評價和準確預測森林恢復的水文服務功能,具有重要的科學與實用價值[18]。本文一方面試圖在簡要回顧森林水文學發展歷史的基礎上根據國內外文獻對森林水源涵養的原始含意進行溯源,另一方面試圖基于森林生態水文學基本原理提出水源涵養定義和量化的基本途徑與方法,從而促進有關研究、消除公眾和學界誤解,為正確評價、準確預測、科學調控森林水文功能提供思路。

1 問題的提出

森林約覆蓋了地球陸地面積的30%,其自然分布、生長和生產力均與降水、光照、溫度及養分等條件相適應[19]。比如,森林在水熱充沛的熱帶和亞熱帶很常見,在降水中等、溫度較低的溫帶或寒帶也有廣泛分布,但在干旱區僅分布在山地陰坡、河流兩岸、溝谷等水分充足的局地。在海拔較低、地勢平緩、土地肥沃的沖積平原,森林因人類長期開墾而變成農田；相反,在海拔較高、地形較陡、人為干擾較小的山地水源區則得以保存且生長良好。森林的這些分布特點造成一種假象,即增加森林會使氣候更濕潤和徑流更多；另一方面,減少和破壞森林確能加重水土流失與洪水災害,并導致枯水期溪流與泉水干涸。這種樸素認識在中國古代和西方最初的有關森林影響的著作[20]中都有體現。

森林和水的研究與管理長期分屬不同學科與部門,這導致過去一百多年內各國學者對森林水文作用的爭論不休。最早的水利科學重點關注大江大河的徑流或水在多孔介質中的運動(如著名的達西實驗),往往忽略植被在水循環中的作用。同樣,傳統的森林植物或生理生態學家多關注水對植物生長的作用,而對流域或區域尺度的森林水文氣象影響則知之甚少。

法國人Andréassian曾詳細介紹了歐洲歷史上對森林水文影響的爭議[21]。這場從公元一世紀“浪漫和情感的對抗”最終演變成19世紀法國關于“水和森林”的一場科學辯論。和許多科學發展歷史一樣,最初的經驗觀察往往經不住科學的嚴格檢驗。

日本在明治時代(1868—1911年)受西歐國家如荷蘭的影響,已有水文研究。在森林氣象部門工作的玉豐在茨城縣從1923年就開展了小流域水量平衡、闊葉林皆伐的氣象及水文影響研究[22]。但是,有關森林如何“治水”和“水源涵養”等問題至今在日本仍有爭論[23]。最早的較為著名的辯論是1933—1936年間林業實驗站岡山縣林業工程師平田德太郎和山本德三郎的爭論。1933年岡山地區大旱,他們發現水庫周圍裸山上種植松樹后,隨著樹木生長,水庫逐年干涸。平田認為植樹造林“增加了水源地保水、供水能力,起到了蓄水緩洪作用”,但降雨減少導致了水庫干涸。山本則認為“植樹造林增加蒸發而使水庫干涸”“森林的(蓄水緩洪)作用多出現在大中河流；在小溪流區域,森林的保水作用未必就那么理想”。為此爭議雙方撰寫論文達34篇之多,但仍莫衷一是。

我國1981—1982年也發生了一場著名的“林-水關系”爭論,一方是中國科學院地理研究所原所長、著名地理學家黃秉維(1913—2000年)；另一方是原北京林學院的汪振儒(1908—2008年),他早年留學美國,是樹木生理學家、森林生態專家。黃秉維的首篇論文是《確切地估計森林的作用》[24],質疑當時的“森林萬能”“造林等于修水庫”觀點,認為不應過分夸大森林作用,指出“森林能控制或有助于控制水土流失,能削減河流的洪峰流量,都是一般規律”。同年,汪振儒、黃伯璇發表了論文《確切地認識森林的作用——與黃秉維先生商榷》[25],強調人與森林的關系、森林吸收二氧化碳影響降水量的氣候效應。雙方在幾期《地理知識》上開展了爭論。但受當時國內外森林水文研究深度的限制,這場“拿洋槍打內戰”的爭論沒能改變當時和隨后幾十年內研究人員和林業管理部門對“林-水關系”一邊倒的認識,但對如何科學準確認識森林作用起到了榜樣作用。

事實上,森林水文作用在國際上至今也仍是充滿爭議的科學問題。對有些看似教課書式的定論和“常識”,由于問題的復雜性以及缺乏足夠研究,目前都還充滿爭議。比如對森林是否能影響大規模洪水還有討論的空間[26—28]。國際林聯與森林問題合作伙伴關系為此2017年特別召集全球20多個國家的50多位專家組成專家小組,專門評價森林水文在可持續發展中的作用,在2018年權威發布了《變化星球上的森林和水：脆弱性、適應和治理機會的全球評估報告》[29],詳細描述了百年來學術界對“林-水關系”認識搖擺不定的曲折過程。歷史上部分學者認為洪水和干旱都與森林破壞有關,通過造林就能解決這些問題。但自本世紀初開始,隨著森林水文研究深入,另一部分學者認為森林耗水(綠水)量高于其它植被,是河川徑流( 藍水)的競爭者,因此認為營造速生林會減少水資源。但是,隨著有關森林水文氣象影響的大尺度研究逐步深入,提出森林蒸散會增加下風向的降水,在評價森林水資源影響時也需綜合考慮,該報告還指出包括植樹造林在內的全球治理可在優化“氣候-森林-水”關系中發揮關鍵作用,但目前仍缺乏明確的政策指引。森林對大尺度范圍降水和水資源的影響是當前研究熱點,但現有結果還有很大不確定性[30—34]。

2 森林水源涵養概念溯源

為探討森林“水源涵養”一詞的出處,在查閱歷史文獻的基礎上,特地書面咨詢了作為森林水文專家的日本東京大學愛知附屬試驗林場負責人蔵治光一郎博士和韓國林業資源研究所崔亨泰博士。據蔵治介紹,“水源涵養”的確切含義在日本也充滿爭議,是個“難回答的問題”。雖然這一詞匯早在1897年就已出現在日本的有關森林法規中,但是政府2001年才根據日本科學委員會的建議正式采用“水源涵養”一詞,一般認為包括如下內容：(1)消減洪水；(2)保護水資源； (3)控制水量；(4)凈化水。然而,日本森林水文學界雖有百年研究歷史,但對“水源涵養”的內涵理解仍還不一致。有的學者接受政府確定的這四項內容,但有的學者覺得只應包括第二條(保護水資源)和第三條(控制水量),對森林可大范圍消減洪峰和凈化水質的作用持懷疑態度。當前,日本森林水文學界普遍認為不可忽視森林的蒸散和入滲功能,但只有健康森林(有較好的地被物、較厚的土壤和較高的入滲能力)才有良好水源涵養作用。

崔亨泰博士認為韓國森林水文研究受日本影響很大,因早期水文學者多去日本留學。在韓語中,森林的漢字為“山林”,發音“San Lim”, “森林水源涵養”讀做“San Lim Soo Won Ham Yang”,這一詞匯源自日文。是指“森林土壤具有暫時或長期儲存雨水并源源不斷地供給溪流的功能。所以,這就是森林土壤的保水功能。它在短期內減少洪水并在長期內供應水資源”。他認為韓國的土壤孔隙度和導水率很高(> 400 mm/h),森林涵養水源的概念利于描述森林調節水循環的作用。在崔博士領導下,韓國林務局2022年啟動了一項長期項目,將用10年左右時間對全國所有森林的土壤保水功能進行定量評估并繪制“森林蓄水圖”。

“水源涵養”一詞在中國何時開始使用已無從考證,估計始于民國時期的教材。但可以肯定的是,當代中國有關林水相互作用的認識受原蘇聯影響很大,其研究強調防護林帶的土壤保護與蒸散作用,以及森林植被影響積雪和河川徑流的作用[35]。根據流域降水與徑流數據的統計分析,一般認為森林覆被率和森林結構對河川徑流有顯著影響,但不同區域的影響程度和方向不同。一般來說,森林覆被率高的地方,春汛期長,徑流系數也較高,洪水水位低,平水期水位高。這些研究結果在20世紀改革開放初期的林業院校教科書中均有體現。俄羅斯森林水文學者認為高緯度北方森林的水文作用因流域而異,且取決于雪水平衡,受到森林植被和氣溫、相對濕度、風速和降水中雪量的控制[36]。

水源涵養當今在中國的涵義較其它國家更寬廣[37],如百度定義“水源涵養是指生態系統通過其特有的結構與水相互作用,對降水進行截留、滲透、蓄積,并通過蒸發實現對水流、水循環的調控。一般可以通過恢復植被、建設水源涵養區達到控制土壤沙化、降低水土流失的目的。綠化是水源涵養的主要技術措施之一”。最新公布的《中國大百科全書 水利卷》第三版把“水源涵養”納入農學水土保持領域,特指森林的作用。定義為“森林通過其系統結構和空間格局與氣象、地形、土壤等其它因素共同影響一系列水文過程之后所產生的對徑流調節作用”。森林涵養水源的基本內涵包括“消減洪水徑流、增加枯水徑流、調節年徑流量、保證供水安全”。水源涵養林是指“以涵養水源,改善水文狀況,調節區域水分循環,防止河流、湖泊、水庫淤塞,以及保護飲水水源為主要功能的森林、林木和灌木林的統稱,又稱水源保護林”。

圖1 用關鍵詞“森林水源涵養”在知網檢索的中文論文數量變化Fig.1 Search result by CNKI (China National Knowledge Infrastructure) for the number of Chinese papers indexed by the keyword forest Shui Yuan Han Yang (water retention)

中國森林水文研究起步較晚[38—39],但有關森林涵養水源的論文數從21世紀初呈指數級快速增加,目前每年有300 篇左右中文論文涉及“森林水源涵養”一詞。這與21世紀初開始的大面積植樹造林、生態恢復工程及科技實力和論文出版能力增強有關(圖1)。在1982—2022年發表的4600多篇論文中,出現頻率位居前十的關鍵詞是：水源涵養、水源涵養林、森林生態系統、水源涵養功能、價值評估、森林生態系統服務功能、生態效益、生態系統服務功能、生態系統服務、祁連山?？梢娚炙春B論文多關注森林經營、森林生態系統服務和生態效益價值評估。同時說明森林水源涵養研究還很少涉及蒸散等森林水文過程及其定量研究。有意思的是,“祁連山”也進入前十個主題詞,這與祁連山森林水源涵養研究歷史悠久(祁連山水源涵養研究院是中國唯一以“水源涵養研究”命名的研究機構)及長期重視該地區森林水文作用有關[37],還與國家自然科學基金委員會在黑河流域實施過一個生態水文長期重大研究計劃有關[40]。但最近研究表明,祁連山區主要河流(如黑河)的主要水源供給者不是林地,因高山草甸、苔原的徑流系數遠高于青海云杉林,草地面積也遠大于林地。祁連山區森林實際蒸散遠高于高山草甸[41]。

綜上所述,可以肯定漢語中森林“水源涵養”一詞源于日本。其確切內涵在日本、中國和韓國的科學界使用中是大同小異的,在三個國家均多關注森林消減洪水作用。然而由于中國地域遼闊,水土流失嚴重,水資源分布不均,其關注重點是不同氣候帶的森林恢復對保護水資源的有益作用。

3 對森林水文影響的基本認知

森林水文學已有百年歷史 (表1),最早的研究重點是森林大規模破壞對洪水和土壤侵蝕的影響。如果說生態水文學是探討生態過程與水文過程相互作用的科學,那么森林水文學即是當代生態水文學的雛形。隨著19世紀末工業革命帶來了森林銳減、水土流失嚴重、空氣污染、酸雨等環境問題,歐、美、日的環境保護主義者開始關注森林的水文(洪水、泥沙)、氣象(森林降水)作用,并開始了“配對流域”對比研究[42]。美國林務局1910—1926年在美國科羅拉多州的車轱轆峽實施的“配對流域 ”研究方法,成為世界上最早的嚴格意義的森林砍伐水文影響研究。西方發達國家的森林水文學研究在20世紀60年代已日趨成熟,主要標志是1965年在美國賓夕法尼亞召開的第一屆國際森林水文學術研討會[48],在這次劃時代的會議上,歐、美、日、澳等國的森林水文學奠基者們系統總結了森林水文學研究成果。之后,世界各地森林水文學的發展方興未艾,逐步成為高等院校林學和流域綜合管理專業的基礎學科。美國、加拿大和日本主要關注森林采伐對水量、水質的影響；澳大利亞作為一個缺水國家,森林水文研究重點關注森林變化和人工林經營對水資源供給、地下水補給、土壤鹽堿化的影響,并從20世紀70、80年代開始進行了大量的小流域對比試驗。

表1 中國和國際上探討森林與水關系的主要事件一覽Table 1 Chronology of major events related to studies on forest and water in China and around the world

續表年份 Years重要里程碑與意義Important milestones and significance2021張明芳與魏曉華在Sciences發表展望性論文《Deforestation, forestation, and water supply》[68],評述了毀林、造林與水資源供給的關系及未來研究需求。聯合國糧農組織、國際林聯、美國農業部聯合出版了《以水為目的的森林管理指南》 [69]。

在進入21世紀的今天,氣候變化、城市化、水資源短缺等問題日益凸顯,使得森林水文服務的重要性更加重要。國際上的森林水文研究領域不斷拓展和深入,已從過去局限于營林對河流水質水量的影響拓展到目前廣為關注的極端氣候和土地利用變化影響供水安全的評價與預測、森林碳水耦合、新環境下的關鍵帶水分運動、植被對氣候的反饋規律等內容,研究手段從過去的徑流小區或小流域尺度的“配對試驗”拓展到大流域乃至區域尺度的遙感監測和計算機模型仿真模擬。研究范式也從過去的“黑匣子”式研究提升到目前的量化水分在“土壤-植被-大氣”連續體內運動過程的機理研究。

同其它民族一樣,中國人民歷來對森林水文作用存有敬畏和美好情感。從古代“天人合一”的哲學思想、大眾喜聞樂見的“山水畫”流派,到現代的“山水林田湖草沙”生命共同體整體觀,都體現了對林水緊密關系的重要認識。然而,中國森林水文研究起步較晚,相對落后于西方發達國家,中國林業科學研究院和四川省林科所雖在20世紀60年代就在岷江上游開展了采伐暗針葉林影響產流的開創性研究,可惜沒有持續開展。在20世紀80年代后,中國林科院、北京林業大學、東北林業大學、中科院地理所等研究機構,逐步恢復了森林水文研究和人才培養,并與日本、美國、澳大利亞、德國、奧地利等發達國家廣泛交流。一件值得紀念的意義深遠的事件是1987年8月由聯合國教科文組織和美國、中國人與生物圈計劃發起召集的在哈爾濱舉行的國際森林水文學研討會,總結評價了中國森林水文研究進展,會后由美國外交部贊助亞利桑那大學編篡出版了英文論文集[54],記錄了這個歷史上第一次中美森林水文研究人員交流過程。會后,國內森林水文學家們出版了《森林水文學》[55],系統總結了中國森林水文研究的歷程和成果。

1998年的全國性特大洪水災害,迫使人們反思江河上游的森林經營問題。中央政府痛定思痛,決定下大力氣實施大規模的退耕還林還草及天然林保護工程。在這一時期,中國森林水文研究開始向西方的生態系統研究網絡看齊,依托定位站點觀測收集第一手野外資料,同時結合應用遙感技術和監測史料,開展森林水文規律研究。中國森林水文研究在2000年以來高速發展,尤其在干旱和半干旱地區重點流域的生態水文研究上取得了國際矚目的成績[70]。2006年,在國內外華人森林水文學者積極倡導下,第一屆 “變化環境下森林與水國際研討會”在中國林科院舉行,會后出版了美國水資源協會期刊的《中國森林水文研究》?？?系統介紹中國森林水文研究成果[65]。至今該系列研討會已三年一次連續五次在中國、美國、日本、加拿大、智利舉行,每次都在國際著名期刊組織專刊?？上驳氖?最近幾年中國生態學學會成立了生態水文、流域生態兩個專業委員會,促進了林水關系深入研究和大眾知識普及。

毋庸置疑,過去百年間世界各地森林水文研究都積累了大量科學資料,對森林在不同尺度的水文循環影響機理有了深入了解。雖然科學界還在許多方面有爭議,但也已達成許多共識,已能回答很多基本的林水關系科學問題,用于指導生態建設。表2和圖2列出了森林水文研究的主要結論和基本機理。

表2 森林的水文調節及水源涵養作用和機制Table 2 Mechanisms of forest hydrological functions and water retention services

圖2 不同時間尺度和土壤干擾程度下的森林植被影響流域徑流示意圖Fig.2 Illustrations of forest/vegetation effects on watershed water yield at hourly (A), daily (B), monthly (C), and long term (D) time scales under various soil disturbance degrees A: 土壤擾動很輕的森林采伐(采伐樹木沒有移走,沒有地表徑流出現)提高流域暴雨徑流總量(平均22%)和洪峰流量(平均7%),基于濕潤區土壤深厚的配對流域實驗[88]；B: 城市化流域的生長季日流量遠高于森林流域,基于濕潤區流域(砍伐流域面積為41 hm2)對比研究[89]；C: 濕潤區森林轉變成農地后蒸散降低,在破壞土壤較輕時(入滲能力變化不大)基流增加,但嚴重破壞土壤后可能會大量減少入滲,使旱季徑流減少,基于東南亞熱帶地區研究[78]；D: 根據Budyko理論(傅抱璞模型[90])計算的不同氣候帶森林流域(以模型參數n=3.0為代表)和草地流域(以模型參數n=2.0為代表)徑流系數示意圖,兩種植被覆蓋的流域水文響應在干旱指數1.0—1.5附近差別最大

總體來講,國際上關于森林經營水文影響的研究較多,但對退化土地造林等植被恢復水文影響的研究較少。一般的共識是植被變化主要通過影響蒸散和入滲來改變產匯流過程從而改變徑流總量及其時間分布。森林對水資源的影響與當地的氣候背景和所關注的時空尺度有關,在小尺度上往往更明顯。在小流域尺度,森林增多(或減少)通常會提高(或降低)蒸散,從而減少(或增加)徑流。對中大流域,植被的徑流影響機理與小流域基本一致,但徑流變化除與植被干擾的程度、方式、面積、位置等有關外,還與流域特征(如流域大小、形狀和是否存在濕地、水庫等)有關。在區域尺度,較大的氣候因子時空差異或人類干擾(如抽取地下水、引水灌溉、城市化)往往會掩蓋森林變化的水文影響,從而成為影響森林分布和生產力及流域水資源的主要因素。森林采伐的徑流影響會隨時間而變,一般在最初5—10年最大,之后隨森林生長和植被趨于穩定而逐步減弱。在森林生長緩慢的高寒區,如美國洛基山地區,流域水文狀態要恢復至砍伐前可能需要半個世紀；在土壤嚴重退化的農地或草地上恢復森林,其水文過程恢復到成熟森林的狀態也需要很長時間。

4 森林的水文調節作用與水源涵養服務功能的關系

森林水文影響(表2,圖2)主要是通過影響蒸散耗水、土壤入滲和產流過程體現的。日本提出的森林“水源涵養”概念與西方把森林比作“海綿”的概念(Dausse達塞定律)相似[78],與英文詞匯“water retention or preservation”最接近(而非conservation)。森林水源涵養主要體現了植被和土壤對降水的截持、儲存、釋放和凈化作用。這里的釋放包括產流輸出和土壤水分蒸散過程。與裸地或退化草地相比,森林的林冠層、灌草層、枯枝落葉層通過其截持作用而改變降水的數量及時空分布,利于消減洪峰和洪水總量。尤其重要的是,發育良好的森林土壤具有良好的孔隙結構和入滲性,利于減少地表徑流、儲存降水、補充地下水、提高基流或干旱期河川流量?？蓪⒅脖唤爻?、土壤入滲和暫時儲水作用視為森林的持水功能。同時,森林的較高葉面積指數和龐大根系使其具有較高蒸散能力,將大量土壤水或淺層地下水返回大氣。森林的蒸散作用與持水作用相互促進和制約：森林的高蒸散具有減少土壤含水量即增加土壤基質勢[11, 85]、騰空土壤水庫、增加雨前土壤儲水容量、促進入滲和減少地表徑流的作用,從而發揮減洪滯洪功能。但是,森林的高蒸散會在減小土壤含水量的同時減少地下水補給量以及基流流量和流域總產水量。

可見,森林水源涵養不是指森林把降水永久儲存于土壤中從而增加當地水資源量。相反,森林為了自身生存首先需消耗大量水資源,將暫存土壤的水分通過蒸散返回大氣,僅把剩余的部分可流動的水輸出到河流(或地下水)形成便于人類利用的水資源。在過去理解和談及森林水源涵養功能時,事實上在突出強調相對普遍存在的森林通過增加入滲和提高土壤“海綿體”庫容而產生的減少地表徑流及中小洪水洪峰流量的“消洪”作用；而對森林增加蒸散并因此減少徑流總量和調節徑流時間分配(包括減少基流)的影響重視不夠甚至忽視,可能是因蒸散研究困難和成果相對不足,尤其在流域尺度上；進而基于水量平衡的想法理想化地認為消減的洪峰徑流必然轉為“補枯”基流的效益。但事實上這種理想狀態并不總是存在,因為森林增加蒸散減少徑流總量可能會導致也減小枯水期流量。

由此來看,不能簡單化甚至是神化森林水文功能,而應科學、準確地認識和量化各森林水文功能之間的權衡或協同關系及其時空變化,并且還要區分開森林的水文調節作用與水源涵養功能這兩個不同概念(圖3)。隨著人口增加和社會經濟發展帶來的對森林水文功能需求的數量提高和指標多樣化,森林提供的水文調節作用與社會需求的水源涵養服務不一致的矛盾會越來越突出,尤其在干旱缺水地區和極端干旱事件影響日益增強時。必須承認在森林多種水文功能之間以及在森林水文功能的供給與需求之間客觀存在的復雜的權衡或協同關系,需要在量化其形成機理的基礎上進行合理利用與優化調節,實現人與自然的雙贏與和諧。

圖3 森林的水文調節作用與水源涵養功能概念的區別與聯系Fig.3 The distinction and relation between hydrological regulation effects and water-retention services of forests

首先,森林水源涵養功能與各地不同的人類福祉需求有關,具有時空差異。在水資源豐富的國家或地區(如日本、東南亞),更多地重視森林的消洪和補枯作用；而在水資源缺乏的國家或地區,則更關心森林對旱季產水量的影響。對中國這樣水土流失嚴重、水資源短缺的國家,需同時強調森林的消洪、補枯、減沙和供水(產水總量)等多種功能。如果說在濕潤地區更多出現的森林“消洪補枯”作用是正向水源涵養服務,那在非濕潤地區更多出現的森林較高蒸散導致河川總徑流量及枯水期徑流量減少則可視為反向水源涵養服務。但也存在反例,比如澳大利亞沿海地區就在恢復和利用森林蒸散的“抽水機”作用來降低地下水位和防治農田鹽堿化,因為森林開墾成農田雖然減小了蒸散和增加了地下水補給,但造成了土地鹽堿化和農田減產。然而,在阿根廷研究發現,草地種植人工林后減少了地下水補給但提高了土壤鹽分,森林功能成為負效應[91]。在世界多數濕潤地帶,如南亞季風區,森林恢復能改善土壤結構,增強入滲[86]和地下水補給,有可能提高旱季徑流,屬于正向服務[78]。但是,有關森林增加旱季徑流的觀測實例很少, 這些文獻多是基于土地利用復雜和受自然(如氣候變暖,冰川融化)及人為干擾(如城市化,水利工程)強烈影響的大流域水文觀測[17, 92]或模型模擬分析[93],存在說服力不足的問題,還未從機理上定量確定旱季徑流增加現象與森林植被增加的因果關系。

森林很少能同時滿足社會的所有水文服務需求,如既能“消洪”也能“補枯”,還能“增加水資源總量”。通俗地講,一般不會是森林越多就能越好地給人類提供整體水文服務,因為多種功能之間可能有權衡關系,功能變化也往往是非線性的,因此存在某些優化區間及對應閾值。比如森林蒸散耗水會騰空土壤庫容從而利于暴雨入滲、消減洪峰及洪水徑流量,這是對人類有益的服務；但大量增加森林(尤其速生林)會因蒸散增加而減少地下水補給和流域徑流總量甚至旱季基流,不利于下游供水安全,某種程度上是負向功能[17, 84]。最近,有關氣候變化的學者和水利部門開始關注造林增加碳匯促進實現“碳中和”會對供水安全有什么負面影響的問題,如何在氣候變化背景下進行林水協調管理成為熱點[17, 69]。

5 量化森林的水量平衡影響及水源涵養功能的基本方法

從森林水文調節作用與水源涵養服務功能的關系來看,在評價森林水源涵養作用時,首先必須從森林增加蒸散與促進入滲的權衡關系入手,準確描述和量化森林的數量、結構與格局如何影響蒸散耗水、降水入滲(地下水補給)、土壤水動態、徑流(暴雨洪水、基流)形成等過程,即在不同尺度上量化森林對水量平衡組分變化的影響,并將造林前或毀林后的其它植被類型或土地利用方式作為參考；其次,需要將水量平衡組分物理量的變化與社會需求的水文功能變化進行對比,判斷森林水文調節作用在水源涵養服務意義上的方向與大小,因此有關評價需要結合社會經濟學的理論與方法。限于篇幅,本文后面只關注和討論如何量化森林植被變化對水源涵養起關鍵作用的流域水量平衡的影響。

當前國際上定量評價森林的水量平衡影響的途徑不外乎野外實驗和模擬模型這兩種(表3)。野外實驗的具體方法有傳統的“配對流域”實驗法和“單一流域”觀測序列法,各有優缺點?，F代流域尺度的森林水文學知識多來自嚴格的配對小流域研究；而單一流域法常用于大流域在干擾前后的時間序列對比研究?！芭鋵α饔颉狈ㄊ菄H上公認的可靠方法,其研究結果廣泛用于驗證Budyko等理論[80,105],可嚴格區分出森林變化的影響,但卻不能評價和預測在氣候、地形、土壤、植被共同變化下的徑流變化。此外,基于生態水文過程將配對小流域研究結果尺度上推到大流域的方法目前還不是很成熟,因而還不能解決變化環境下的森林水文功能預測問題。

表3 量化森林對水量平衡影響和水源涵養的基本方法Table 3 General methods for quantifying the influences of forests on water balances and water retention

自從20世紀60年代伴隨計算機技術發展而出現的第一代斯坦福水文模型誕生以來,基于過程的具有物理意義的水文模型不斷涌現(圖4)。由于森林生態系統結構的時空變異性更大,森林水文模型的開發與驗證比普通流域水文模型更難,對蒸散和產流等過程的模擬精度要求也更高。

近些年來,Budyko 水熱平衡原理框架模型,如傅抱璞蒸散模型[17, 80, 90,98]或張櫓多尺度蒸散模型[57, 105]廣泛用于定量解釋植被或氣候變化對蒸散和產水量的影響[100,150]。由于這類集總式的“Top-down”模型涵蓋了平均狀態下陸地生態系統的主要影響因子(水、熱、地表特征),只需很少參數和氣候變量就能有效量化長期、大尺度區域的水量平衡,能巧妙地從宏觀上說明氣候差異和水文響應的敏感性。

但是,森林水文影響是個動態的復雜生物物理過程。Budyko框架模型需要增加參數才能回答流域尺度上氣候季節變異和流域特征變化的水量平衡影響[105, 108]。當前,隨著計算能力提高、不同尺度的森林水文“大數據”積累、高精度遙感和人工智能技術應用,涌現了一系列采用“由下而上”方法開發的具有物理意義的分布式生態水文模型。這些模型考慮森林碳、水、熱平衡以及陸-氣交換和生態系統擾動,為準確量化森林水文調節作用及水源涵養功能提供了科學工具。

圖4 近60年來國際上開發的可用于估算陸地水量平衡和量化森林水文功能的模型[106]Fig.4 Hydrologic models used to estimate water balance and quantify forest water retention during the recent 60 years[106]

6 小結和建議

中國自2000年以來大規模實施了以增強水源涵養功能為基本目標之一的森林恢復和生態建設,其成就舉世矚目。但當前尚無統一的森林水源涵養定義及量化方法,導致評價時常造成困惑或自相矛盾,不利于科學指導國土綠化、水資源保護、山水林田湖草沙系統治理等生態建設。因此,本文在溯源森林“水源涵養”基本概念、梳理現代森林水文學研究成果的基礎上,試圖提出準確理解和量化森林水源涵養功能的途徑和方法?！八春B”一詞以漢字形式最早出現在1897年制定的日本森林法中。公認的森林水源涵養功能是指森林通過調節蒸散的組分(植被截持、植被蒸騰、土壤蒸發)和增加蒸散總量、保護和改善土壤結構、提高土壤入滲和削減地表徑流、促進壤中流形成和地下水補充等水文過程而產生的消減河川洪水徑流、增加枯水期徑流、穩定水資源供給的利于經濟社會發展的有益作用,常被簡稱為“消洪補枯”作用。但是,這種簡單定義忽略了森林對總徑流量的調節作用,因此會常常引出對不同條件下森林水文效益和水資源的一些誤解。

森林變化對不同尺度的水文循環都有巨大影響,而且存在明顯時空差異。森林的水文調節作用與水源涵養服務是不同概念,前者強調森林對水文要素物理量的影響,后者增加考慮了對社會經濟發展的水安全需求的影響,二者不能混同。需在準確量化森林水文調節作用的基礎上,從是否滿足社會經濟發展的水安全需求角度來評價森林水源涵養功能,這都需要深入理解和準確量化森林對蒸散耗水、土壤入滲、土壤水變化、地下水補給、產流、匯流等過程以及最終對徑流的數量、質量和時空分配(尤其洪峰流量、旱季基流流量)的影響。

經典的“配對流域”實驗方法雖然造價昂貴,僅適合小流域研究,且耗時很長和不能反映森林以外其他因素的影響,但至今仍是國際公認的最可靠的直接量化植被對小流域蒸散和徑流影響的有效方法。然而至今中國還沒有一個嚴格的“配對流域”實驗。建議有條件的研究機構制定長期計劃,設計并實施不同氣候帶的小流域“配對流域”實驗,對比退化土地上不同植被恢復方法(如自然恢復、人工造林)或森林管理(間伐、替換樹種)及采伐利用(皆伐、擇伐、近自然經營)的水文影響過程。建立小流域觀測網絡,配合固定樣地生態水文過程及大中流域研究,綜合考慮氣候、地形、土壤、植被的水文影響。同時,結合遙感技術應用,開發具有物理意義的水-熱-植被動態耦合模型,預測未來變化條件下森林水文調節作用及水源涵養服務功能的變化。在變化的氣候、地形地貌(地質)、土壤條件下,增加對森林(數量、結構、格局)影響水量、水質及其時空分布的理解、預測、評價與管理。在大流域尺度上,還應增加森林水文與水利工程等人類活動的相互影響研究,為流域管理提供決策支撐。

中國幅員遼闊,氣候多樣,各地水熱條件和經濟社會發展水平及生態安全和水安全需求迥異,因此其“林-水關系”更具復雜性,森林水源涵養服務功能的表現形式也具有獨特性。但是,植被和氣候的水文影響仍然遵循生態水文基本規律,有章可循。國際上百年來的研究成果和教訓在中國均可借鑒。毫無疑問,中國大面積的植樹造林和生態恢復對控制水土流失、增加碳匯和改善河流水質水量整體上都有正面作用。但是,對森林水源涵養服務功能既不能小看也不能夸大,尤其在缺水地區更需有正確認識,不能簡單化、一刀切和忽視其時空差異。在造林及營林中都必須遵從森林生態水文的基本規律,充分認識森林的水文調節作用和水源涵養服務功能以及它們在多個層面和尺度上的權衡與協同關系,這樣才能在各地的生態修復實踐中確定合理目標和采取適當措施,實現生態文明建設大業。呼吁生態學和水文學有關研究機構及自然資源管理部門盡快聯合起來,澄清和確定森林水源涵養服務功能的確切涵義和范疇,統一量化標準和方法,從而準確、合理地計量包括水源涵養在內的森林多重服務功能(如減輕洪水危害、保證供水安全、凈化水質、碳水協調管理、調節氣候等)。