森林生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)功能研究進(jìn)展

廣西壯族自治區(qū)國有雅長林場(chǎng) 莫東宜

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)水土保持、提高涵養(yǎng)水源等方面具有重要作用。相關(guān)研究表明，森林生態(tài)系統(tǒng)可以涵養(yǎng)陸地90%以上的淡水資源，維持森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與平衡對(duì)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展尤為重要。因此，營造健康、穩(wěn)定、質(zhì)量高的森林，提高森林生態(tài)系統(tǒng)功能和效益，開展森林生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)功能研究是非常有必要性和緊迫性的，應(yīng)及時(shí)總結(jié)歸納森林生態(tài)水文方面的研究成果，有助于進(jìn)一步深入研究森林水文調(diào)節(jié)機(jī)制。

一、森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與水文調(diào)節(jié)功能

森林水文過程會(huì)隨著森林結(jié)構(gòu)的改變而發(fā)生變化，森林結(jié)構(gòu)的不同，其水文過程也會(huì)有所差異。其實(shí)質(zhì)上是水分與植物相互作用的過程，主要由林冠層截留、樹干徑流、凋落物截留、土壤持水性以及林木蒸散作用組成。其中降雨量及強(qiáng)度、樹種組成、林齡大小、郁閉度、林冠結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都會(huì)影響著林冠截留量，枝條分枝數(shù)及角度、樹皮特點(diǎn)及其吸水性影響著樹干徑流量，林地凋落物的數(shù)量、厚度、生物特性及分解程度影響著凋落物層的截留量，林地土壤化學(xué)組成、土壤滲透性、持水性及其空間變異顯著影響著其水文效應(yīng)。

森林生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)，是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過程，它受森林結(jié)構(gòu)和水文過程變化的雙重影響。森林生態(tài)水文調(diào)節(jié)的具體表現(xiàn)為：水分對(duì)植物進(jìn)行運(yùn)輸和再分配的過程，在減少降雨對(duì)土壤的沖刷、減少地表徑流的產(chǎn)生、改變林內(nèi)降雨時(shí)間及強(qiáng)度方面具有重要作用。目前，針對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)功能的研究，主要集中在不同植被類型、林分結(jié)構(gòu)對(duì)林冠截留、樹干徑流、凋落物層截持、土壤滲透與貯存、地表徑流、水分涵養(yǎng)以及地表蒸散等的影響。

（一）林冠層的水文效應(yīng)

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，林冠首先可對(duì)降雨進(jìn)行攔截，是植被對(duì)水分進(jìn)行重新分配的第一個(gè)層面，在森林生態(tài)系統(tǒng)的水文調(diào)節(jié)中占有重要地位，其影響著森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和發(fā)展。林冠的水分調(diào)節(jié)功能主要表現(xiàn)在林冠截留和穿透雨，其中林冠截留是指降雨過程中，地表植被冠層直接蒸發(fā)掉且還未滲入土壤的部分水分；穿透雨主要分為兩部分：一樹冠未能截留直接落到地面的那部分降水；二林冠截留飽和之后才滴落到林內(nèi)的那部分水分，可以說穿透雨是森林生態(tài)系統(tǒng)水分來源的主要途徑。林冠的水文作用可有效地減少地表徑流的產(chǎn)生，降低雨水對(duì)地表的沖擊，改變降雨在林內(nèi)的空間分布格局，對(duì)元素循環(huán)、水分循環(huán)及再分配等均具有重要意義。其研究表明，林冠截留量和穿透雨量受降雨強(qiáng)度與時(shí)長、植被類型、樹種組成、郁閉度、氣候條件等多種因素影響；不同森林類型，其林冠截留能力不同，針葉林可截留20%-50%，闊葉林可截留10%-35%。除了上述因素之外，因林冠具有明顯的季節(jié)性變化，所以穿透雨還受季節(jié)的影響。

目前，林冠截留和穿透雨的計(jì)算方法主要有實(shí)測(cè)法和模型估算法。較為完善的林冠截留量估算模型有Rutter 模型和Gash模型兩種；推算穿透雨量，可用降雨量和穿透雨量建立模型。

（二）樹干徑流的水文效益

樹干徑流是雨水沿著樹干流到根部的過程，占降雨的比例較低，其水文作用常被忽略。樹干徑流是多個(gè)因素相互作用的結(jié)果，其過程是復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)的。植被類型、林冠結(jié)構(gòu)、林冠面積、樹皮光滑程度、樹干分枝角度、葉片大小及光滑程度、降水強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間、季節(jié)變化等因素均會(huì)影響樹干徑流。樹干徑流是植被生長所需的土壤水分的重要來源，不僅可以集中雨水，從而還能增加樹木根部的水分量，同時(shí)也可以把樹干上的營養(yǎng)物質(zhì)沖刷至根部，使得部分化學(xué)物質(zhì)可以滲入土壤中，使得土壤養(yǎng)分得以補(bǔ)充。因此，樹干徑流對(duì)于保持森林水分和維持森林養(yǎng)分平衡均具有重要意義。

現(xiàn)階段，測(cè)算樹干徑流水量主要采用直接在樹干上收集法，這種方法既簡單易操作又能直接得到數(shù)據(jù)，但也會(huì)存在誤差；也可以采用數(shù)學(xué)模型估算法，但因影響樹干徑流的因子眾多、過程復(fù)雜，尚未形成統(tǒng)一定論。

（三）凋落物層的水文效應(yīng)

凋落物層是由植被落下的樹葉、樹皮、枝條、花果，林內(nèi)苔蘚以及動(dòng)物尸體組成的功能層。凋落物作為森林生態(tài)系統(tǒng)水文作用的第二個(gè)層面，對(duì)提高森林蓄水能量、促進(jìn)流域產(chǎn)流，增強(qiáng)養(yǎng)分循環(huán)有著重要的作用。其水文作用主要表現(xiàn)在兩方面，一林地凋落物層被分解后，需增加土壤中的養(yǎng)分含量，改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤入滲性能，從而可減小降雨對(duì)林地的沖刷量，減少或減緩地表徑流的產(chǎn)生；二凋落物層有效截留和儲(chǔ)蓄部分穿透雨，減少林地水分蒸發(fā)、阻礙降雨對(duì)林地的直接沖刷、增強(qiáng)土壤抗沖刷能力以及減少土壤的蒸發(fā)。凋落物水文功能與樹種組成、林齡、凋落的分解速度、積累量、立地條件及降雨特點(diǎn)等因素有關(guān)。相關(guān)研究表明，凋落物能有效截留15～25%的穿透雨。

根據(jù)凋落物的持水量來估算其對(duì)降雨的截留量，是目前應(yīng)用比較廣泛的方法，測(cè)定凋落物持水量主要采用室內(nèi)沒泡法或人工降雨的方法。雖然已有很多關(guān)于凋落物持水量方面研究，并提出了相應(yīng)的方程，但由于受到多種因子的影響，目前尚未建立能夠科學(xué)合理的計(jì)算凋落物持水量的模型。

（四）土壤層水文調(diào)節(jié)效應(yīng)

土壤層是森林生態(tài)系統(tǒng)的第三個(gè)水文調(diào)節(jié)作用層，其蓄水持水能力最強(qiáng)，同時(shí)也是水分和營養(yǎng)元素循環(huán)的主要場(chǎng)所。土壤中的水分主要來源于土壤大孔徑滯留的水分以及土壤田間持水量與永久性萎蔫含水量之差的水量。土壤對(duì)水分的調(diào)節(jié)作用主要體現(xiàn)在其調(diào)蓄水分的過程，該過程分動(dòng)態(tài)調(diào)蓄過程和靜態(tài)調(diào)蓄過程兩部分，靜態(tài)調(diào)蓄過程是指降雨到達(dá)地面后，通過土壤表層的空隙直接進(jìn)入土壤中的過程，即為土壤持水能力；動(dòng)態(tài)調(diào)蓄過程是指土壤表層水分飽和后，水分沿土壤孔隙滲透和擴(kuò)散到更深層土壤中的過程，為土壤滲透能力。土壤的調(diào)蓄水分能力主要受土壤非毛管孔隙、土層厚度、土壤含水量、降水持續(xù)時(shí)間、降水強(qiáng)度等因素影響。其研究表明，在同等條件下，土壤理化性質(zhì)越好，其滲透性越好，地表徑流現(xiàn)象越少，涵養(yǎng)水源能力越強(qiáng)。

目前，測(cè)定土壤持水能力的方法主要有環(huán)刀法、滲透儀法、模擬降雨法、土柱法、鉆孔法等，估算一些特定區(qū)域的土壤持水能力的模型有Brooks-Corey模型、Gardner 模型和 Van Genuchten 模型。

（五）林地蒸散作用

林地蒸散是植被和與環(huán)境共同作用的結(jié)果，其大小主要受到森林植被類型、郁閉度、海拔及降雨量等因素影響。林地蒸散量是森林所有植被和地面共同向大氣輸送的水分總通量，其中包括森林全部的蒸發(fā)量和蒸騰水量。林地蒸發(fā)主要受樹種組成、林分密度、郁閉度以及氣溫等因子影響，森林類型不同，其林地蒸發(fā)量也有所差異，例如針葉林的蒸發(fā)量差異相對(duì)較小，而闊葉林的蒸發(fā)量變化相對(duì)較大，相同森林類型，采取不同經(jīng)營管理措施，其蒸發(fā)量也會(huì)存在一定差異。林木蒸騰是土壤水分回歸大氣的主要形式，固受到樹種、降水量、大氣溫度、相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度等因子的影響。除此之外，還受樹基部面積、森林邊緣地及周圍樹木的蒸騰變化影響。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要從葉片、單株、林分及區(qū)域等4個(gè)尺度開展林地蒸散作用的研究，采用的測(cè)定方法主要有：水文學(xué)法、微氣象學(xué)法、植物生理學(xué)法、紅外遙感法和SPAC水分傳輸模擬法。

二、存在問題與展望

目前，雖然對(duì)于森林水源涵養(yǎng)功能、降雨截持、地表徑流、凋落物持水等方面均取得了一定的研究成果。但由于科技創(chuàng)新不足，研究設(shè)備不夠先進(jìn)，監(jiān)測(cè)方法和手段不夠完善等因素限制，將導(dǎo)致森林生態(tài)水文方面的研究依然存在一些不足。從研究對(duì)象和研究內(nèi)容分析，目前絕大多數(shù)的森林生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)功能研究只圍繞單一植被類型開展，缺乏對(duì)多個(gè)植被類型進(jìn)行研究，研究結(jié)果適用性較低。而研究內(nèi)容也僅從林冠層、凋落物、樹干徑流、土壤層、水分循環(huán)以及養(yǎng)分元素循環(huán)等單一方面進(jìn)行開展，其缺乏對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)全面的研究。此外，由于森林生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，加之所處環(huán)境不同，雖然研究對(duì)象和內(nèi)容相同，但其研究結(jié)果也存在一定的差異，研究結(jié)果只適用于相同條件的區(qū)域，不具有普適性。從研究方法上看，由于森林生態(tài)受到影響的因素越來越多，一味采用相同的方法去研究，得到研究結(jié)果會(huì)存在很大偏差，加之缺乏對(duì)不同植被類型進(jìn)行持續(xù)性研究，僅進(jìn)行某一個(gè)生長階段的水文調(diào)節(jié)功能研究，因此難以揭示森林生態(tài)系統(tǒng)水文過程及影響機(jī)制。

針對(duì)上述存在的問題，今后我們開展森林生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)功能研究的時(shí)候，可借助森林水文學(xué)、水土保持學(xué)、氣象學(xué)等其他相關(guān)學(xué)科的研究方法和研究成果，應(yīng)結(jié)合不同植被類型的相關(guān)觀測(cè)數(shù)據(jù)，從森林生態(tài)系統(tǒng)的水文、養(yǎng)分循環(huán)、水分循環(huán)以及水質(zhì)變化等方面入手，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)功能進(jìn)行多尺度、多類型、多因子的全面系統(tǒng)研究，深入探索森林結(jié)構(gòu)、植被類型及生長環(huán)境對(duì)其水文過程的響應(yīng)機(jī)制，同時(shí)需掌握影響森林生態(tài)系統(tǒng)各水文作用層的水文調(diào)節(jié)功能的主要驅(qū)動(dòng)因子，構(gòu)建具有普適性的森林水文調(diào)節(jié)功能的評(píng)價(jià)體系，為深入研究森林生態(tài)系統(tǒng)水文方面提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為今后造林和植被恢復(fù)過程中，能選擇有助于土壤改良、水質(zhì)凈化、水土保持及生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益高的樹種或植被類型提供參考。

相關(guān)鏈接

森林生態(tài)系統(tǒng)是森林生物與環(huán)境之間、森林生物之間相互作用，并產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)循環(huán)的統(tǒng)一體系?？煞譃樘烊涣稚鷳B(tài)系統(tǒng)和人工林生態(tài)系統(tǒng)。與陸地生態(tài)系統(tǒng)相比有以下特征： 生物種類豐富，層次結(jié)構(gòu)較多，食物鏈較復(fù)雜，光合生產(chǎn)率較高，所以生物生產(chǎn)能力也較高。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中具有調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙等方面的功能。

森林生態(tài)系統(tǒng)（Forest Ecosystem）是以喬木為主體的生物群落（包括植物、動(dòng)物和微生物）及其非生物環(huán)境（光、熱、水、氣、土壤等）綜合組成的生態(tài)系統(tǒng)。是生物與環(huán)境、生物與生物之間進(jìn)行物質(zhì)交換、能量流動(dòng)的自然生態(tài)科學(xué)。森林生態(tài)系統(tǒng)分布在濕潤或較濕潤的地區(qū)，其主要特點(diǎn)是動(dòng)物種類繁多，群落的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種群的密度和群落的結(jié)構(gòu)能夠長期處于穩(wěn)定的狀態(tài)。

森林中的植物以喬木為主，也有少量灌木和草本植物。森林中還有種類繁多的動(dòng)物。森林中的動(dòng)物由于在樹上容易找到豐富的食物和棲息產(chǎn)所，因而營樹棲和攀緣生活的種類特別多，如犀鳥、避役、樹蛙、松鼠、貂、蜂猴、眼鏡猴和長臂猿等。

森林不僅能夠?yàn)槿祟愄峁┐罅康哪静暮投贾辛指睒I(yè)產(chǎn)品，而且在維持生物圈的穩(wěn)定、改善生態(tài)環(huán)境等方面起著重要的作用。例如，森林植物通過光合作用，每天都消耗大量的二氧化碳，釋放出大量的氧，這對(duì)于維持大氣中二氧化碳和氧含量的平衡具有重要意義。又如，在降雨時(shí)，喬木層、灌木層和草本植物層都能夠截留一部分雨水，大大減緩雨水對(duì)地面的沖刷，最大限度地減少地表徑流?？葜β淙~層就像一層厚厚的海綿，能夠大量地吸收和貯存雨水。因此，森林在涵養(yǎng)水源、保持水土方面起著重要作用，有“綠色水庫”之稱。

地球上森林生態(tài)系統(tǒng)的主要類型有四種，即熱帶雨林、亞熱帶常綠闊葉林、溫帶落葉闊葉林和北方針葉林。是陸地上生物總量最高的生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)陸地生態(tài)環(huán)境有決定性的影響。

生態(tài)系統(tǒng)是典型的復(fù)雜系統(tǒng)，森林生態(tài)系統(tǒng)更是一個(gè)復(fù)雜的巨系統(tǒng)。森林生態(tài)系統(tǒng)具有豐富的物種多樣性、結(jié)構(gòu)多樣性、食物鏈、食物網(wǎng)以及功能過程多樣性等，形成了分化、分層、分支和交匯的復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)特征。認(rèn)識(shí)和揭示復(fù)雜的森林生態(tài)系統(tǒng)的自組織、穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)演替與演化、生物多樣性的發(fā)生與維持機(jī)制、多功能協(xié)調(diào)機(jī)制以及森林生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)營管理與調(diào)控，需要以對(duì)生態(tài)過程、機(jī)制及其與格局的關(guān)系的深入研究為基礎(chǔ)，生態(tài)系統(tǒng)的格局和過程一直是研究的重點(diǎn)，是了解森林生態(tài)系統(tǒng)這一復(fù)雜的巨系統(tǒng)的根本，不僅需要長期的實(shí)驗(yàn)生態(tài)學(xué)方法，更需要借助復(fù)雜性科學(xué)的理論與方法。