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1、森林生态系统的水文调节功能及生态学机制研究进展曹 云，欧阳志云*，郑 华，黄志刚，邢芳芳中国科学院生态环境研究中心/城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085摘要：森林水文调节功能是森林所实现的重要服务功能之一，可是由于森林资源被无节制的开采利用，导致人们不断遭受森林破环所带来的洪旱灾害。因此关于森林生态水文功能研究已成为生态学和水文学的研究重点之一。近年来，国内外对森林水文调节过程及其生态学机制进行了广泛深入的研究，所以文章从森林的水文过程出发，对林冠截留、树干流、凋落物层截留、林地水分涵养和蒸发蒸腾及其影响因子的国内外研究现状进行了归纳分析，研究认为林地各冠层均能够截留降雨，降低雨水
2、动能，从而减少地表径流的产生和对地表的冲击；凋落物层能蓄留水分、抑制蒸散、减缓地表径流；而树干流改变降雨水平空间格局，影响水分入渗以及土壤水源涵养。森林结构复杂，明显改变了降雨分配过程，而森林水文过程及调节功能又受到森林结构的制约，因此定量定性探讨森林生态系统的结构、过程与水文调节功能之间关系，是未来森林生态水文功能研究的重点。关键词：森林水文调节功能；森林结构；水文过程；降雨分配中图分类号：S715；S718.5 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）06-1360-06森林生态系统水文调节功能是森林和水相互作用后产生的综合功能的体现，即在调节气候、涵养水源、净化水质、保持
3、水土等方面所发挥的巨大功能，其中涵养水源、净化水质和保持水土是森林生态系统服务功能的重要方面1-2。但是，由于对森林生态系统功能和重要性缺乏了解以及林业经营管理上的失误，导致森林生态系统遭受巨大破坏，对森林生态系统服务功能造成严重损害3-4。所以森林生态系统水文调节功能的研究成为生态学和水文学中研究的热点。近年来国内外在森林生态系统水文过程以及水文调节的机理方面，均有广泛研究，因而对森林水文方面研究成果及时总结归纳，将有助于森林水文研究的进一步深入发展。1 森林生态系统结构与过程的水文效应在森林生态系统中，植被类型多样、物种丰富、结构复杂，降雨首先受到乔木层、灌木层、草本及苔藓层或枯枝落叶的截
4、留和再分配，可有效减少地表径流的产生和对地表的直接冲击，同时森林通过蒸散又将一部分所蓄留的水分释放到大气中，显著影响流域水分平衡规律5。森林所具有的深厚凋落物层，具有较高的持水能力，同时能够抑制林下蒸散、减缓地表径流速度等作用，在降水再分配过程中的具有重要作用6。森林植被能改善林地土壤透性，增强了土壤的渗透能力和持水能力，从而提高了林地蓄水能力7-8。森林生态系统水文过程及调节功能的实现，与植被结构之间关系复杂，其中林冠截留量、蒸散量受到树种组成、林冠结构特点、年龄大小、郁闭度、降雨量和降雨强度的影响；凋落物层的截留量与林地枯枝落叶在数量、厚度、湿度及分解程度上有着密切的关系；森林还明显影响林
5、地土壤化学组成及其空间变异1,7。对于不同类型森林植被，其物种组成、生长状况、群落结构及其所处的演替阶段上的差异，明显影响森林截留、蒸散、地表径流以及土壤入渗等水文过程，最终导致森林在涵养水源、净化水质、保持水土的能力差异，甚至同一森林类型在不同经营管理方式下，也具有不同水文调节效果。大量的水文试验结果也显示，森林类型与径流量密切相关，但是森林影响径流是一个复杂的过程，森林覆盖与径流量并非简单的线性关系，受到森林植被本身以及其他环境因素影响2,4,9。总之，森林植被结构的改变会影响水文过程的变化，而森林水文功能的实现均与森林结构与水文过程变化相关联，因此森林结构与水文过程的响应关系及其作用机制
6、的研究，具有重要意义。2 森林生态系统水文调节过程森林具有高的土壤水分渗透能力，独特的生态系统结构与水文过程，并且森林水文作用在生态系统服务功能中起到了突出的作用，因而森林管理措施和土地利用类型的转变，将会对于水文过程及其服务功能产生显著性的影响3,6。所以，不同类型的森林水文过程研究在热带地区11，温带地区12以及寒温带地区13相继展开。2.1 林冠截留的水文效应 在森林所覆盖的地区，降雨首先被林冠所拦截，然后截留的水分通过蒸发返回空气中。林冠对降水再分配过程是森林生态系统重要的水文生态功能之一，具有重要的水文生态意义14。林冠层对雨水的截留和缓冲作用，明显减少了进入林地的水量，地表径流减少
7、，从而起到削弱洪峰流量、涵养水源的功能，对防止土壤侵蚀有良好的效益。林冠截留量是总降雨量减去林内雨量和树干流量的差值，但是植被对降雨截留和再分配的机制是非常复杂的15。叶的大小、形状11、林冠结构和林分密度16都是林冠截留研究中需要考虑的因子。在多数研究中，林冠截留量与降雨量间具有强相关性，即随着降雨量的增加，林冠截留量增加，而林冠截留率明显减少，但是随着降雨时间的增加，林冠截留逐渐达到最大持水量，即饱和点15。表1 中国不同森林类型林冠截留特征Table 1 Canopy interception characteristics of different forest types in Ch
8、ina序号地点及森林类型郁闭度/%密度/hm-2树龄/a年降水量/mm林冠截留量/mm林冠截留率/%资料来源1乌江中下游, 中亚热带针阔混交林46%3996221109316.428.5%222长江中游, 栓皮栎(Quercus variabillis)58%18860935131.520.8%233云南, 华山松(P.armandi)85%490017900210.620.9%204云南, 圣诞树(Acacia dealbata)84%300061038235.022.7%245岷江上游, 油松(P.massoniana)林90%390023945297.937.0%256海南, 热带山地雨
9、林100%2905410.014.1%177福建, 亚热带常绿阔叶林90%7014862150496.718.5%268广东, 亚热带针阔混交林80%751690477.328.2279广东, 亚热带马尾松(P. massoniana)50%1500240.020.7%1910江西, 亚热带杉木(C.lanceolato)65%1911001700165.015.8%1811江西, 亚热带马尾松(P. massoniana)56%1811001700110.010.2%1812北京, 辽东栎(Quercus liaotungensis)林75%850724117.616.3%2813北京, 落
10、叶阔叶混交林85%724135.018.6%2814山西, 油松(P.massoniana)人工林88%50001257994.225.6%2915山西, 刺槐(Black locust)人工林76%21001457973.219.9%2916陕西, 油松(P.massoniana)人工林80%180045574104.823.73017陕西, 油松(P.massoniana)人工林22503046888.919.0%31不同森林类型的截留率明显不同（表1），但是林冠平均截留率为21.6%，针叶林树冠截留率大于阔叶林2，其中常绿阔叶林对暴雨的截留率为5%20%，对于少量的降雨，截留率可以高达5
11、0%，甚至全部降雨量，截留率变化范围10%20%2,8，热带山地雨林截留率为14%17，温带针叶林为20%40%18，亚热带杉木(Cunninghamia lanceolato)林15%19，亚热带马尾松林(Pinus massoniana)为10%20%19-20，华山松(Pinus armandi)为20.9%21。林冠截留量与树种组成、林冠结构特点、年龄大小、郁闭度、降雨强度、持续时间以及降雨量有关，而林冠截留率的大小随着叶量及月份的不同而表现出明显的季节变化，但对于某一指定林分来讲，林冠截留量主要决定于降雨量8。2.2 树干流的水文效应树干流是降雨沿着树干流至树木根部的水量，是降水量和
12、溶质在植物树干上的空间输入点，避免了雨点对地面的击溅侵蚀14,32。尽管树干流占降雨量比率较低，在定量研究里常常被忽视14，但是有研究也发现树干流达到7.0%17，甚至更高比例9.2%28。树干流作为点输入，改变了降雨水平空间分布，显著的集中降水，增强了树木根部的水分下渗，是植物生长所需的土壤水分的重要来源14,33-34。而且树干流是引起部分化学物质输入土壤的途径之一35，所以树干流在森林水分平衡和养分平衡中占有重要地位33,36。树干流的产量和化学性质是许多复杂因子相互作用的结果。树干流量受到森林树木的种类组成36、林冠面积37、胸径大小25、树皮光滑程度37-38以及雨量雨强和降雨持续时
13、间14,25,39等因素显著影响。而树干流的化学性质随着植物种类36、林冠的结构以及季节动态39而变化。在不同树种之间，树皮的粗糙程度、树枝对于树干的分枝角度和叶子的大小，是造成树干流差异的主要原因38。而在不同森林类型间，树干流量的变化受到气候模式，气象条件和树种组成的影响32。通常，树干流随着降雨量增加而增加25, 39-40，随着降水强度的增加而减小14。还有研究表明，树干流也受到风速和风向39-40的影响。在热带、温带以及干旱半干旱地区，不同特征的植被类型内部或之间，输入到土壤中的树干流量具有较大的变化。一般在降雨量达3 mm以上时出现树干流2。对于平均树干流与降雨量的比值，热带、温带
14、以及干旱半干旱地区分别为3.5%、11.3%和19.0%32。总之，树干流的水量和化学性质是许多复杂变量相互作用的结果，包括气象条件、季节变化、独特植物种类和林冠结构特征。全面的理解每一个影响因子的作用，有利于准确的模拟树干流的水量和养分输入32。2.3 凋落物的水文效应 凋落物层作为森林生态系统独特的结构层次，不仅在森林土壤的发育、生态系统物质循环和能量流动过程中具有重要的作用，而且在调节地表径流、增加入渗、提高土壤的抵抗径流侵蚀能力和消减击溅侵蚀等方面具有显著的生态效应9，因而凋落层在涵养水源和保持水土方面具有十分重要的意义26。凋落物对降水的蓄留量受到凋落物积累量以及半分解层和分解层所占
15、比例的影响5，而凋落物层总量和凋落物种类随着森林类型而变化。中国主要森林类型的凋落物生物量为3.526.8 t/hm2，其变异系数为18%68%，其中冷温型或温型的山地落叶松森林最大，热带山地雨林最小41。不同森林类型的凋落物层截留量存在差异，这与枯枝落叶的种类、厚度、干重、湿度及分解程度有密切关系。在相同的森林类型中，随着林龄的增长，单位面积上枯落叶的蓄积量逐渐增加，其持水量相应增加，而针阔混交林凋落物的持水能力要高于阔叶林或针叶林5。一般，凋落物的持水能力是干重的25倍，而森林枯落物的持水量主要依靠凋落物的数量，但是在一定程度上也受到凋落物的性质影响，这些又与林分特性和生境条件有关5,41
16、。刘广全等5研究黄河流域秦岭主要林分的凋落物发现，锐齿栎林凋落物积累量比油松林和华山松低20.0%左右，而且锐齿栎林凋落物截留量占同期降水的3.8%，而且油松林为4.6%，华山松林为5.0%。而黄土高原人工油松林的枯枝落叶截留率为12.5%，受大气降水和环境因子的影响较大42。林地凋落物层的分解，增加了土壤的有机质含量、改善了土壤理化性质，提高了孔隙率，增强了土壤入渗性能，从而可以明显削减地表径流和冲刷量5。凋落层另一个功能就是提高土壤抗冲刷性和减少土壤的无效蒸发，特别是在干旱、半干旱地区，是提高林分生产力和保持生态系统稳定的有效途径，而且对于土壤表层改良效应明显43。凋落物层不仅能够蓄留穿透
17、降雨，而且能够减少林地水分蒸发、阻滞地表径流、提高土壤渗透性等多方面的水文效应，在森林生态系统水文调节功能中具有重要意义。 2.4 林地土壤的水文效应土壤是森林生态系统水分的主要蓄库，而土壤水与地下水的相互联系，又加大了森林生态系统的调蓄能力17。土壤中全部存储的水分通常被认为是由大孔径滞留的水分以及土壤田间持水量与永久性萎蔫含水量之差的水量所组成8。由凋落物层渗透出的水分进入土壤中，首先补充由于蒸散而引起的土壤水分亏缺，残余的水分滞留在土壤中，之后释放到河流，因而林地土壤水分入渗和水分贮存对森林流域径流形成机制具有十分重要的意义。森林植被明显影响林地土壤的孔隙度，尤其是增加了非毛管孔隙度，从
18、而使森林土壤具有较大的入渗率、入渗量和渗蓄能力，事实上，土壤水分很大程度依靠土壤大孔隙或非毛管孔隙，而不是毛管孔隙，因为土壤大的孔隙是重力水流动的主要通道，因此，它是森林保持水资源的关键41，而林地土壤的质地变化、土壤物理性质的分异以及水分的高入渗性是森林对水分传输调节的具体表现44。热带和亚热带森林土壤的非毛管孔隙度为12%26%，土壤蓄水量为100150 mm；温带和寒温带森林非毛管孔隙度低于12%，土壤需水量为3690 mm41。森林中深厚的枯落物层和良好的土壤透性，能够确保水分的迅速下渗，即使在森林的陡坡上，也很少发生地表径流，而且深层土壤具有保持水分的作用，它可以维持干旱期河流水源供
19、应8，但是在高的降雨量饱和土壤之后，森林流域也会出现地表径流7。在树木生长的过程中，当土壤水分减少时，许多植物表现出减少蒸腾的现象，此时土壤会更加紧密保持剩余水分，以维持流域水文稳定性8。2.5 林地蒸腾蒸发蒸散是一个生态学、水文学和气象学的重要过程，是林木、林下植被和地面这一整体向大气输送的水汽总通量，即森林全部蒸发和蒸腾45。林冠截留蒸发和树木的蒸腾代表了集水区内一大部分的水分损失，是森林水文平衡研究中一项重要因子，是森林水文循环中的主要课题46。关于蒸散的研究工作已有较长的历史，相应也获得了许多的研究成果，总结了一系列计算方法。目前，蒸散量的计算方法较多，大致可以分为水文学法、微气象学法
20、、植物生理学法、红外遥感法和SPAC水分传输模拟法，但仍存在一些尚待进一步探讨的问题47。当前，大多数研究结果表明，包括截留损失在内的森林生态系统的蒸发散量大约占降雨量输入的40%80%2。林地蒸散量受到森林年龄、海拔和降雨量的影响，是生物和环境相互作用的综合结果3,48。一些影响森林蒸散的树木生理特征，会随着年龄而变化，特别是叶面积（影响能量的吸收和降雨量的截留）和边材面积（影响茎流量和蒸腾）在不同树龄中有显著性的变化48，所以在蒸散研究中应该考虑这些因子的变化。森林蒸散量会随着降雨量增加而微弱增加，而相对蒸散率降低，通常相对蒸散率在40%90%之间变化49。但是有研究认为，蒸散量与大于60
21、0 mm的降水量不相关，与小于600 mm的降雨量相关，而且潮湿流域的年蒸散量相对恒定50。林地蒸发受树种组成、密度、林龄及树冠枝叶量等因子影响，而且在生长季节，针叶林地表蒸发变化相对稳定，阔叶林的变化较大5，但是同一种森林类型，在不同管理措施下也会呈现出一定的差异49。林木蒸腾是土壤水分输出的主要形式，受到降水量、气温、相对湿度、光照强度、树龄等各种因子的影响51，树木蒸腾量与树基部的面积有正相关性52，而且森林边缘和内部树木的蒸腾变化也存在显著差异53。森林水分利用的多少会引起的河流流量的变化，而这些变化都可能会影响河流的状况和水生生境54，所以森林水分利用状况变化需引起人们更多的关注。3
22、 展望目前，森林生态系统水量平衡及森林水文各要素功能规律的研究已经取得了一定的成果，所采用的方法逐渐趋于成熟，森林生态系统稳定水文和净化水质的作用已经引起了人们的广泛关注，森林水文调节功能及其评价得到明显重视。但是在森林水文功能研究中，大多采用比较分析方法，同时缺少长期的水文数据来揭示森林土地利用的变化对流域水量和水质的影响，而且关于森林生态系统结构、过程对森林水文调节功能的影响机制研究不够，缺乏深入细致的多因素综合定量分析。今后，需要在以下两个方面加强研究，以期提出最佳的森林管理措施，充分发挥森林的水文调节功能。3.1 森林结构变化与水文过程及调节功能改变的定量研究森林结构与水文过程变化影响
23、其水文调节功能的实现，所以在森林生态系统结构与水文过程研究的基础上，对森林生态系统的水文过程和调节功能的形成进行细致分析，将森林水文过程和功能的改变与植被结构的变化相联系，深入了解水文调节功能实现过程及其生态学机制，这有助于定量研究森林结构和水文过程的变化对其水文调节功能的影响。3.2 森林生态系统水文调节功能的机理研究充分利用森林生态学和水文学的方法和成果，将实验观测与系统模拟相结合，多因素，多尺度综合研究森林生态系统的结构、水文过程对水文调节功能的影响，探索影响水文调节功能实现的主导因子，从而更加合理的开发利用森林资源。参考文献：1 刘世荣, 王兵, 李春阳. 森林生态系统水文生态功能总论
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