森林水文生态效应研究综述引言随着人类对自身生存来自环境的压力与日俱增的认识逐渐加深,森林作为工业社会的主要材料来源之一的生态学后果的突现,人们对森林与林业对人类生存与发展显示的重要作用产生了新的认识,使得林业经营与发展进入更为注重生态与社会效益的经营利用观。
森林生态效益的产生与其对生物地球化学循环动力( 能量)与介质(水文循环与大气循环)的影响密切相关, 揭示森林植被的水文生态效应,可以为森林经营、流域管理、景观管理、自然保护、山地防灾、水资源利用和土地利用规划等提供科学依据。
本文首先介绍国内外研究现状，再主要介绍研究问题及成果：即从森林植被对水量、径流泥沙和水质的影响等方面。
1国内外研究现状1.1 国外森林水文生态效应研究情况国外在森林对水量和水质的影响方面都有较系统的研究。
美国研究的重点集中在植被的保护和更新方面, 森林流域水文规律的研究大约占30 %。
加拿大主要研究各种自然因素对融雪径流、降雨径流的影响。
英国、澳大利亚采用对照流域法, 对林地的蒸腾、蒸发有较多的研究。
日本很重视森林的防护效能, 主要研究森林的水源涵养机能和森林保持水土的作用。
前苏联集中研究大流域的森林水文效应, 探索表现成因机制和发生过程的区域水平衡的计算方法, 利用现代数学工具建立蒸发计算模型, 通过遥感图像的水文地质解译、电模拟法进行地表水与地下水转化的研究。
中欧各国着重研究森林对酸雨、地表和地下水水质的影响。
1.2 国内森林水文生态效应研究的情况中国近期的森林水文研究是上世纪20年代( 1924~ 1926)，前金陵大学美籍学者罗德民博士和李德毅先生等在山东、山西、河南、安徽等地观测研究不同森林植被对雨季径流和水土保持效应的影响。
到了上世纪70~ 80 年代, 在我国西北地区、秦岭、祁连山林区, 东北林业大学在小兴安岭凉水自然保护区的红松林、帽儿山的落叶松林, 湖南省会同县及江西省分宜县的杉木人工林,海南岛尖峰热带季雨林区,相继开展了有关森林水文生态效应方面的研究,并开始了水质的鉴定。
在森林与水量平衡方面, 我国的研究多属于小尺度的分析,包括小森林流域或小森林区域的水量平衡、水文要素的制图与分析。
研究森林与侵蚀和泥沙的内容也较多, 而对森林对于水化学性质影响的较少。
我国从60 年代以后继续开展了森林水文生态作用的集水区研究，研究的内容主要集中在探讨森林植被覆盖率变化与流域径流量变化的关系。
2 主要研究问题及成果2.1 森林植被对水量的影响从森林植被对降水—汇流过程的影响出发, 森林植被对水量的影响可分为林冠截流、枯枝落叶层截持水、林地土壤水分入渗及贮水、林地蒸发散等方面。
2.1.1 林冠截流林冠截流以及截持雨量的蒸发在森林生态系统水文循环和水量平衡中占有极其重要的地位。
林冠截流损失比灌木和草本截流损失大的原因有两个: 一是林冠具有较大的截流容量: 二是林冠具有较大的空气动力学阻力进而增加截持雨量的蒸发。
国外一般认为温带针叶林林冠截流率在20% ～40%之间。
我国学者对地跨我国南北不同气候及其相应的森林植被类型林冠截流率的分析研究表明, 截流率变动范围在11.4%～34.3%,变动系数6.68%～55.05% ,其中以亚热带西部高山常绿针叶林最大,亚热带山地长绿落叶阔叶混交林最小。
林冠截流损失受多种因素的影响,其中包括降雨频率、降雨强度、降雨历时、树种、林龄、林分密度、林冠蒸发能力、林冠构筑型等诸多方面。
正如生态系统、水文过程一样, 林冠截流损失具有时间和空间异质性, 因此如何建立描述林冠截流的理论或经验模型, 并将其整合到流域水文模型中是林冠截流研究的目标。
另一方面, 林冠透流和截流的时空异质性对于研究大气降水化学物质的输入、可溶性物质的淋溶以及森林植被对水质的影响从取样到通量的确定都具有十分重要的意义。
2.1.2 森林枯枝落叶层截持水研究森林枯枝落叶层吸持水量动态变化在森林水文循环中的意义在于其对林冠下大气和土壤之间水分和能量传输的影响。
森林枯枝落叶层具有较大的水分截持能力从而影响到穿透降雨对土壤水分的补充和植物的水分供应。
此外, 枯枝落叶层具有比土壤更多更大的孔隙, 因此其水分也就更易蒸发。
不同类型的森林枯枝落叶层吸持水分的蒸发占林地总蒸发散的3%～21%。
采用Lysimeter 测定枯枝落叶层的水分蒸发,并采用Penman- Mo nteith方程模拟了枯枝落叶层水分蒸发速率和枯落物表面到1 m 高大气温度的差异, 取得了较好的效应。
枯枝落叶层吸持水的重要意义还在于其对森林植被养分的供应上, 枯枝落叶层的氮化和矿化速率随其含水量的增加而提高[18]。
枯枝落叶层含水量具有明显的时空变异性,从而增加了研究的难度。
森林枯枝落叶层吸持水能力的大小与森林流域产流机制密切相关,并受枯落物组成、林分类型、林龄、枯落物分解状况、累积状况、前期水分状况、降雨特点的影响。
我国的研究结果认为,枯枝落叶吸持水量可达自身干重的2-4倍,各种森林枯落物的最大持水率平均309.54%。
孔立达等在黄土高原人工防护林枯枝落叶层吸持水量的研究表明,其持水容量小于191%,而且还建立了计算枯落层截持水量的经验方程。
2.1.3 林地土壤水分入渗及贮水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。
一般而言, 森林土壤具有比其他土地利用类型高的入渗率,良好的森林土壤其土壤稳定入渗率高达8.0cm/ h以上。
我国的研究成果表明,林地土壤具有较大的孔隙度,特别是非毛管孔隙度大,从而加大了林地土壤的入渗率、入渗量, 对林地入渗过程的模拟Philip 模型为主。
林地贮水作为森林水源涵养作用的一个重要评价指标,目前国内一般使用林地土壤非毛管空隙饱和含水量来计算,据研究每公顷森林土壤能蓄水641～678t。
2.1.4 林地蒸发散林地蒸发散是森林生态系统水分循环与能量平衡中最为重要的因素之一, 森林变化引起流域产水量的变化与森林蒸发散密切相关,一般认为,森林具有比其他植被更大的蒸腾量, 加之森林冠层与枯落物截持损失是森林减少引起流域产水量增加最为主要的原因。
因此,准确测定或计算林地蒸发散的时空变化对于评价森林水文循环影响机理和流域水文模型开发,对制定合理的森林经营管理方案具有十分重要的意义。
然而,由于影响森林生态系统蒸发散的因素众多, 且具有极大的时间变异性和空间异质性,将较小尽度的田间试验结果外推到较大的坡面或流域尺度势必影响其准确性。
林地蒸发散是由辐射交换、水气传输和生物生长发育等过程组成的。
最为精确的测定方法是采用蒸发仪,但由于其在野外实际应用中的局限性并未被广泛采用。
森林蒸发散研究广泛采用的方法包括: 水文学方法; 气象学方法; 土壤水动力学方法; 植物生理学方法。
水文学方法就是基于系统水量平衡方程通过测定降雨量、深层渗漏项、地表径流项以及土壤水分储存动态变化项来求得系统蒸发散量。
我国60年代初开始了森林蒸发散的研究工作,大多数研究结果表明, 包括截流损失在内森林生态系统的蒸发散量大约占降雨量输入的40% ～80%。
康文星等采用乱流扩散法对杉木人工林蒸散规律进行了研究, 结果表明,杉木人工林年平均蒸散量占年降雨量的82.2% ,其中林冠蒸散量占总蒸散量的89.3% ,林地蒸散量占总蒸散量的10.7%,与用水量平衡法计算所得的总蒸散量非常接近。
2 森林植被对径流泥沙的影响通过对湖北黄岗地区水土保持试验站实测资料的分析得出: 森林可消减年侵蚀深度的94.7%,而且降水量分别为32.2mm和121.6mm时, 森林拦沙作用只下降了3.2% ,说明森林的减沙作用是稳定的。
侯喜禄通过径流小区试验得到: 与农地相比,柠条林减少泥沙99%,刺槐林减少98%～99%,沙打旺减少85%～95%。
魏秉玉通过小流域实验资料认为森林减沙效应随森林覆被率的增加而增加的情况非常明显,即使在森林覆被率不太大的情况下,减沙效果也是显著的。
森林覆盖率达30%的流域较无林地流域减少输沙量60%。
刘永宏等对呼和浩特大青山不同森林类型的径流和泥沙流失的观测结果是: 覆盖率较高的天然白桦次生林与人工油松成林的保水保土能力最强, 涵养水源效果最好。
与荒坡对照相比, 白桦林、油松成林分别减少地表径流96.49%和97.60%,而油松幼林与灌木林均减少64%左右; 白桦林、油松成林减少地表冲刷的百分比均在99.9% 以上,几乎完全控制了土壤流失。
马雪华研究了森林采伐与河流泥沙悬移质的关系,认为在泯江上游采伐森林, 可使河流年平均含沙量增加1～3倍。
海南岛尖峰岭热带季雨林地的刀耕火种地的径流含沙量较有林地高了3倍。
在防护林( 人工林) 水土保持效益研究领域内, 我国因其特殊的自然与社会经济条件,研究的比较深入和广泛。
从研究的区域上看, 几乎遍布我国南北山区, 从寒温带、温带的东北山地, 到暖温带的黄土高原、亚热带的秦岭—淮河以南广大地区, 以及热带区域。
所研究的树种基本上涉及了这些区域极具代表性的森林植物种。
这些研究是与水文生态研究同步进行的。
从研究的方法上看,观测试验研究占绝对优势。
标准径流小区、自然坡面集流区、小流域等空间尺度的实地观测研究仍是最为广泛采用的研究方法。
采用人工模拟降雨来研究不同人工林植被群落的防蚀效益, 在干旱、半干旱等降水较少的地区作为天然降雨观测的补充也有较广泛的应用。
在理论研究方面, 有从能量角度研究林冠对降雨动能的影响;有从力学的角度分析林木根系在坡体稳定上的作用来研究林木控制重力侵蚀的作用;也有从林地地表糙率的研究来分析林地地被物对径流流速的阻延作用;还有从坡面侵蚀物理过程为出发点,建立描述有林地和无林地的坡面降雨侵蚀数学物理模型,经一系列简化,获得模型参数值,进而评价林木对土壤侵蚀的控制作用。
在统计模型或经验模型研究方面,金争平等采用通用流失方程,在测定了灌木林地的C值基础上,预报灌木林地的水土流失;李春阳等采用钉子法、色环法、对比法、量沟法测定了帽儿山地区不同地表的表土流失样本96个,将植被持水量与凋落物吸水量作为自变量建立了土壤流失的非线性回归模型,阐述了林地控制水土流失的作用。
从研究的结果上看,林地控制水土流失均具有十分显著的作用,尽管这种作用在不同地理区域、不同树种、不同类型的人工植被群落产生一定的变化。
湖北省黄岗地区水土保持站(花岗岩地区)的实测资料表明,造林可以减少侵蚀量91.5%以上。
北京林业大学在山西吉县黄土高原的观测结果表明:沙棘与虎榛子林地土壤侵蚀量为2.59t/(km2·a),油松剌槐混交林地为7.48t/(km2·a) ,剌槐林地为19.47t/( km2·a) ,油松林地为16.75t/( km2·a),荒草地为52.75t/(km2·a),裸地为177.8t/(km2·a),以油松剌槐混交林地为例可减少土壤侵蚀约96%。