基于能量原理分析森林植被對(duì)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(yè)局，鐵力152500;2.東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱150040)

森林是陸地上分布面積最大、組成結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、生物多樣性最豐富的生態(tài)系統(tǒng)，具有多種功能和價(jià)值，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體［1］。森林植被作為構(gòu)建生態(tài)環(huán)境的主要因子，在調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)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(guò)根系固著土壤顆粒，然后經(jīng)土壤微生物作用來(lái)改善沙地土壤狀況，減少風(fēng)蝕，防止水土流失和流沙擴(kuò)展，改良土壤的養(yǎng)分狀況。早在1971年，美國(guó)學(xué)者Ellson就通過(guò)對(duì)森林植被保持水土方面的研究，認(rèn)識(shí)到植被對(duì)土壤的保護(hù)作用是由于它使降落的雨滴減少或喪失了動(dòng)能［2］。同樣，1989年國(guó)內(nèi)也有研究顯示有林地可以降低風(fēng)速40%60%，并有效緩解沙塵和土壤侵蝕［3］。同時(shí)森林植被能夠提高蒸發(fā)量并減少水的產(chǎn)流量，這與草地和農(nóng)作物覆蓋下的集水區(qū)是相同的。在2000年，澳大利亞學(xué)者Robert A Vertessy和南非學(xué)者Peter J Dye就森林植被對(duì)集水區(qū)水量平衡及水土流失的影響方面展開(kāi)研究［4］，認(rèn)為受森林覆蓋變化影響的產(chǎn)水量主要隨著年降水量和森林類型而變化，同時(shí)在一定程度上受當(dāng)?shù)匦夂驐l件的影響，主要是由于林冠的降水截留作用。通過(guò)林冠截留降雨外，也影響著森林水文過(guò)程［5］。裸地與有植被覆蓋地降雨水文過(guò)程對(duì)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(shì)必引起地表?yè)魹R，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(dá)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(guò)程對(duì)比圖Fig.1 Contrast of rainfall hydrological process between exposed land and vegetation land

由此可見(jiàn)森林植被在水土保持方面意義重大，而探明森林植被防風(fēng)固沙、遏制水土流失的原理可以指導(dǎo)人們科學(xué)合理的開(kāi)發(fā)利用森林資源，有針對(duì)性的開(kāi)展水土流失治理工作。在追求森林經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值的同時(shí)順應(yīng)自然規(guī)律，讓森林更好的發(fā)揮它的生態(tài)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(xiàn)實(shí)意義。

1 森林資源的增加對(duì)環(huán)境的積極影響

1.1 我國(guó)森林資源變化趨勢(shì)

基于森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，林業(yè)在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中有著舉足輕重的地位，人們對(duì)林業(yè)的重視程度逐年提高。從建國(guó)以來(lái)到2008年為止，我國(guó)林業(yè)部于1962年開(kāi)始，歷時(shí)12年完成了1次徹底的全國(guó)森林資源整理統(tǒng)計(jì)匯總，并隨后連續(xù)7次進(jìn)行了全國(guó)森林資源清查［6－8］。在延續(xù)了近30a的全國(guó)森林資源清查工作中，隨著使用的儀器設(shè)備越來(lái)越先進(jìn)和精確，所考察的項(xiàng)目也越來(lái)越豐富，得到的數(shù)據(jù)也越來(lái)越完善。每次全國(guó)森林資源清查結(jié)果，都不同程度地客觀的反映了當(dāng)時(shí)全國(guó)森林資源的現(xiàn)狀，如表1所示。

表1 全國(guó)森林資源清查結(jié)果匯總表Tab.1 The summary of national forest inventory result

可從表1中觀測(cè)到歷年來(lái)森林資源消長(zhǎng)變化動(dòng)態(tài)為:全國(guó)森林面積由12 186萬(wàn) hm2增加到19 545.22萬(wàn) 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(shí)，隨著政策的推進(jìn)和國(guó)家投入力度的加大，我國(guó)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(guó)森林資源總量位于世界前列，但人均占有量很低。我國(guó)森林面積居世界第五位，森林蓄積量列第七位。但我國(guó)的森林覆蓋率只相當(dāng)于世界森林覆蓋率的61.3%，全國(guó)人均占有森林面積相當(dāng)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(zhì)量不高，單位面積蓄積量指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界林業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家水平。林齡結(jié)構(gòu)不合理，可采資源繼續(xù)減少，這對(duì)后備資源培育構(gòu)成極大威脅。同時(shí)從第4次清查中就體現(xiàn)出林地被改變用途或征占用作非林行業(yè)數(shù)量巨大，清查期間最高林轉(zhuǎn)非面積高達(dá)1 010.68萬(wàn)hm2，而且據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)近年來(lái)林轉(zhuǎn)非面積也在持續(xù)擴(kuò)大［9］。因而針對(duì)清查中發(fā)現(xiàn)的種種問(wèn)題，國(guó)家林業(yè)部門(mén)也出臺(tái)很多的政策，并采取措施及時(shí)補(bǔ)救出現(xiàn)的問(wèn)題，確保森林更好的發(fā)揮其生態(tài)作用。

1.2 我國(guó)水土流失方面問(wèn)題嚴(yán)峻

水土流失，是指在濕潤(rùn)或半濕潤(rùn)地區(qū)，由于植被嚴(yán)重破壞導(dǎo)致的，土壤及其他地表組成物質(zhì)在水力、風(fēng)力、凍融、重力和人為活動(dòng)等作用下，被破壞、剝蝕、轉(zhuǎn)運(yùn)和沉積的過(guò)程。一般水土流失強(qiáng)度分為:輕度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度、劇烈5個(gè)等級(jí)［10］。我國(guó)大部分地區(qū)屬于季風(fēng)氣候，大部分地區(qū)屬于濕潤(rùn)或半濕潤(rùn)地區(qū)，降水量集中，雨季降水量常達(dá)年降水量的60%～80%，且多暴雨，具有易于發(fā)生水土流失的地質(zhì)地貌條件和氣候條件，因此水土流失現(xiàn)象在我國(guó)十分嚴(yán)重。如表2全國(guó)不同時(shí)期水土流失面積統(tǒng)計(jì)表所示，每次數(shù)據(jù)采集體現(xiàn)的水土流失面積都大的驚人，以1985年采集到的水土流失數(shù)據(jù)1 794 169.22 km2相當(dāng)于179個(gè)中等足球場(chǎng)的面積，可見(jiàn)水土流失面積之廣。水土流失帶來(lái)的后果是土壤的養(yǎng)分 (即土壤中的N、P、K、腐殖質(zhì)等)隨之流失，使土地變貧瘠、變荒漠化而無(wú)法種植農(nóng)作物，或在干旱地區(qū)引發(fā)沙塵天氣等。尤其在我國(guó)水土流失較為嚴(yán)重的河源區(qū)，其脆弱的生態(tài)環(huán)境退化趨勢(shì)正在加重，生態(tài)問(wèn)題十分突出。水土流失面積每年平均新增21萬(wàn)hm2，侵蝕程度日趨嚴(yán)重。目前，黃河源區(qū)的土壤侵蝕最為嚴(yán)重，水土流失面積達(dá)750萬(wàn)hm2，占整個(gè)黃河流域水土流失面積的17.5%。每年輸入黃河的泥沙超過(guò)數(shù)千萬(wàn)噸，而黃河每年向下游的輸沙量達(dá)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(jù)統(tǒng)計(jì)，建國(guó)以來(lái)我國(guó)因自然災(zāi)害造成的損失約25 000多億元，年均災(zāi)害損失約占年均GDP的3%6%，占財(cái)政收入的 33%左右［10］。

而隨著治理力度的加大，對(duì)照表1中第36次森林資源清查數(shù)據(jù)，在森林面積和森林覆蓋率有所提高的同時(shí)，我國(guó)的水土流失問(wèn)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(zhǎng)［11］，但漲幅不足0.4%。

表2 全國(guó)不同時(shí)期水土流失面積統(tǒng)計(jì) km2Tab.2 Statistics of soil erosion area in different time km2

圖2 森林破壞與水土流失循環(huán)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(xiàn)

由于我國(guó)人口多，糧食、民用燃料需求等壓力大，在生產(chǎn)力水平不高的情況下，對(duì)土地實(shí)行掠奪性開(kāi)墾，片面強(qiáng)調(diào)糧食產(chǎn)量，忽視因地制宜的農(nóng)林牧綜合發(fā)展，把只適合用于林、牧業(yè)利用的土地也辟為農(nóng)田。大量開(kāi)墾陡坡，以至陡坡越開(kāi)越貧，越貧越墾，生態(tài)系統(tǒng)惡性循環(huán);過(guò)度放牧現(xiàn)象、或?yàn)E砍濫伐森林，甚至亂挖樹(shù)根、草坪，樹(shù)木銳減，使地表裸露，這些都加重了水土流失［12］。使我國(guó)的生態(tài)陷入了圍繞農(nóng)業(yè)、林業(yè)和水土流失的惡性循環(huán)中，如圖2所示。另外，某些基本建設(shè)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(wěn)定性降低，甚至引發(fā)滑坡、塌方、泥石流等更嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。

可見(jiàn)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(wù)是加強(qiáng)林業(yè)方面的建設(shè)，在保護(hù)天然林的同時(shí)擴(kuò)大植樹(shù)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(guó)累計(jì)完成水土流失初步治理面積92萬(wàn)km2，其中建設(shè)基本農(nóng)田1 300萬(wàn)hm2，營(yíng)造水土保持林460萬(wàn)hm2，使我國(guó)水土流失現(xiàn)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(xù)深入探討。

2 對(duì)森林植被保持水土原理的一點(diǎn)看法

2.1 土壤水研究中自由能的引入

水土流失從物理學(xué)角度看來(lái)，是一定條件下外營(yíng)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(zhì)被沖蝕、轉(zhuǎn)運(yùn)、剝離原土層。在很多關(guān)于土壤水的研究中，常常把水作為一個(gè)系統(tǒng)，把土壤固相和空氣作為環(huán)境來(lái)處理，此時(shí)土壤、水、環(huán)境之間存在能量交換。而根據(jù)熱力學(xué)第一、第二定律，一個(gè)封閉系統(tǒng)在等溫等壓過(guò)程中，所作的非容積功等于 (可逆過(guò)程)或小于 (不可逆過(guò)程)自由能的減少，因此自由能是指系統(tǒng)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(dá)如公式 (1)所示。

式中:δWf為系統(tǒng)對(duì)環(huán)境所作的非容積功，dU為熱力學(xué)狀態(tài)函數(shù)的全微分，pdV=Wa其中p為常量，T表示絕對(duì)溫度為常量，dS為系統(tǒng)的熵變。

一般研究的是等溫等壓 (可逆)過(guò)程，T、p為常量，即:－

令G=U+pV+TS，G為自由能，也是一個(gè)狀態(tài)函數(shù)，則有有:

當(dāng)對(duì)于研究的不可逆熱力學(xué)過(guò)程，由于系統(tǒng)在變化過(guò)程中從環(huán)境吸收的熱量小于TdS，因此有:

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

2.2 土壤水的自由能

依然以水為系統(tǒng)，把土壤固相和空氣作為環(huán)境研究，當(dāng)純凈的自由水進(jìn)入土壤中成為土壤水時(shí)，其能量狀態(tài)也發(fā)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(tǒng)對(duì)環(huán)境所作的非容積功，－δWf則表示環(huán)境對(duì)系統(tǒng)所作的非容積功。環(huán)境(土壤固相和空氣)對(duì)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(duì)水做的功為mgdz，m為水的質(zhì)量，g為重力加速度，dz為高差。其他因素對(duì)水作的非容積功均以強(qiáng)度因素Y(如機(jī)械功中的力)和容積因素dX(如位移)的乘積來(lái)表示，則上式可表示為:

以上分析均假定系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，沒(méi)有質(zhì)量交換，即土壤水的物質(zhì)組成和濃度不變。而實(shí)際上水是含有各種溶質(zhì)的，若含有的各種溶質(zhì)濃度發(fā)生變化，勢(shì)必影響土壤水的自由能。若以ni表示第i種溶質(zhì)的濃度，則土壤水自由能為:

若以1 mol水作為分析對(duì)象，則有:

由此可以從能量角度分析水土流失過(guò)程中土壤水的運(yùn)動(dòng)情況，以及森林植被抑制水土流失的微觀過(guò)程。

2.3 土壤水特性曲線

基于以上分析，土壤基質(zhì)勢(shì)隨土壤含水量的不同而變化。根據(jù)土壤水特性曲線，可以分析土壤水非飽和狀態(tài)下的能態(tài)與數(shù)量間的關(guān)系圖，是分析土壤水保持和運(yùn)動(dòng)的基本資料。

如圖3所示Sa稱為進(jìn)氣吸力 (或進(jìn)氣值)，當(dāng)土壤飽和時(shí)，土壤基質(zhì)勢(shì) (或土壤基質(zhì)勢(shì)吸力)為零。如果對(duì)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(méi)有水流出。當(dāng)吸力逐漸增大直到超過(guò)某一臨界值Sa時(shí)，土壤中的大孔徑開(kāi)始排水使土壤含水量減少。當(dāng)吸力進(jìn)一步的提高，土壤中更多的相對(duì)大的孔徑不能繼續(xù)持水而排出水來(lái)，土壤水分進(jìn)一步減少。這一過(guò)程持續(xù)進(jìn)行，土壤吸力持續(xù)提高，土壤基質(zhì)勢(shì)持續(xù)降低，土壤含水量持續(xù)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(shí)根系的吸水力大于土壤對(duì)毛管水的吸力，所以水被植物吸收，其中溶解的養(yǎng)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(nèi)團(tuán)聚體數(shù)量等因素影響，土壤顆粒的直徑和體積越細(xì)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(yùn)動(dòng)越順暢，可為植物根系的伸展提供空間，為土壤動(dòng)物的活動(dòng)提供通道。但是土壤孔徑過(guò)大會(huì)使其毛管力降低從而不利于土壤持水。土壤內(nèi)團(tuán)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(fēng)化過(guò)程的典型產(chǎn)物。土壤團(tuán)聚體內(nèi)部存在大量的毛管孔隙，吸水力強(qiáng)，能儲(chǔ)存很多水分，且大部分水分和某些有效養(yǎng)分都被吸持在粘粒的表面，使粘粒在土壤中起著水分和養(yǎng)分儲(chǔ)存庫(kù)的作用，因此土壤團(tuán)聚體越多越利于土壤持水。即土壤團(tuán)聚體越多，土壤質(zhì)地愈粘重，表面積愈大，土壤孔徑越小，愈利于土壤基質(zhì)持水。

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合以上我國(guó)歷年來(lái)森林資源清查數(shù)據(jù)和水土流失面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果，隨著森林植被的破壞，我國(guó)的水土流失現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重，同時(shí)隨著森林面積的增加，水土流失現(xiàn)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(zhì)等一系列過(guò)程中，都不同程度的影響土壤水的運(yùn)動(dòng)，從而提高土壤持水量，抑制地表徑流，防止水土流失。

［1］亢新剛.森林資源經(jīng)營(yíng)管理［M］.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，2006.

［2］N W Hudson.Soil Conservation［M］.Cornell University Press，New York，1971.

［3］國(guó)家林業(yè)部編纂.中國(guó)林業(yè)年鑒［M］.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，1989.

［4］Robert A Vertessy，Peter J Dye.Effects of Forest Cover on Catchment Water Balance and Runoff Dynamics［M］.Forest and Society:The Role of Reserch，2000.

［5］張青春，劉寶元，翟 剛.植被與水土流失研究綜述［J］.水土保持研究，2002，9(4):96 －102.

［6］梁成喜.第四次全國(guó)森林資源清變結(jié)果新聞發(fā)布會(huì)［N/OL］.林業(yè)宣傳與出版，1993:225－225.

［7］第五次全國(guó)森林資源清查結(jié)果表明我國(guó)森林面積、蓄積持續(xù)雙增長(zhǎng)［J］.新疆林業(yè)，2000(6):41－42.

［8］國(guó)家林業(yè)網(wǎng).http://www.forestry.gov.cn/.

［9］第六次全國(guó)森林資源清查結(jié)果［N/OL］.中國(guó)林業(yè)生物質(zhì)能源網(wǎng) http://swzny.forestry.gov.cn/2006/10/02.

［10］中國(guó)水土保持生態(tài)建設(shè)網(wǎng).［N/OL］http://www.swcc.org.cn/.Topic_desc.2011/5/6.

［11］李智廣，曹 煒，劉秉正，等.中國(guó)水土流失現(xiàn)狀與動(dòng)態(tài)變化.中國(guó)水土保持［J］.2008(12):7－10.

［12］中國(guó)自然資源叢書(shū)編撰委員會(huì).中國(guó)自然資源叢書(shū)－森林卷［M］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2010.

［13］鄂竟平.中國(guó)水土流失與生態(tài)安全綜合科學(xué)考察總結(jié)報(bào)告［J］.中國(guó)水土保持，2008(12):4 －6.

［14］秦耀東.土壤物理學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2003.

［15］趙成義.作物根系吸水特性研究進(jìn)展［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象，2004，25(2):39 －42.

［16］李法虎.土壤物理化學(xué)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［17］岳 輝，李志真，鐘炳林.水土流失區(qū)芒箕生長(zhǎng)與土壤微生物區(qū)系研究［J］.林業(yè)科技，2009，34(6):22 －26.

［18］郭樹(shù)平.東北亞地區(qū)協(xié)調(diào)發(fā)展中的森林和水資源保護(hù)問(wèn)題［J］.林業(yè)科技，2010，35(1):59 －61.

［19］Jury W A，Gardner W R，Gardner W H.Soil Physics.New York:John Wiley ＆ Sons，Inc.1991.

［20］宋啟亮，董希斌，李 勇，等.采伐干擾和火燒對(duì)大興安嶺森林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響［J］.森林工程，2010，26(5):4 －7.

［21］趙玉濤.論退耕環(huán)林工程森林經(jīng)營(yíng)管理［J］.林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2010，35(2):45 －47.