森林水源涵養功能研究進展

邵英男 沃曉棠 李云紅 陳 瑤 韓麗冬

(1.黑龍江省森林工程與環境研究所 森林持續經營與環境微生物工程重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081；2.東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

森林水源涵養功能是生態系統服務功能之一，是森林生態功能評價的重要組成部分[1，2]。森林的水源涵養功能是指森林生態系統通過3個作用層，即林冠層、枯落物層和土壤層攔截和滯蓄降水[3],從而起到涵蓄土壤水分、補充地下水、調節林內小氣候、減小林內地表蒸發散和調節河川徑流的作用[4]。因此，森林植被水源涵養功能受物種組成、林分結構、土壤類型、外來干擾等因素的影響很大[5-7]。通過研究森林水源涵養功能，探討森林植被對降雨分配的影響，也為正確評價森林水文生態功能提供科學依據。

目前,森林水源涵養功能研究多見報道,但對其生態作用和作用機制仍缺乏系統全面的認識。因此,在現有研究的基礎之上,對影響森林水源涵養功能的各項因素進行歸納和總結,以期為今后相關方面的研究提供一定的借鑒和指導作用。

1 森林水源涵養功能研究進展

1.1 林冠層

林冠層是大氣降水進入森林后的第一個作用層，是森林蒸發散的重要組成部分，直接影響降水在森林生態系統中的整個循環過程。大量研究表明，林冠截留占總降水量的9.0%～69.1%左右[8-10]。郭永盛等[11]對內蒙古大青山典型植被水源涵養功能進行分析，結果表明：油松林的林冠截留量最大,為0.170mm，落葉松林和白樺林依次為0.104mm和0.052mm。莫菲等[12]對東靈山林區4種森林植被水源涵養功能進行了評價，研究發現：林冠層截留率為12.28%～19.23%，林冠截留能力大小依次為遼東櫟林、落葉闊葉混交林、油松林、華北落葉松林。王黑子來等[13]研究發現，大興安嶺地區森林植被林冠層持水能力為：針闊混交林冠層截留量最高為1 034.83t/hm2，截留率為26.19%；落葉松林林冠層截留量最小，為483.05t/hm2，截留率為15.51%。孫德泉[14]對井岡山國家級自然保護區水源涵養能力進行研究，研究表明：林冠層截留總量為5.29×104t，其中針闊混交林最強，闊葉林最弱。

1.2 枯落物層

森林的枯落物層對降水的調節能力也較強[15]。大量研究結果表明，森林枯落物層持水能力的大小與森林流域的產流機制有著密切的聯系[16]，同時受枯落物的組成、蓄積量、植被類型、林齡、枯落物的分解狀況、降雨特點的影響。研究發現，水分在枯落物層的傳輸機制類似于林冠的截留過程，其截留量與枯落物的種類、蓄水能力有關，與林地單位面積枯落物成正比[17]。陳引珍[18]對三峽庫區森林植被水源涵養功能進行評價，結果表明：不同林型枯落物持水量為灌木林(80.6t/hm2)>針闊混交林(47.11t/hm2)>常綠闊葉林(43.2t/hm2)>楠竹林(33.4t/hm2)。喬玉[19]對遼東山區不同林型枯落物持水能力進行分析，結果表明：落葉松林(61.79t/hm2)>闊葉混交林(50.07t/hm2)>花曲柳林(39.79t/hm2)>紅松林(34.79t/hm2)>針闊混交林(29.56t/hm2)。時忠杰等[20]對六盤山主要森林類型枯落物的水文功能進行研究，結果表明:枯落物的最大持水率為177.68%～387.42%,枯落物層的最大持水量為0.9～7.6mm,最大攔蓄量為0.36～4.96mm,有效攔蓄量為0.23～3.82mm, 均表現為針葉林>闊葉林>灌叢。陳波等[21]研究冀北山地4個海拔梯度的華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林枯落物層的水文效應，結果表明：枯落物總蓄積量、最大持水量、有效攔蓄能力均隨海拔升高而增大,枯落物總儲量在8.19～39.49t/hm2之間,最大持水量在17.76～74.12t/hm2之間,有效攔蓄能力在14.56～54.60t/hm2之間。顧宇書等[22]對渾河上游4種典型林分類型的枯落物持水特性進行了研究，研究表明：枯落物最大持水量的大小依次為日本落葉松人工林(55.93t/hm2)>遼東櫟天然次生林(50.42t/hm2)>核桃楸闊葉混交林(37.84t/hm2)>冷杉針闊混交林(35.84t/hm2)

1.3 土壤層

森林土壤層對降水資源分配格局的影響最為明顯,是森林發揮水文調節作用的主要場所[23]，其截留效應受喬木層、枯落物層的間接影響[24]。森林土壤的水分入滲和森林土壤的蓄水能力是評價森林水源涵養功能的重要參數。林地土壤入滲模型以Philip模型最為常見，該模型成功地描述了土壤入滲和森林水源涵養之間的關系[25]。李婧[26]研究發現：三峽庫區4種主要森林類型土壤層的入滲速率為常綠闊葉林(46.50mm/min)>常綠闊葉+落葉闊葉混交林(24.33mm/min)>落葉闊葉林(21.17mm/min)>暖性針葉林(10.08mm/min) 。張偉等[27]對冀北山地各林分土壤水文效應進行研究，結果發現：土壤最大持水量排序為山楊林(1 709t/hm2)>油松蒙古櫟混交林(1 551t/hm2)>白樺林(1 549t/hm2)>油松林(1 547t/hm2)>華北落葉松林(1 357t/hm2)>蒙古櫟林(1 303t/hm2)；土壤滲透性能排序為:油松蒙古櫟混交林>山楊林>白樺林>油松林>蒙古櫟林>華北落葉松林。張展[28]研究發現：水源頭區域森林土壤最大蓄水量的變化范圍在1 980.48～2 199.56t/hm2之間，木荷—潤楠混交林最大，撂荒地最小。有效蓄水量的大小依次為刺楸—楓香混交林(150.75t/hm2)>木荷—潤楠混交林(146.25t/hm2)>木荷—潤楠混交林(139.12t/hm2) >撂荒地(127.54t/hm2)。各樣地土壤上層(0～15cm)的初滲和穩滲速度變化范圍分別為1.82～8.71mm/min，0.55～3.62mm/min，其中木荷—潤楠混交林的初滲和穩滲系數最大,分別為4.11mm/min和1.43mm/min。顧宇書等[29]對渾河上游4種典型水源林土壤物理性質及水源涵養功能進行研究，結果發現：不同林分土壤最大持水量、毛管持水量和非毛管持水量大小排序為核桃楸—色木槭—花曲柳混交林(1 304.45、908.78、395.67t/hm2)>冷杉—白樺—懷槐(1 252.51、905.26、347.26t/hm2)>日本落葉松純林(1 136.15、832.12、304.04t/hm2)>遼東櫟天然次生林(1 057.27、817.88、239.40t/hm2)。

2 展望

森林生態系統的水源涵養功能及其價值評估是當前生態服務功能研究的熱點問題,同時也是一個極其復雜的難點問題。目前國內關于森林水源涵養功能的研究較多,但與國外相比仍存在很大差距,整體研究水平亟待提高。為此,應特別關注以下兩個方面的研究工作:

(1)從林冠截留研究現狀來看，我國的相關研究尚處于初步階段，只限于把降水特征和林分郁閉度等少數因素作為影響因素，著重研究的是林冠層對月或年的降水截留量大小，而沒有考慮林冠層對一次降雨截留的大小，沒有討論林冠截留與其他因素(如林冠濕潤度、林冠貯水能力、枝葉量等)的相關性。因此，在今后的研究工作中要著重對林冠截留的監測。

(2)從已有的研究可以看出，我國對森林生態系統的降水分配、截留遠未闡明。大多數研究仍局限于對各組分(如林冠層、灌木層、草本層、枯落物等)的監測研究，缺乏對森林生態系統大尺度的監測研究。所以我們還無法科學、準確地闡明森林生態系統的水文過程和機制。因此，我們要進行多學科、全方位、多層次的綜合研究，更好地闡述森林生態系統對降水分配和截留的作用機制。

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