森林流域水文過程研究進展

溫林生，鄒 芹，萬媛媛，白天軍

(1.江西農業大學林學院/鄱陽湖流域森林生態系統保護與修復實驗室，江西 南昌 330045；2.江西廬山國家級自然保護區管理局，江西 九江 332900)

1 引言

流域，指由分水線所包圍的河流集水區，分地面集水區和地下集水區兩類。目前，全球溫度上升、極端氣候的增加，導致陸地水資源面臨嚴峻挑戰[1]。環境的變化與人類活動的加劇，導致眾多流域內徑流量、地下水發生了不同程度的變化，不同區域湖泊等生態環境遭受嚴重破壞[2]。越來越多的科學家聚焦于流域水文方面的研究。早在1963年，流域試驗研究在IPH(國際水文計劃)中被確定為核心內容之一，各國的水文試驗等研究內容得到了進一步的交流，與此同時，并將陸地生態水文過程的研究(生態與水文過程的耦合)作為重點攻克的目標[2]。

早在20世紀50、60年代，我國各地相繼組建了大量流域水文試驗研究站，幾十年來連續的觀測為水文科學積累了寶貴的觀測資料。基于流域水文通量(降水、徑流、蒸散等)觀測數據的聯系及其規律，為更好的理解水文現象、規律提供了科學數據支持，為揭示流域水文過程與生態的耦合機制奠定了基礎，對陸地淡水資源的管理與開發、水文過程循環及其驅動機理等研究方面具有重要的理論和實際意義[5]。隨著社會的發展與科技的不斷進步，流域水文的研究手段較傳統流域水文發生巨大變化，研究內容也愈加深入。

本文將從森林流域水文的過程與研究方法入手，基于前人對流域水文的研究成果，綜合分析，指出現有研究流域森林水文過程的機理研究等方面亟待解決的問題，為全面理解流域生態系統水循環及其對全球氣候變化響應機制提供科學依據。

2 森林水文過程

森林是陸地生態系統的重要組成部分，與水相互影響、促進共同構成了森林生態系統、形成了獨特的森林水循環[6, 7]。氣候變化是水文過程改變的驅動因子，氣候變化通過改變降雨、蒸發、徑流和土壤含水量等水文變量，這些變化將導致水資源的時空再分配，進而影響水的供需平衡[8]；氣候變化引發的區域水環境變化對森林生態系統產生顯著影響[8]，并一定程度加大了森林與水的耦合機制及其尺度效應等復雜關聯[10, 11]。氣候變化作為水文過程背景以及起點，為正確理解森林覆蓋變化或是說下墊面變化對特定范圍內的時空尺度生態水文過程、水資源數量和水資源質量的影響增加了不少困難。降雨是森林生態系統的水文循環的起點，關乎徑流產量及滯留[12]；降水格局的變化則會影響森林植物對水分的吸收利用[13]，但森林具備改善氣候的能力也將影響局部降雨分布[14]，此外森林植被的地下部分通過根系吸水，森林植被地上部分通過葉面吸水以及氣孔蒸騰等，這些生理活動都直接產生水文過程；森林植被也通過豎直方向的冠層截留、莖干液流以及枯落物的攔蓄和水平方向的群落不同形式的分布對降水、下滲、形成徑流等過程產生直接的水文作用等形成森林調控水資源的動態平衡[15, 16]。

3 基于流域尺度對森林水文過程的研究方法

如圖1所示，流域內的水文循環從降雨為起點，經歷流域內的植被攔截、地被的攔蓄以及土壤的蓄滲，除卻生態系統的存量，其余以地上徑流與地下水的形式流出流域，與此同時，各個層次的蒸散時刻都在進行。

圖1 森林流域水文過程

3.1 森林林冠截留過程理論與方法

降雨是森林水文循環的起點，降雨與后續的森林水文過程的發生具有密不可分的聯系。降雨自天空滴落，在森林生態系統中最先發生的是森林冠層對降水的截留作用，林冠截留是影響森林流域徑流產量平衡的重要因子。刁一偉等[17]研究發現，森林對降雨截留量與降雨總量的比值通常在10%～30%之間，但在某些地區由于森林植被的類型、林分密度、林分結構以及氣象等原因，森林對降雨截留量與降雨總量的比值可達到50%[18]。森林截留量受到降雨特征、森林自身特性以及地形、海拔、坡度坡向調控，一般在流域尺度以模型模擬方法計算，通常分為經驗模型、半經驗模型以及理論模型(表1)[17, 19～22]。

表1 三類森林截留模型

3.2 森林蒸散理論與方法

蒸散在森林流域水文循環中是時刻發生的一個過程，在于植被層、枯落物層以及土壤層3個層均有發生。目前，森林蒸散的研究明顯比農田蒸散研究滯后，因而對蒸散的研究大多理論與方法都以農田蒸散研究為基礎的假設之上，但農田的假設與森林的假設具有較大的不一致性，導致人沒有相對便準的方法，但也涌現出較多計算流域蒸散的方法與模型(表2)[23, 24]。

表2 森林蒸散理論與方法

3.3 土壤蓄滲過程理論與方法

土壤的蓄滲是流域水文循環的重要組成部分，也是森林涵養水源的主體，其重要性不言而喻。目前，已有較多的學者基于技術的進步而轉向開發、利用相關模型來計算、模擬流域內土壤水分下滲的水文過程機制。土壤水分的蓄滲模型主要分為三類[17, 25]：物理模型(基于物質守恒原理和Darcy定律)；半經驗模型(基于系統的方法，運用連續方程和下滲-積累下滲量的關系)；經驗模型(基于實驗和野外數據的統計分析)(表3)。

表3 土壤蓄滲過程理論與方法

4 森林與徑流的關系

下墊面主要為森林流域內，產流量是森林涵養水源的直接體現，但森林與徑流的關系一直是生態學與水文學領域的熱點和難點問題，針對森林是否有利于增加徑流產量至今仍存在較大爭議[26-28]，現今主要存在森林對產流有積極、消極以及無顯著作用3種觀點[6, 27, 28]。

4.1 森林植被對徑流流量的正向作用

張慶費[29]研究發現黑龍江旺河和呼蘭流域的森林植被具有顯著增加徑流量，在東北地區還有Wang等[30]學者綜合研究分析得出該地區的森林覆蓋率和徑流系數呈顯著正相關(R2=0.77，P<0.05)；Chaves等[31]在亞馬遜地區研究發現，森林砍伐后增強了河流對降雨的響應，增加了河流流量，Andréassian等[27]研究徑流量、水文過程等方面與森林經營管理方式之間的關系得出：不同的林分類型對徑流量的影響(如闊葉林與針葉林、灌木林、草地或農田等)；流域森林面積或是林分密度的改變對產水量的影響(如間伐、皆伐等)；林分結構改變對徑流量的影響(林冠茂密程度、葉面積指數等)。

4.2 森林植被對徑流流量的負向作用

劉卉芳[32]研究發現在流域地形地貌特征相似的條件下，森林植被具有減小流域雨季徑流總量的作用，且流域徑流量及徑流過程還受到整地等人工措施影響。來自世界不同地區的許多研究表明，在小流域(<100 hm2)中，快速生長的人工林會降低水的產量，且土地利用變化可能對水產量產生的重要影響[33]。Hibbert[34]基于全球39個小流域的徑流觀測結果綜合分析指出：流域產水量的增加與森林面積減少有關；在荒山地造林能有效減少徑流量。

4.3 森林植被對徑流產量無顯著影響

李昌哲等[35]、王金葉等[36]分別在華北永定河支流地區、西北祁連山地區研究發現：森林覆蓋率的改變與河川徑流量無顯著關聯。Hornbeck 等[37]在美國的集水區徑流量觀測試驗研究結果表明：森林的生長季與休眠季節對徑流量有不一樣的作用，森林生長季時期，森林采伐與徑流量存在顯著相關，然而，僅考慮休眠季節時，森林采伐與徑流量幾乎沒有增加或減少的關聯。Lewis等[38]對加利福尼亞州的流域進行砍伐處理(14%砍伐)，結果發現，該處理下的流域徑流量無顯著改變；Buttle等[39]也基于加拿大的某一流域森林進行采伐處理，研究結果表明該措施對徑流量的影響極為有限。

5 結語

基于現對于森林流域水文過程的研究，大量的模型是模擬流域的水文過程的主要手段，但模型模擬與實測值終究存在一定的偏差，但以全過程的在森林流域生態系統中實測，仍存在較大的困難。模型或者是水文過程的參數修正是刻畫森林流域的水文過程的手段之一；通過GIS等技術進行流域尺度的模擬將更加準確的衡量流域水文過程；以及結合氫氧同位素技術對森林水文過程的溯源刻畫將更有利于正確理解森林流域水文過程機制。

目前，流域尺度的森林水文研究是全球主流的研究尺度，但如何將流域尺度外推于區域尺度乃至全球尺度，這是至今仍存在的問題。