浅析森林生态系统的水源涵养功能

黄 蓉 吴永华 赵 峰

（兰州市园林科学研究所， 兰州 730070）

近年来，在全球经济飞速发展和人口数量急剧增加的背景下，人类对水资源的需求量不断增加，传统的生产、生活方式对水资源不合理的开发和利用以及日趋严重的水污染问题等使得优质、可利用水资源大幅减少，导致全球范围内水资源供需矛盾日益尖锐，水资源紧缺成为引人关注的全球性问题[1]。森林生态系统是生物圈生态系统中分布最广、结构最复杂、类型最丰富的陆地生态系统，具有一系列水文作用，如涵养水源、调节和缓洪作用以及改善水质等，被称为是清洁水源的发祥地[2]。 当今世界面临诸如洪涝灾害、水土流失和土地荒漠化等一系列与森林严重破坏密切相关的生态环境问题，其根本原因就是破坏了森林的水源涵养功能[3]。 森林的水源涵养功能是森林生态系统生态功能的重要组成部分，主要体现在森林乔木层、灌草层、枯落物层和土壤层对降水再分配过程中，从而起到涵蓄土壤水分、补充地下水、调节林内小气候、减小林内地表蒸发散和调节河川径流的作用[4-5]。 森林植被水源涵养功能受物种组成、林分结构、土壤类型、外来干扰等因素的影响很大[6]。 目前，对森林水源涵养功能研究主要集中在植被与水源涵养功能的关系[7]、森林土壤与水源涵养功能的关系[8]、水源涵养功能的计算及评估方法[9-10]、水源涵养的服务功能[11-12]等方面。

本文主要从森林水源涵养功能的作用机理、水源涵养量的估算方法及其价值的估算与评价等方面，分析目前国内对森林水源涵养功能研究的一些现状，提出当前森林水源涵养功能研究亟需解决的关键科学问题及未来可能的发展方向，对森林生态系统水源涵养功能的进一步研究具有重要意义，以期为今后相关方面的研究提供一定的借鉴和指导。

1 水源涵养功能的作用机理

水源涵养是森林生态系统内多个水文过程及其水文效应的综合表现，其实质是森林植被减少和缓和了地表径流，增加了土壤流和地下径流，其是森林生态系统生态功能的重要组成部分，主要包括拦蓄降水、调节径流、影响降雨量和净化水质等方面[13]。其 作用机理主要通过林冠层、枯落物层和土壤层拦截和滞蓄降水，从而起到涵蓄土壤水分、补充地下水、调节林内小气候、减小林内地表蒸发散和调节河川径流的作用[6]。

1.1 林冠层截留

森林对降水调节的作用，首先表现为林冠对降水的截留，是森林蒸发散的重要组成部分，直接影响降水在森林生态系统中的整个循环过程[14]。 是降水在到达地面前进行的第一次分配，截留的部分通过蒸发返回大气，小部分的林内降雨直接到达地面，另一部分的降水顺着树干流到地面，另外，树体还吸收很小一部分雨量[15]。树木冠层对降水的拦截作用，一方面有利于减轻洪水期林地所承受的降雨量[16]；另一方面，可以减弱雨滴的动能，缓和降水对森林地表的直接击溅和冲刷，从而间接地保护了林地土壤层[17]。林冠层降水截留作用的大小是由林冠层枝叶的生物量、叶面积指数和持水率、降水特征、天气状况所决定[18]。 我国主要森林生态系统类型的林冠截留率平均值变动在11.40%～36.50% 之间，变动系数为6.86%～55.05%[11]。

1.2 枯落物层截留

森林生态系统枯枝落物是指森林生态系统内由生物组分产生，然后归还到林地表面，作为分解的物质和能量来源，借以维持生态系统功能的所有有机物质的总称，包括叶、枝、树皮、花、果实、种子等[11]。枯枝落叶由于其独特的结构和水文特性，有截持降水、阻延地表径流、抑制土壤蒸发、防止土壤溅蚀及增强土壤抗冲效应，特别是在暴雨出现时，枯枝落叶的涵蓄降水作用更为突出[19]。 其上部是很少腐烂的落叶枯枝，疏松而有弹性；下部是半分解的残体，有菌丝缠绕，较疏松，透水性强[15]。 其持水能力的大小与森林流域的产流机制有着密切的联系，同时受枯落物的组成、蓄积量、植被类型、林龄、枯落物的分解状况、降雨特点的影响[6，20]。有研究认为，枯枝落叶吸持的水量可达自身干重的2～4 倍，截持的水量约占降水量的8%～10%，各种森林的枯枝落叶层的最大持水率平均为309.54%，其中，中雨时枯枝落叶截持量较大[15，21]。

1.3 土壤层截留

森林土壤是森林涵养水源的主体，土壤层水文状况的变化将直接对整个区域的水文过程产生积极的影响[22]。 土壤持水能力是评价森林生态系统水源涵养能力的重要指标，其对降水资源分配格局的影响最为明显，是森林发挥水文调节作用的主要场所[23]。作为森林水文作用的第3 活动层土壤层，是天然的大水库，降雨能沿着土壤空隙下渗，成为土壤贮水和地下径流，从而表现出林分涵养水源和保持水土的功能[24]。 其截留效应主要受植被类型、土壤含水量、土壤厚度、土壤的孔隙状况、降水持续时间、降水强度以及枯落物等因素的影响[25-26]。

2 森林水源涵养量的估算方法

目前，对森林水源涵养功能研究的方法很多，森林水源涵养量无法通过实验或者其他手段直接验证，且不同学者对于森林水源涵养价值内涵理解不同，采用的估算方法多种多样。 不同计算方法所代表的水源涵养内涵有所不同，相应的计算结果可能出现较大差异。 本文主要总结了水源涵养量常用的估算方法，并从估算公式、概念内涵及方法的特点进行描述。

表1 森林水源涵养价值估算方法汇总

表1 森林水源涵养价值估算方法汇总

3 水源涵养功能价值的估算及评价

森林生态系统水源涵养功能是多个生态水文过程的综合表现，通过林冠层水文效应、地表枯落物层的吸水截持、林地土壤水库的渗透蓄水这三个主要环节的共同作用，使得森林对降雨过程进行了有效的拦蓄和调节分配，从而发挥水源涵养功能。 因此，其水源涵养功能的优劣与分布和森林各层次（林冠层、枯落物层和土壤层）的传输过程密切相关[1，11]。

对森林水源涵养价值的估算，通过计算森林的水源涵量（根据表1 所列的公式计算所得），然后根据影子工程法[34]对水源涵养的价值进行估算。

式中：V 为森林水源涵养价值；W总为森林水源涵养量；Wg为某种替代工程的水容量；Vg为替代水利工程的价值；L 为发展阶段系数（L≈0.15）[35]。

水库建设投资测算的每1m3库容所需投入的成本为0.67 元[36]，公式（1）可以简化为：

水源涵养功能的评价主要是选择评价指标。 目前，中国知网的文章中评价森林水源涵养功能的评价指标有46 个，评价指标使用频度前10 个中直接评价指标包括林冠截留率、枯落物最大持水量、枯落物最大持水率、土壤稳渗速率、土壤最大持水量、土壤非毛管持水量；间接评价指标包括枯落物蓄积量、土壤非毛管孔隙度、土壤总孔隙度、土层厚度。 水源涵养功能综合评价的方法有层次分析法、主成分分析法、坐标综合分析法、灰色关联度分析法、综合评定法及专家打分法等[1，37]。

4 展望

尽管众多学者从不同角度对森林水源涵养功能做了研究，但并没有将森林水源涵养功能的研究成果有效地纳入生态系统服务功能评估过程中来，导致森林生态系统服务功能评价往往缺乏森林水文学的基础认知[9]。 在今后的研究中需解决的主要问题有：

（1）深入开展多尺度研究，发展尺度转换方法。

对水源涵养功能及价值的研究，大部分集中在小尺度或短时间上森林的水源涵养量。 在小尺度上的研究结论往往难以上推至更大尺度。 空间异质性是生态系统中非常重要的一个结构属性，它与许多生态学现象密切相关，对生态系统的功能和过程有重要影响。植被的空间格局对水源涵养密切相关[38]。时间尺度（一次降水事件、季节尺度、长时间尺度）和空间尺度（单株尺度、坡面尺度、流域尺度、区域尺度）上分别通过影响林冠截留、枯落物截留、地形、林源、林龄、土壤类型和质地等影响森林水量的调节[9，39]。进行多尺度、多角度的研究森林水源涵养功能，明确其在不同区域尺度上的异质性、尺度特征和多尺度关联，为区域森林生态系统水源涵养功能的保育和区域生态安全的可持续管理提供理论依据将是未来研究的一个重要方向。

（2）从研究森林蓄水机制向研究林分的耗水特性转变。

目前的研究主要集中在森林如何收集水分，而对森林的耗水机制研究较少。 研究树种及植被的耗水特性，找到土壤水分特性和林分耗水特性的尺度转换关系，从水分的储存、运输、吸收和调节等方面深入研究林木耗水规律， 以及它们受到气象因子的控制机制等。 结合林分持水、失水和耗水的系统性研究，有助于全面揭示森林水分状况，对进一步优化森林水源涵养功能结构具有重要的指导意义和学术价值。

（3）从单一方法向多种方法转变

森林水源涵养是一个复杂的过程，受到众多自然因素和人为因素的影响。 林冠层的植物类型影响着枯落物层持水能力，枯落物层又影响土壤水分的入渗和径流的形成。 就一种方法来评价某一区域或某一森林类型的水源涵养功能，而不同的方法由于其选取的指标、 进行的假设等不同而得出不同的结论，难以真正说明其水源涵养能力的高低和水源涵养量的多少。 研究某一区域或某一森林类型的水源涵养功能时应尽可能多的采用多种计算方法， 通过多种方法的比较分析，选择出适合该区域的水源涵养量的估算方法。

（4）从静态研究向动态研究的转变。

森林植被在陆地生态水文循环过程中不是孤立的、静态的水文景观要素，森林生长、结构和功能的动态变化直接影响森林截持蓄留降水的整个过程。忽略森林物候、结构及其演替变化的影响，难以真正体现森林植被空间格局及其结构动态变化对水文过程的影响[40]。 研究应加大对不同林龄、林源、扰动等多因素复合情景下森林的水源涵养功能研究，加快森林水源涵养功能研究由静态单一要素向动态多元要素的转变，深入对森林水源涵养功能的认识。

森林水源涵养具有重要的经济价值和生态效应，但是除一些专业人士关注外，很少有人关注，甚至根本无人知晓，因此，提高森林水源涵养的关注度，有利于更好地管理、保护森林生态系统，使森林生态系能够更好地发挥其功能，为人类提供更优质的服务。