森林水源涵养功能的多尺度内涵、过程及计量方法

王晓学，沈会涛，李叙勇 ，景 峰

(1.中国科学院生态环境研究中心城市与区域国家重点实验室，北京，100085;2.中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心，石家庄，050021;3.中国科学院研究生院，北京 100049;4.中国国际工程咨询公司，北京 100048)

自1997年生态系统服务概念引进我国以后，国内关于生态系统服务功能研究的文章数量呈现指数级上升，其中以森林生态系统研究居多。目前，生态系统服务功能的评估大多仅限于套用公式简单换算，对其中存在问题缺乏深层次探讨(如森林水源涵养功能在内涵上是否就等同于森林保持水分?森林水源涵养功能研究的意义何在?小尺度上森林水源涵养功能研究结果是否可直接上推至大尺度?森林水源涵养功能计量评价方法是否对所有地区有一样适用?其有效性如何?等等)，致使评估结果的科学性和有效性受到质疑［1］。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。因此，有必要重新审视森林水源涵养功能的研究意义，明确界定其内涵，深入分析森林水源涵养功能的多尺度特征及其计量方法的适用性，规范森林水源涵养功能评估过程。

目前国内普遍存在质疑森林生态系统服务功能评价，迫切需要对其研究的重要性进行重新定位。森林水源涵养研究的意义主要体现在以下3个方面:1)预测区域水资源变化，为水资源调配决策提供科学依据。准确的理解不同尺度影响森林水源涵养功能的关键过程及其主导因子，有助于开发多尺度生态水文模型，并与大气环流模式相结合，可用于预测区域水资源变化，为气候变化背景下的水资源配置决策提供科技支撑;2)森林生态系统服务功能间的权衡与优化。森林生态系统提供诸多生态系统服务功能，但并非所有森林都具备良好的水源涵养功能，可能有些森林更强调其防风固沙效应，碳汇功能等，因此根据生态需求强调其某种生态系统服务功能有待于深入研究;3)为森林生态补偿机制研究提供基础。对森林水源涵养功能的研究和探索有利于规范其研究，促进森林生态系统服务功能研究的不断完善和发展，推动森林生态效益价值评估理论与方法。

本文主要从森林水源涵养功能的内涵、过程尺度性及计量问题展开，结合森林与水关系的争论，分析目前国内对森林水源涵养功能研究的一些误区，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，进一步推动森林水源涵养功能研究。

1 森林水源涵养功能的内涵

森林涵养水源功能包括拦蓄洪水、调节径流和净化水质等方面。拦蓄洪水是指森林通过减少洪水发生危险提供的一种效益。在山区，雨季高强度降雨事件经常引发洪灾、泥石流和滑坡，森林通过植被冠层、枯落物层和土壤层截留一部分雨水，从而减少降水直接落在森林地表，从而大大减少洪灾、泥石流和滑坡的发生几率。这种服务的核算通常是分析气象资料，整理多年最大降雨量、年降雨次数及对应的森林类型各层次截留量［2-3］，或者通过室内模拟多雨强情景及对应层次降雨截留来估算［4］。国内学者也有采用综合蓄水量法来估算这种服务，但因对这种服务的认识不清，各层次累加的内涵完全不一致，如用某次降雨的林冠最大截留量代替该地区平均雨强下对应的林冠截留量，枯落物最大持水量并没有考虑枯落物自然持水能力等都导致估算值与真实值相差较大。调节径流是指森林通过雨季存储降雨在旱季补给河道，从而稳定河道旱季流量［5］。这种服务的核算通常是利用水量平衡原理，然而由于需要数据量大，人为扰动对水量分配的影响等使核算变得困难。净化水质服务是指森林通过河流、湖泊和含水层来过滤、保持和存储水资源［6］。这是狭义的概念，而广义上的净化水质服务还应包括森林依其强大的蒸发散，在地形雨和对流雨中增加降水的部分，亦即森林在降水事件中不同层次的实际截留量，在净化水质服务的核算中应予以考虑。

从森林水源涵养功能作用的空间尺度上看，其拦蓄洪水削减洪峰的功能仅在较小尺度上有效［7］，其调节径流的功能只有当森林土壤的入渗量超过森林的蒸散量时，才可能有更多地下水补给河道径流，进而增加旱季河道流量。同时，森林水源涵养功能也具有明显的时间尺度性特征，具体表现在:1)在降水事件中，由于蒸散发较小，森林水源涵养功能的物质量等于森林不同层次的截留量，在功能上表现为拦蓄洪水;2)在长时间尺度上，由于林地蒸散要耗去大量水分，森林水源涵养功能的物质量等于森林不同层次的截留量减去林地蒸散发，在功能上表现为净化水质和调节径流。

从上述的分析不难看出，森林涵养水源功能表现出的各类服务之间存在重叠部分，或者说每类服务都是通过森林不同层次截留降水过程实现的，即不同服务的实际内涵仅仅是不同时空尺度森林截持蓄留降水。因此，不能通过累加上述服务作为森林水源涵养功能的物质量。由于对水源涵养内涵理解的不一致性，经常导致不同地区甚至同一个地区的研究案例没有可对比性，严重限制了森林水源涵养功能研究的应用价值［8］。建议在森林水源涵养功能评估时应根据研究区森林表现出的主导水源涵养功能确定核算方法，保证核算内容在机理上的准确性。

2 森林水源涵养功能的尺度问题

由于水文要素(如地形地貌、土壤类型、植被条件、植被类型和不同层次前期储水特征)的空间异质性和水文通量(如降水、蒸发散、径流等)的时空异质性，小尺度的研究结论难以上推至更大尺度［9］。即当一个系统划分为多个单元或者多个单元构成时，系统规律不是单元机理的直接外延，单元与单元之间存在能流、物流交换，水文响应单元在不同水文要素作用下表现出完全不同的临界阈值特征，如不同植被类型其林冠层最大截留率、枯落物最大持水量、植被根系及土壤动物作用下的土壤最大持水量和水力传导度等都有较大的差异，图1是不同时空尺度森林水源涵养功能示意图。

图1 森林水源涵养功能的时空异质性Fig.1 Temporal and spatial heterogeneity of forest water conservation function

2.1 空间尺度

在单株尺度上，冠层结构(叶面粗糙度、枝叶量、枝叶空间分布情况等特征)影响林冠的截留能力，枝叶表面粗糙的林分较枝叶表面光滑的林分林冠截留能力强［10］，而林冠枝叶空间分布越均匀，枝叶量越多、截留量越大［11］;由于土壤冻融交替、根系的伸展和腐烂、土壤动物的运动等，土壤中普遍存在一些大孔隙，这些孔隙可以运移大量水分，因此大孔隙发达的土壤持水能力更强［12-13］。林冠和林下层(包括林下植被、枯落物、土壤等)的蒸散受不同驱动因素制约，一般地，林冠层受水分因素制约，而林下层受能量(风、太阳辐射等)因素制约［14］。在此尺度上所获取的降水截留过程参数通常只具有点尺度特征，往往不能直接用于大尺度。

在坡面尺度上，林冠截留主要与郁闭度、冠层厚度有关，林冠层郁闭度不同，枝叶量不同，所产生的总表面张力就不同，进而导致林冠层截留量差异较大。枯落物截留量主要与植被类型、坡度、坡向有关，一般来说，枯落物越厚，蓄积量越大，枯落物层持水量越大，但枯落物持水量与蓄积量并非线性关系［15-16］。枯落物分解程度对持水能力也有较大影响，半分解层持水能力最大。在坡面上，由于土壤优先流及重力作用，上坡的土壤水分低于下坡。枯落物中的水分会沿坡向下运动，因此下坡枯落物含水量高于上坡，而阴坡高于阳坡［16-17］。坡度、坡向、土壤含水量、气温及植被盖度是影响坡面蒸发的主导因子。坡度主要是通过影响坡面接受的净辐射来影响蒸散发。在一次降雨事件后，一般阳坡蒸发量远大于阴坡，但长时间干旱后，阳坡土壤含水量很小，表面蒸发阻力大，则不利于蒸散发;而阴坡在相同时段内土壤含水量较大，蒸散发强度保持较高［18］。植被盖度影响坡面蒸散发的情况较为复杂。一方面，植物盖度高，叶面积指数大，植物的蒸腾强度大;而植被盖度高，地面粗糙度大，风速小，太阳净辐射量少，会降低林下层水分蒸散发速率［19］，因此在坡面尺度上植被盖度对蒸散发的影响机理需要进一步研究。目前在此尺度上，已取得大量的实验数据，如何将这些数据在较大尺度上应用已经成为当前森林水文研究的重要内容。

在流域尺度上，森林水源涵养量主要跟流域的地形、林龄、林源、土壤类型和质地、枯落物厚度等有关。流域相对平坦，枯落物厚度较厚，可以减少地表径流，延长汇流时间，增加水分入渗土壤［20］。流域尺度的蒸散主要取决于气象因素和流域下垫面特征(如森林植被状况、土壤类型和质地，枯落物量等)［21］。

在区域尺度上，森林类型显著的影响林冠截留和林下枯落物量。在相似植被盖度条件下不同气候带森林林冠截留为针叶林＞针阔混交林＞阔叶林［22-23］，枯落物截留是阔叶林＞针阔混交林＞针叶林［23-24］。地质因素通过影响成土过程(母质)来影响林下土壤的持水量。贺淑霞等的研究发现，森林水源涵养量并没有呈现出与水热梯度对应的规律性［25］。尽管降水呈现出明显的从北向南增加的趋势，但在此梯度上蒸散发的制约因素却明显不同，在北方受水分因素制约，在南方受能量因素制约。因此，在区域尺度上森林水源涵养是一个受多因素影响的复杂的水文调节过程。

2.2 时间尺度

现有研究对时间尺度的界定非常模糊，尽管有部分研究明确为具体年份的森林水源涵养量，但数据大多采用多年平均的结果，对具体年份降雨特征及立地条件的特殊性均没有体现，因此缺乏时效性意义。

在降水事件中，森林水源涵养量主要受降水特征(降水量、降水强度、降水持续时间等)、森林郁闭度、降雨前不同层次持水状态以及邻近单元间水量交换特点(侧向流)的影响。一般来说，截留量随雨量的增大而增加，趋近饱和截留量时，增加速度减缓。截留与雨强的关系十分密切，雨强越小，截留量愈大，截留率越高，林冠对雨水的截留时间越长;雨强越大，截留量越小，截留率越低，截留作用的时间越短［22］。对于产生径流的降水事件而言，枯落物层有减少径流，增加水分入渗土壤的功能，其效能与枯落物量、分解程度有关。

在季节尺度上，森林水源涵养量主要受降水季节性分配(降水频次)、蒸散发、叶面积变化等因素影响。无论是有野外实验还是模型模拟，都表明在生长季截留率与叶面积指数成正比。降水的季节性分配对林冠截留的影响较为明显，如常绿针叶林对降雪的截留要比降雨的截留高很多。枯落物能调整不同季节林地蒸散，赵鸿雁等的研究表明枯落物层抑制土壤蒸发量与枯落物层厚度和土壤含水量有关［26］，而土壤含水量受降水的季节分配明显［27］，枯落物蓄积量具有随季节变化的波动性［28］。

在长时间尺度上，物候变化、气候变化、人类活动(如森林经营方式等)等影响森林水源涵养功能。Asdak等对印度尼西亚砍伐和未砍伐的林区对比研究发现，当单位植株密度减少一半时，林冠截留率下降5%左右［29］。

2.3 尺度外推

目前大多数研究仅对单一林分的个别层次蓄水功能进行研究，缺乏流域尺度或者更大空间尺度的森林水源涵养功能研究。李海军等采用流域实验和水量平衡样地相结合的办法，实现了干旱区从样地观测到流域尺度山地森林生态系统雨季水源涵养量估算［30］。

关于森林水源涵养功能研究的时间尺度研究文献较少。de Groenh和Savenije通过分析将日尺度的降雨统计特征耦合进月尺度的降雨截留模型，用有限站点的日降水截留数据推算更大时空尺度上降雨与不同层次的截留关系，从而实现了降水不同截留的时空尺度外推［14］。Guo等按照降雨强度划分年内降雨，将其标准化为某个常见雨强的若干场次降雨，并观测不同植被-土壤-坡面复合体不同层次截留能力，从而实现了森林水源涵养量由降雨事件向年尺度，坡面尺度向县级尺度的转换［3］。

森林涵养水源功能在时空尺度上变异性较大，对森林涵养水源功能的准确计量带来诸多困难。图2是森林水源涵养的基本生态水文过程概化图，对影响这些过程的关键因素应得到体现，同时还要反映垂直层次和水平层次森林涵养水源能力的差异性及阈值特征，因此区域降尺度到流域，将坡面尺度上推到流域，集中在流域尺度把握森林水源涵养的空间异质性将是解决森林水源涵养功能尺度外推的有效办法。模型模拟是定量评价森林水源涵养的重要途径［31］。

3 森林水源涵养功能计量问题

3.1 森林水源涵养功能计量方法及其基本假设

张彪等人对森林水源涵养功能计量方法的优缺点做了较为详细的论述［7］，但这些评价可能忽略了森林水源涵养功能的内涵及其尺度特征，本研究认为该文中列举方法的不足其实质内容可以归纳为3个方面:1)降水事件中不同层次截留量在长时间尺度上将有大部分蒸散，是否将这部分算作森林水源涵养量?2)森林雨季截留量在旱季补充河道径流是否算作森林水源涵养量?3)不同森林水源涵养功能的不同表现形式对应的计量方法?可以看出，计量方法某些不足并非是其本身缺陷，而是与尺度及研究目的有较大相关性。据此对这些方法进行重新评价。表1列出了各常用方法的基本假设、公式及适宜的研究尺度，并没有将较少用的模型方法(如 Mashayekhi等［32］，Guo 等［2］)或者对这些方法的改进列出［33-37］。

3.2 森林水源涵养功能计量的数据问题

图2 森林水源涵养的基本生态水文过程概化图Fig.2 The concept model of eco-hydrological processes of forest water conservation

森林水源涵养量的计算方法主要利用两种类型的参数，一是气象数据，如降水量、温度等;另一种参数与立地条件有关，如森林覆盖度、土层厚度、土壤非毛管孔隙度等。一般前者是研究区附近相对开阔的气象站监测得到的数据;后者一般通过以下3种方法获得:1)引用其他文献;2)直接办法:实地试验;3)间接办法:通过测量其他相对较易的参数，然后通过经验公式进行转换。

(1)尽管从相关文献中获得的参数可以得到一些稳定且可比较的结果，但是通常不同地区间气象、立地条件差异较大(图3)［40-42］。比如，不同森林类型或者同一森林类型对不同雨强的截留能力有显著差别。再者这种途径算出的不同地方的森林水源涵养量的差异仅仅体现在生态系统属性(如森林面积)或降水量的差异，而不是立地条件差异引起的森林生态水文过程的差别。另外，对森林水源涵养功能研究的文献缺少对立地情况的描述。

(2)如果两个参数都是源自同一个监测数据，误差补偿就十分有限。如径流系数、蒸散发等的计算。另外，如果没有研究地所需时相和位置的数据时，通常的办法是采用多年平均值或者附近资料丰富地区的数据，然而近年来气候变化的强度和频度都远远超出经验范围，用均值或者代替值很难体现某一具体年份森林涵养水源的实际量，再如蒸散量，很多时候采用附近裸地的最大水面蒸发量，明显高估了林区蒸散量［39］。尺度上推也是一个问题。

(3)直接实验获取是一种经常采用的办法，但采样数据对比实验一般较少，样点缺乏代表性，现有研究较少讨论数据变异程度。目前对大尺度森林水源涵养功能的评价，多采用监测数据，对于监测站点的分布情况、数据本身质量等信息阐述较少，造成大尺度森林涵养量计算为0甚至为负值的情况［38］。在尺度外推时就存在很多问题。

3.3 森林水源涵养功能物质量计量方法的可靠性及其适用性

目前对森林水源涵养功能研究的方法很多，但因为森林水源涵养功能物质量无法通过实验或者其他手段直接验证。因此，对各方法准确性如何鲜有文献报道，造成目前研究缺乏对比，影响了森林水源涵养功能研究的应用价值，亟待开展计量方法的评价研究。需要开展的研究主要包括:

1)不同复杂程度(参数个数、对不同尺度森林水文过程细节的考虑等)的计量方法对森林水源涵养量核算的影响;

2)这些方法的可塑性(这里将模型的可塑性定义为将模型应用于不同情景时模拟结果的变异性［43］。通过敏感性分析不同地理位置和年份参数的模拟结果进行量化如何?对森林水源涵养功能研究的不确定性分析，包括森林水源涵养功能内容(不同尺度驱动机制的复杂性)、输入参数、输入数据(监测手段不确定性)、计量方法的不确定性。

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图3 不同气候、立地条件影响的森林水源涵养量对比［40-42］，森林水源涵养量计算方法为不考虑林冠截留的综合蓄水量法;气候、立地条件差异较大，不同森林类型的水源涵养量也存在较大差异，不能简单的根据森林类型引用其不同层次的截留量Fig.3 The comparison of forest water conservation under different climate and site conditions

3)如果森林水源涵养量是受各水文通量直接作用的结果，那么这些计量方法应该都存在区域适用性。首先，不同地理位置上雨强和降雨频度有较为明显的差异，而各类森林不同层次对降水截留有明显不同的阈值特征;再者，不同地理位置有明显不同的制约蒸散机制的因素，这些制约因素对蒸散受能量或者水量限制地区的影响差异也较大，如风速对受能量限制流域的影响比水量限制流域大［44］;此外，我国湿润地区的产流方式以蓄满产流为主，而在干旱的黄土高原地区则以超渗产流为主，土壤作为森林涵养水源的主体如何根据蓄水产流特点选择合适的计量方法是森林水源涵养功能研究的关键问题。司今等对森林水源涵养功能计量方法的区域适用性做了初步探讨，综合蓄水能力法适用于降水充沛地区，降水储存量法在半干旱区计算结果较为稳定，而水量平衡法在半干旱区适应性较差。未来研究需要进一步量化各计量方法的区域适用性［45］。

4 我国森林水源涵养功能研究未来可能的发展方向

4.1 明确界定森林水源涵养功能的边界，探索森林水源涵养功能计量的新方法。

自Constaza等提出对水源涵养等17种生态系统功能评估以来［46］，我国森林水源涵养功能研究发展迅速，《森林生态系统服务功能评估规范》［47］的发布，为森林生态系统服务评估方法的规范标准化研究作出了有益的尝试，但该规范中关于森林水源涵养功能物质量评价方法并未考虑下垫面特征，如林龄、林源、林下层状态等因素，而对这些因素的忽视在很多程度上造成国内对水源涵养功能的核算研究缺乏科学性。目前中国正面临天然林的大面积退化消失和人工林的大面积种植，简单的通过几个水文通量(蒸散、降水)很难准确反映森林生态系统功能变化，这种粗放的计算方法显然已经不能满足决策需求，也制约了森林生态补偿机制的研究工作［48］。再者，对森林水源涵养功能的评估存在重复计算的问题。如森林调节水量和净化水质的物质量全部都采用水量平衡法计算，然后累加计算森林涵养水源功能的价值量，诚然调节水量和净化水质都是通过森林的不同层次拦截降水的生态水文过程所表现出来的不同服务价值，直接累加缺乏可靠的生态水文学理论基础，可能会重复计算森林水源涵养功能。因此，一方面对森林水源涵养常用计量方法开展区域适用性评价，提高大尺度研究森林水源涵养核算方法的准确性;同时根据政策需求还应探索符合研究区实际的森林水源涵养功能计量的新方法，进一步提高评估的准确性和有效性。

4.2 森林水源涵养功能研究在不同区域、不同时间空间尺度关联的核心科学问题。

对于森林水源涵养功能的研究，亟需解决的关键科学问题主要表现在:

(1)根据研究目的和研究区实际情况选择评价森林水源涵养功能的服务形式

不同区域、不同时间空间尺度上可能包含着完全不同的森林水源涵养功能的服务形式。认为应该根据研究目的和研究区实际情况选择评价森林水源涵养功能的服务形式，比如在水源地的森林则强调净化水质的服务，在北方石质山区，强降雨事件经常造成的泥石流、滑坡频繁，森林的水源涵养功能更强调拦截洪水、调节径流的服务。因此，明确研究区域的森林水源涵养功能的服务形式是未来研究是未来研究亟需解决的问题，也是避免重复评价的根本。

(2)面对天然林的大面积退化消失和人工林的大面积种植状况，如何正确评价由此引起的森林水源涵养功能的变化?

目前，森林水源涵养功能评估研究并没有正确认识到中国目前的天然林的大面积退化消失和人工林的大面积种植现状，以及由此引发的水量分配格局的变化。高森林覆盖率并非就等同于森林提供高质量的水源涵养功能。如2006年福建建瓯市森林覆盖率高达80.05%，然而却几次遭到洪涝灾害的袭击。因此如何根据立地实际情况正确评价森林水源涵养功能是目前亟需解决的一个问题。

(3)如何从森林生态水文效应的角度，把中国不同水热梯度上对针叶林、阔叶林和灌木林等森林水源涵养功能研究成果统一起来客观地评价其空间变异规律?

仅从知网数据库以“森林水源涵养、林冠截留、枯落物蓄水、森林土壤蓄水、森林生态系统功能”等关键词搜索，有约3000篇以上的论文从森林不同层次来研究森林的降水截留特征。尽管也有研究对森林降水截留做了有意义的综述，但从森林生态系统功能角度出发，系统的对目前研究做计量综述鲜见。因此，根据地理位置、林型、林龄、林源、海拔、年均降水量、温度、蒸发量、土壤、森林面积、郁闭度、密度、不同层次降雨截留量、发表年份、评估方法等指标来评价不同水热梯度上针叶林、阔叶林和灌木林等的森林水源涵养功能的空间变异规律。

(4)森林生态系统水源涵养功能的尺度效应

从森林水源涵养功能的尺度特征综述部分中可以看出，目前研究只是解决了不同尺度上影响森林生态系统水源涵养功能的主导因子，缺乏这些因子如何共同耦合的定量评价。如何从不同时空尺度上揭示不同森林生态系统水源涵养功能的变异规律，发展尺度转换方法，明确区域不同尺度森林生态系统水源涵养功能的异质性、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。

(5)干旱半干旱地区上游大规模植树造林与下游水生态安全

干旱半干旱地区大规模植树造林可能引起下游水生态安全。如永定河上游的植树造林是造成永定河流域20多年干枯的重要原因之一［49］。那么如何权衡上游涵养水源与下游生态需水关系，并基于此提出不同地区森林适宜盖度。

(6)从静态研究向动态研究的转变

生态系统服务功能和价值评估要综合生态系统的现状、构成及其时空变化［50］，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。李士美等根据多年定位监测数据，研究年内森林水源涵养功能的演变特征，为森林水源涵养功能由静态研究向动态研究转变做了有益的尝试。未来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。

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