森林生态系统水文调节功能研究进展

广西壮族自治区国有雅长林场 莫东宜

森林生态系统是陆地生态系统的主体，在调节区域气候、改善生态环境、促进水土保持、提高涵养水源等方面具有重要作用。相关研究表明，森林生态系统可以涵养陆地90%以上的淡水资源，维持森林生态系统稳定与平衡对人类社会可持续发展尤为重要。因此，营造健康、稳定、质量高的森林，提高森林生态系统功能和效益，开展森林生态系统水文调节功能研究是非常有必要性和紧迫性的，应及时总结归纳森林生态水文方面的研究成果，有助于进一步深入研究森林水文调节机制。

一、森林生态系统结构与水文调节功能

森林水文过程会随着森林结构的改变而发生变化，森林结构的不同，其水文过程也会有所差异。其实质上是水分与植物相互作用的过程，主要由林冠层截留、树干径流、凋落物截留、土壤持水性以及林木蒸散作用组成。其中降雨量及强度、树种组成、林龄大小、郁闭度、林冠结构特点都会影响着林冠截留量，枝条分枝数及角度、树皮特点及其吸水性影响着树干径流量，林地凋落物的数量、厚度、生物特性及分解程度影响着凋落物层的截留量，林地土壤化学组成、土壤渗透性、持水性及其空间变异显著影响着其水文效应。

森林生态系统水文调节，是一个非常复杂的物理过程，它受森林结构和水文过程变化的双重影响。森林生态水文调节的具体表现为：水分对植物进行运输和再分配的过程，在减少降雨对土壤的冲刷、减少地表径流的产生、改变林内降雨时间及强度方面具有重要作用。目前，针对森林生态系统水文调节功能的研究，主要集中在不同植被类型、林分结构对林冠截留、树干径流、凋落物层截持、土壤渗透与贮存、地表径流、水分涵养以及地表蒸散等的影响。

（一）林冠层的水文效应

在森林生态系统中，林冠首先可对降雨进行拦截，是植被对水分进行重新分配的第一个层面，在森林生态系统的水文调节中占有重要地位，其影响着森林生态系统的稳定和发展。林冠的水分调节功能主要表现在林冠截留和穿透雨，其中林冠截留是指降雨过程中，地表植被冠层直接蒸发掉且还未渗入土壤的部分水分；穿透雨主要分为两部分：一树冠未能截留直接落到地面的那部分降水；二林冠截留饱和之后才滴落到林内的那部分水分，可以说穿透雨是森林生态系统水分来源的主要途径。林冠的水文作用可有效地减少地表径流的产生，降低雨水对地表的冲击，改变降雨在林内的空间分布格局，对元素循环、水分循环及再分配等均具有重要意义。其研究表明，林冠截留量和穿透雨量受降雨强度与时长、植被类型、树种组成、郁闭度、气候条件等多种因素影响；不同森林类型，其林冠截留能力不同，针叶林可截留20%-50%，阔叶林可截留10%-35%。除了上述因素之外，因林冠具有明显的季节性变化，所以穿透雨还受季节的影响。

目前，林冠截留和穿透雨的计算方法主要有实测法和模型估算法。较为完善的林冠截留量估算模型有Rutter 模型和Gash模型两种；推算穿透雨量，可用降雨量和穿透雨量建立模型。

（二）树干径流的水文效益

树干径流是雨水沿着树干流到根部的过程，占降雨的比例较低，其水文作用常被忽略。树干径流是多个因素相互作用的结果，其过程是复杂的、动态的。植被类型、林冠结构、林冠面积、树皮光滑程度、树干分枝角度、叶片大小及光滑程度、降水强度及持续时间、季节变化等因素均会影响树干径流。树干径流是植被生长所需的土壤水分的重要来源，不仅可以集中雨水，从而还能增加树木根部的水分量，同时也可以把树干上的营养物质冲刷至根部，使得部分化学物质可以渗入土壤中，使得土壤养分得以补充。因此，树干径流对于保持森林水分和维持森林养分平衡均具有重要意义。

现阶段，测算树干径流水量主要采用直接在树干上收集法，这种方法既简单易操作又能直接得到数据，但也会存在误差；也可以采用数学模型估算法，但因影响树干径流的因子众多、过程复杂，尚未形成统一定论。

（三）凋落物层的水文效应

凋落物层是由植被落下的树叶、树皮、枝条、花果，林内苔藓以及动物尸体组成的功能层。凋落物作为森林生态系统水文作用的第二个层面，对提高森林蓄水能量、促进流域产流，增强养分循环有着重要的作用。其水文作用主要表现在两方面，一林地凋落物层被分解后，需增加土壤中的养分含量，改善土壤理化性质，提高土壤入渗性能，从而可减小降雨对林地的冲刷量，减少或减缓地表径流的产生；二凋落物层有效截留和储蓄部分穿透雨，减少林地水分蒸发、阻碍降雨对林地的直接冲刷、增强土壤抗冲刷能力以及减少土壤的蒸发。凋落物水文功能与树种组成、林龄、凋落的分解速度、积累量、立地条件及降雨特点等因素有关。相关研究表明，凋落物能有效截留15～25%的穿透雨。

根据凋落物的持水量来估算其对降雨的截留量，是目前应用比较广泛的方法，测定凋落物持水量主要采用室内没泡法或人工降雨的方法。虽然已有很多关于凋落物持水量方面研究，并提出了相应的方程，但由于受到多种因子的影响，目前尚未建立能够科学合理的计算凋落物持水量的模型。

（四）土壤层水文调节效应

土壤层是森林生态系统的第三个水文调节作用层，其蓄水持水能力最强，同时也是水分和营养元素循环的主要场所。土壤中的水分主要来源于土壤大孔径滞留的水分以及土壤田间持水量与永久性萎蔫含水量之差的水量。土壤对水分的调节作用主要体现在其调蓄水分的过程，该过程分动态调蓄过程和静态调蓄过程两部分，静态调蓄过程是指降雨到达地面后，通过土壤表层的空隙直接进入土壤中的过程，即为土壤持水能力；动态调蓄过程是指土壤表层水分饱和后，水分沿土壤孔隙渗透和扩散到更深层土壤中的过程，为土壤渗透能力。土壤的调蓄水分能力主要受土壤非毛管孔隙、土层厚度、土壤含水量、降水持续时间、降水强度等因素影响。其研究表明，在同等条件下，土壤理化性质越好，其渗透性越好，地表径流现象越少，涵养水源能力越强。

目前，测定土壤持水能力的方法主要有环刀法、渗透仪法、模拟降雨法、土柱法、钻孔法等，估算一些特定区域的土壤持水能力的模型有Brooks-Corey模型、Gardner 模型和 Van Genuchten 模型。

（五）林地蒸散作用

林地蒸散是植被和与环境共同作用的结果，其大小主要受到森林植被类型、郁闭度、海拔及降雨量等因素影响。林地蒸散量是森林所有植被和地面共同向大气输送的水分总通量，其中包括森林全部的蒸发量和蒸腾水量。林地蒸发主要受树种组成、林分密度、郁闭度以及气温等因子影响，森林类型不同，其林地蒸发量也有所差异，例如针叶林的蒸发量差异相对较小，而阔叶林的蒸发量变化相对较大，相同森林类型，采取不同经营管理措施，其蒸发量也会存在一定差异。林木蒸腾是土壤水分回归大气的主要形式，固受到树种、降水量、大气温度、相对湿度、光照强度等因子的影响。除此之外，还受树基部面积、森林边缘地及周围树木的蒸腾变化影响。

目前，国内外学者主要从叶片、单株、林分及区域等4个尺度开展林地蒸散作用的研究，采用的测定方法主要有：水文学法、微气象学法、植物生理学法、红外遥感法和SPAC水分传输模拟法。

二、存在问题与展望

目前，虽然对于森林水源涵养功能、降雨截持、地表径流、凋落物持水等方面均取得了一定的研究成果。但由于科技创新不足，研究设备不够先进，监测方法和手段不够完善等因素限制，将导致森林生态水文方面的研究依然存在一些不足。从研究对象和研究内容分析，目前绝大多数的森林生态系统水文调节功能研究只围绕单一植被类型开展，缺乏对多个植被类型进行研究，研究结果适用性较低。而研究内容也仅从林冠层、凋落物、树干径流、土壤层、水分循环以及养分元素循环等单一方面进行开展，其缺乏对其进行系统全面的研究。此外，由于森林生态系统的复杂性，加之所处环境不同，虽然研究对象和内容相同，但其研究结果也存在一定的差异，研究结果只适用于相同条件的区域，不具有普适性。从研究方法上看，由于森林生态受到影响的因素越来越多，一味采用相同的方法去研究，得到研究结果会存在很大偏差，加之缺乏对不同植被类型进行持续性研究，仅进行某一个生长阶段的水文调节功能研究，因此难以揭示森林生态系统水文过程及影响机制。

针对上述存在的问题，今后我们开展森林生态系统水文调节功能研究的时候，可借助森林水文学、水土保持学、气象学等其他相关学科的研究方法和研究成果，应结合不同植被类型的相关观测数据，从森林生态系统的水文、养分循环、水分循环以及水质变化等方面入手，对森林生态系统水文调节功能进行多尺度、多类型、多因子的全面系统研究，深入探索森林结构、植被类型及生长环境对其水文过程的响应机制，同时需掌握影响森林生态系统各水文作用层的水文调节功能的主要驱动因子，构建具有普适性的森林水文调节功能的评价体系，为深入研究森林生态系统水文方面提供科学依据，同时也为今后造林和植被恢复过程中，能选择有助于土壤改良、水质净化、水土保持及生态、经济效益高的树种或植被类型提供参考。

相关链接

森林生态系统是森林生物与环境之间、森林生物之间相互作用，并产生能量转换和物质循环的统一体系。可分为天然林生态系统和人工林生态系统。与陆地生态系统相比有以下特征： 生物种类丰富，层次结构较多，食物链较复杂，光合生产率较高，所以生物生产能力也较高。在陆地生态系统中具有调节气候、涵养水源、保持水土、防风固沙等方面的功能。

森林生态系统（Forest Ecosystem）是以乔木为主体的生物群落（包括植物、动物和微生物）及其非生物环境（光、热、水、气、土壤等）综合组成的生态系统。是生物与环境、生物与生物之间进行物质交换、能量流动的自然生态科学。森林生态系统分布在湿润或较湿润的地区，其主要特点是动物种类繁多，群落的结构复杂，种群的密度和群落的结构能够长期处于稳定的状态。

森林中的植物以乔木为主，也有少量灌木和草本植物。森林中还有种类繁多的动物。森林中的动物由于在树上容易找到丰富的食物和栖息产所，因而营树栖和攀缘生活的种类特别多，如犀鸟、避役、树蛙、松鼠、貂、蜂猴、眼镜猴和长臂猿等。

森林不仅能够为人类提供大量的木材和都中林副业产品，而且在维持生物圈的稳定、改善生态环境等方面起着重要的作用。例如，森林植物通过光合作用，每天都消耗大量的二氧化碳，释放出大量的氧，这对于维持大气中二氧化碳和氧含量的平衡具有重要意义。又如，在降雨时，乔木层、灌木层和草本植物层都能够截留一部分雨水，大大减缓雨水对地面的冲刷，最大限度地减少地表径流。枯枝落叶层就像一层厚厚的海绵，能够大量地吸收和贮存雨水。因此，森林在涵养水源、保持水土方面起着重要作用，有“绿色水库”之称。

地球上森林生态系统的主要类型有四种，即热带雨林、亚热带常绿阔叶林、温带落叶阔叶林和北方针叶林。是陆地上生物总量最高的生态系统，对陆地生态环境有决定性的影响。

生态系统是典型的复杂系统，森林生态系统更是一个复杂的巨系统。森林生态系统具有丰富的物种多样性、结构多样性、食物链、食物网以及功能过程多样性等，形成了分化、分层、分支和交汇的复杂的网络特征。认识和揭示复杂的森林生态系统的自组织、稳定性、动态演替与演化、生物多样性的发生与维持机制、多功能协调机制以及森林生态系统的经营管理与调控，需要以对生态过程、机制及其与格局的关系的深入研究为基础，生态系统的格局和过程一直是研究的重点，是了解森林生态系统这一复杂的巨系统的根本，不仅需要长期的实验生态学方法，更需要借助复杂性科学的理论与方法。