森林對徑流影響研究的回顧與展望_地理論文

1、森林對徑流影響研究的回顧與展望_地理論文    文章摘要：                         摘要：簡要回顧了森林水文學(xué)的研究歷史，并重點(diǎn)介紹了在森林水文學(xué)研究中居于重要地位的森林集水區(qū)研究的起源與發(fā)展，分析了這一研究方法的特點(diǎn)，并對主要研究結(jié)果進(jìn)行了比較。大多數(shù)研究結(jié)果顯示，去除森林可以使徑流量增加，但

2、森林與水的關(guān)系極其復(fù)雜，森林對徑流量的影響因地域、森林類型以及森林管理方式等因素的不同而存在差異；在評價(jià)森林對流域徑流量的影響時應(yīng)全面考慮，分析各地區(qū)之間的差別，一個地區(qū)所得的結(jié)果不能作為森林生態(tài)系統(tǒng)水文功能的普遍規(guī)律而在其它條件不同的地區(qū)加以應(yīng)用。今后應(yīng)加強(qiáng)合作研究，特別是利用網(wǎng)絡(luò)研究對比不同集水區(qū)之間的結(jié)果來探討森林對徑流的影響，同時重視新技術(shù)和新方法的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：森林；森林水文學(xué)；集水區(qū)；徑流量中圖分類號：S715.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：10003037(2001)050398091 森林水文學(xué)研究的簡要回顧水文學(xué)是水的科學(xué)，它主要研究水的循環(huán)過程，包括陸地表面不同時期的降水量、植

3、被的截留、土壤的下滲和徑流的形成以及水在海洋和陸地之間的循環(huán)過程等。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，水是一個重要且易變的環(huán)境因子，除受地理、大氣和地質(zhì)條件的制約外，土壤、植被以及人為作用對水分變化也具有重要的調(diào)節(jié)能力。地球陸地表面的 1/3 是森林，覆蓋面積為 4300×106hm2，其中 2500×106hm2 為郁閉林，1800×106hm2 為稀疏叢林（包括稀樹干草原，灌木和退化林）1、2，森林的總面積為農(nóng)作物的 3 倍以上。因此，對森林生態(tài)系統(tǒng)水文功能的研究具有重要的意義，不僅有助于了解森林生態(tài)系統(tǒng)中水分的運(yùn)轉(zhuǎn)過程與機(jī)制以及對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、生物地球化學(xué)循環(huán)、能量代謝和生

4、產(chǎn)力的影響，而且能正確評價(jià)和認(rèn)識森林的作用，為森林合理經(jīng)營利用、保護(hù)自然和水資源以及維持人類生存環(huán)境的穩(wěn)定提供持續(xù)發(fā)展的科學(xué)理論。水是樹木和森林生長、發(fā)育必不可少的環(huán)境因素，同時也是人類生活不可或缺的物質(zhì)，因此，自古代起人類便開始了對水本質(zhì)的探索，并形成了一些原始的觀點(diǎn)。早在公元前 34 世紀(jì)，Plato 就接受了古希臘關(guān)于物質(zhì)基本元素的理論，認(rèn)為水是構(gòu)成物質(zhì)的基本元素之一；Aristotle 通過分析地球上空空氣冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)樗倪^程，提出了地面上的水是由氣體轉(zhuǎn)變而來的觀點(diǎn)。Alexandria 第一個將徑流作為流體來測量，Bede(673735) 首次對水文氣象進(jìn)行了描述。然而，直到 17 世

5、紀(jì)人們才開始通過實(shí)驗(yàn)對水文進(jìn)行科學(xué)的認(rèn)識。Halley(16561742) 和 Dalton(17661844) 主要對水分蒸發(fā)進(jìn)行了研究；Wren 和 Hooke 主要研究了降雨量的測定3；Penman 提出了用于估計(jì)潛在蒸發(fā)的等式；Pierre Perrault和 Edme Mariotte(1674)對法國北部塞納河流域的降雨和河流流量進(jìn)行了測定，結(jié)果顯示該地區(qū)的降水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了河流流量；Edmund Halley在水文蒸發(fā)方面作了許多早期的工作，他們被認(rèn)為是現(xiàn)代水文學(xué)的奠基者之一4。中國對森林與水文關(guān)系的認(rèn)識也可追溯到 2000 多年前。漢書·貢禹傳（公元前 48公元前 33

6、 年）中已有“斬林木亡有時禁，水旱之災(zāi)未必不由此也”的記載，在其他如淮南子、齊民要術(shù)（公元 533554 年）、農(nóng)政全書（公元 1639 年）等中國古代文獻(xiàn)中也可見到許多關(guān)于樹木與水文關(guān)系的描述。我國對森林水文效應(yīng)的科學(xué)研究開始于 1924 年，前金陵大學(xué)美籍學(xué)者羅德明和李德毅在山東嶗山和山西五臺山觀測了森林對徑流、泥沙的影響。新中國成立以后，我國的森林水文學(xué)研究得到了全面開展，各林業(yè)科研院所和大專院校從森林水文單項(xiàng)效應(yīng)和森林流域綜合效應(yīng)全面開展研究并取得了一系列重要的成果。2 森林集水區(qū)研究森林與水相互作用的研究開始于本世紀(jì)初期，到目前為止，對于森林生態(tài)系統(tǒng)的涵養(yǎng)水源、凈化水質(zhì)、保持水土、減

7、洪、滯洪及抵御旱澇災(zāi)害等水文效應(yīng)已得到世人的共識。而森林和森林砍伐對徑流的影響作為森林水文學(xué)研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，很久以來就受到了人們的關(guān)注。其中森林集水區(qū)實(shí)驗(yàn)作為一種研究森林管理方式對徑流量影響的方法在世界上被普遍采用，幫助人們認(rèn)識了水文循環(huán)過程以及土地利用方式對它所造成的影響，它在人們對水文的科學(xué)認(rèn)識中起到了極為重要的作用5。下面就森林集水區(qū)研究的歷史和目前的研究概況、主要結(jié)論等方面進(jìn)行簡要的回顧。2.1 森林集水區(qū)研究的起源以流域?yàn)閱卧芯可謱哟◤搅鞯挠绊懯加?19 世紀(jì)后期。當(dāng)時，在 Alps 地區(qū)發(fā)生了一系列的自然災(zāi)害，村莊洪水泛濫、山體滑坡、農(nóng)田遭到破壞，這些都是由于為建立牧場而

8、砍伐了大量森林所帶來的嚴(yán)重后果，但它也促使了世界上第一個集水區(qū)研究的開始。1900 年，在瑞士的 Bernese Emmental地區(qū)對兩個 0.6km2 集水區(qū)中水文對降雨的反應(yīng)進(jìn)行了比較6。其中一個集水區(qū)是 Sperbelgraben（99% 為森林），另一個是 Rappengraben（69% 為牧地，31% 為森林）。比較結(jié)果表明，在 Sperbelgraben 集水區(qū)洪水流量和每年產(chǎn)水量雖然比后者低，但基流卻比后者高，河床侵蝕是 Rappengraben 的一半，山體滑坡幾乎不發(fā)生7美國緊隨歐洲之后開展了森林集水區(qū)研究。美國的森林覆蓋率為 30%，隨著人口的增長和大范圍的移民，在 1

9、9 世紀(jì)后期許多森林被砍伐8。隨之而來產(chǎn)生的一系列后果引起了人們對森林水文作用的關(guān)注，從而也開始了一系列的科學(xué)研究。首次研究是 19111912 冬天在 New Hampshire的 White Mountain開始的，結(jié)果表明，從森林流域中流出洪水的洪峰比從沼澤地流出的低9。美國科羅拉多州南部的 Wagon Wheel Gap 配對比較集水區(qū)實(shí)驗(yàn)是具有真正科學(xué)意義上集水區(qū)研究的開始。該集水區(qū)建立于 1909 年，面積約 0.9km2，年降水量 530mm，其中幾乎一半為降雪。實(shí)驗(yàn)測量從 1911 年開始，兩個集水區(qū)被共同觀測 8 年后，其中一處集水區(qū)的樹木全部被清除，而另一處則保持原狀以作為

10、對照。又經(jīng)過 7 年的對比研究發(fā)現(xiàn)，清除森林后每年大約可以增加水流流量 30mm，但增加的水量大部分為春季洪水，少部分為夏季的枯水期流量10。2.2 不同國家與地區(qū)的森林集水區(qū)研究在 Wagon Wheel Gap 實(shí)驗(yàn)后，大量的集水區(qū)研究相繼開展起來，這其中最有影響的是 Coweeta 集水區(qū)研究。Coweeta 位于美國北卡羅來那州，研究工作開始于 1933 年，它一直被認(rèn)為是世界上持續(xù)研究歷史最長的集水區(qū)11。該集水區(qū)面積 18km2，由 25 個單獨(dú)的小集水區(qū)組成，其中包括清除森林和重新種植樹木等不同的處理。Coweeta 長期的水流量記錄為評價(jià)由不同的森林管理方式而引起的水文效應(yīng)提供

11、了可靠的數(shù)據(jù)來源。研究結(jié)果顯示，清除森林可以增加大約 15% 的平均水流量和洪峰流量。長期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示水流量與森林類型密切相關(guān)，由闊葉林轉(zhuǎn)變?yōu)樗闪趾螅瑥搅髁棵磕隃p少 250mm。由闊葉林轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾笠哺淖兞怂髁浚淖兞颗c草地的生產(chǎn)量有關(guān)，草地生產(chǎn)量的下降導(dǎo)致了水流量的增加。Coweeta 集水區(qū)研究的主要水文學(xué)結(jié)論是：林業(yè)管理者應(yīng)認(rèn)識到不同的管理方式影響了水分蒸發(fā)和截留，從而也影響到了集水區(qū)的水流量。Coweeta 集水區(qū)的研究還帶動了包括 Hubbard Brook在內(nèi)的其他一些地方的森林集水區(qū)研究。Hubbard Brook集水區(qū)位于美國新漢郡 (New Hampshire)阿巴拉

12、契亞 (Appalachian Mt.)山脈北部地區(qū)一處面積為 31km2 的高地區(qū)域，研究開始于 1955 年，由一系列小集水區(qū) (0.11km2) 組成。由于積雪的融化使該地區(qū)幾乎每年都受到洪水的威脅，所以，該研究的中心目的是為了尋找一個能夠成功控制水流量最大值的理想方法14。阿巴拉契亞山水文區(qū)的 29 個對比流域?qū)嶒?yàn)結(jié)果表明，在采伐 20% 的森林后可以觀測到流域水量的增加，將實(shí)驗(yàn)流域的森林全部采伐后，流域年產(chǎn)水量的增加幅度在 0400mm 以上，采伐面積每增加 10%，流域年產(chǎn)水量增加 28mm。在位于東部海岸平原水文區(qū)的 7 個對比流域?qū)嶒?yàn)中，采伐面積最少的為流域面積的 45%，結(jié)果

13、增加流域年產(chǎn)水量 100mm 以上；全部采伐流域森林后則年產(chǎn)水量可增加 250mm 以上，采伐面積每增加 10%，流域年產(chǎn)水量可增加 18mm。英國的集水區(qū)研究開始于 20 世紀(jì) 60 年代，其最初目的是為了研究在高地集水區(qū)域由種植針葉林所帶來的水文后果。他們的集水區(qū)實(shí)驗(yàn)主要集中在威爾士中部的 Plynlimon 地區(qū)和蘇格蘭的 Balqunidder 地區(qū)。其中 Plynlimon 集水區(qū)位于威爾士中部，20 世紀(jì) 60 年代晚期開始比較研究。兩臨近的集水區(qū)面積大約各 10km2，其中一個被成熟的森林所覆蓋，另一個被草地所覆蓋15。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，森林覆蓋的集水區(qū)每年的蒸發(fā)量總高于草地覆蓋區(qū)，

14、造成這一結(jié)果的原因是由于森林林冠對降水的截留以及其快速的蒸發(fā)，樹冠截留雨水的蒸發(fā)使整個集水區(qū)內(nèi)的蒸發(fā)量增加了 1 倍16。在一些小的洪水中，森林區(qū)域洪峰流量低于草地區(qū)域，但大的洪水時，二者差異不明顯。隨著研究的深入，研究的范圍從水流流量轉(zhuǎn)移到了水流中的養(yǎng)分循環(huán)、酸化、沉積和水質(zhì)的研究。在 Plynlimon 集水區(qū)實(shí)驗(yàn)獲得成功后，人們認(rèn)識到應(yīng)在氣候、地形和土地利用方式不同的地區(qū)開展相似的研究，這促使了 Balquhidder 集水區(qū)實(shí)驗(yàn)的建立。Balquhidder 集水區(qū)實(shí)驗(yàn)分別比較了草地與荒地以及草地和針葉林等不同植被覆蓋類型的水文過程17。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在 Balquhidder 森林植被的

15、存在同樣會減少產(chǎn)水量，這也是由于林冠對降雨的截留而導(dǎo)致蒸發(fā)量大大增加18。1948 年，德國在 Harz 山上部地區(qū)建立了兩個面積約 0.75km2 的小集水區(qū)，其中 Wintertal 被云杉林覆蓋，而 Lange Bramke集水區(qū)的樹木被砍伐，以草地覆蓋。從那時起，主要開展了水平衡、水化學(xué)和水流過程的長期研究19。研究結(jié)果顯示在 Lange Bramke由于森林的重新恢復(fù)導(dǎo)致水流量減少，而在 Wintertal 由于森林被砍伐而使年水流量增加。此外，德國還在 Krofdorf 開展了一項(xiàng)復(fù)雜的、多項(xiàng)配對比較的長期森林集水區(qū)研究，該實(shí)驗(yàn)采用了校核觀測的辦法來剔除其它因素對森林采伐實(shí)驗(yàn)的影響

16、。研究結(jié)果表明，分段采伐流域 96% 山毛櫸林后的第二年流域年產(chǎn)水量增加 86mm，這比根據(jù) 10 年校核觀測計(jì)算的流域產(chǎn)水量高出 39%20。以前蘇聯(lián)為代表的東歐諸國對森林與徑流的關(guān)系研究以氣象水文局、科學(xué)院、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、水利和林業(yè)部門設(shè)立的大量徑流觀測站為基礎(chǔ)進(jìn)行了長期的觀測。Yiwanov (1951)曾對 123 條河流的 212 個集水區(qū)的水文與森林植被的覆被率的關(guān)系進(jìn)行了分析。早在 20 世紀(jì) 60 年代，前蘇聯(lián)科學(xué)院院士 Molchanov21 就總結(jié)了全國的研究成果，發(fā)表了森林的水文作用的專著，從森林對降水的影響、森林與雪被及其融化和土壤融凍的關(guān)系、森林地被物、森林土壤與水分、

17、地下水、地表徑流、森林的水源涵養(yǎng)和水分調(diào)節(jié)以及森林覆被率對集水區(qū)河川徑流的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的論述。盡管大量的研究結(jié)果傾向于森林能增加集水區(qū)河川總的流量，但該書客觀地指出了森林對徑流影響的復(fù)雜性，證明森林的覆被與流域的徑流并非簡單的線性關(guān)系，它取決于具體地區(qū)的氣候，特別是降水量以及地貌、土壤類型結(jié)構(gòu)、集水區(qū)的面積和森林植被本身的組成、結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)力等一系列因素。我國的森林集水區(qū)研究開始于 20 世紀(jì) 60 年代，研究的內(nèi)容主要集中在探討森林植被覆蓋率變化與流域徑流量變化的關(guān)系，其中包括植被覆蓋率變化對年徑流量及其季節(jié)分配、洪水量、洪水過程、徑流組合變化等方面。劉世榮等 (1996) 對我國有關(guān)森林水

18、文生態(tài)效應(yīng)的集水區(qū)研究做了比較全面細(xì)致的總結(jié)和對比，從地跨我國寒溫帶、溫帶、亞熱帶、熱帶的小集水區(qū)實(shí)驗(yàn)以及黃河流域、長江流域等較大集水區(qū)的研究結(jié)果來看，多數(shù)結(jié)論認(rèn)為森林覆蓋率的減少會不同程度地增加河川年徑流量22。但同時也存在另一種相反的結(jié)論，在長江中游（包括岷江流域）5 組多林和少林流域 (6745322km2)，黑龍江、松花江水系 20 個流域 (101170000km2)23，四川省西部米亞羅高山林區(qū)、岷江上游冷杉林集水區(qū)內(nèi)24，祁連山北坡后山地帶25，永定河四級支流崇禮縣的東、西溝26的研究表明，森林存在會增加河川徑流量。這里要特別指出的是早在 20 世紀(jì) 80 年代黃秉維先生就提出了

19、關(guān)于正確估計(jì)森林效應(yīng)的論斷27、28，盡管直到目前仍存在著一些不同的看法，但是他的提法對于冷靜而科學(xué)地分析森林與水的復(fù)雜關(guān)系無疑起到了重要的警示作用。東非集水區(qū)研究項(xiàng)目開始于 19571958 年。在肯尼亞、烏干達(dá)和坦桑尼亞等東非國家中，隨著當(dāng)?shù)厝丝诘脑黾樱r(nóng)業(yè)用地壓力也不斷提高，這促使一系列集水區(qū)研究開始進(jìn)行，目的在于探討有關(guān)上游集水區(qū)土地利用變化所帶來的水文后果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，他們?yōu)檎峁┝艘幌盗懈淖兺恋乩梅绞降倪x擇2932。由于日本是一個多山的國家，所以其對森林水文效應(yīng)的研究開始較早。19111919 年，日本山林局在世界上首先采用單一集水區(qū)在茨城縣的太田實(shí)驗(yàn)場地開始對森林的水文效應(yīng)

20、進(jìn)行研究。1924 年在愛知縣實(shí)驗(yàn)林場設(shè)置 4 個流域試驗(yàn)地，對流域徑流量隨林相變化的比較試驗(yàn)以及不同樹種林木蒸騰量的比較研究，結(jié)果表明森林采伐可增加直接徑流 15%100%，森林完全采伐年徑流量增加 300mm 左右。到 1958 年為止，日本先后對上川、釜淵、寶穿川、龍之口各實(shí)驗(yàn)流域森林采伐的水文效應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明小流域的徑流量隨森林的皆伐、擇伐而增加。19661972 年，日本林業(yè)廳在木曾川、北上川、沼田川、酒甸川 4 個流域中設(shè)立了 86 處觀測點(diǎn)進(jìn)行水文觀測，結(jié)果表明森林覆蓋率大小與洪峰流量成反比，與枯水期流量成正比。近年來，日本的森林水文研究主要集中在兩個方面：通過一系列集水

21、區(qū)實(shí)驗(yàn)對采伐或造林給流域徑流量造成的影響進(jìn)行綜合研究；對降雨截留、蒸發(fā)散、下滲容量、地層中的重力水動態(tài)、地表徑流等個別水文現(xiàn)象進(jìn)行分項(xiàng)研究 33除以上提及的一些開展此項(xiàng)研究較早的幾個國家和地區(qū)外，其他一些國家和地區(qū)如加拿大、澳大利亞、新西蘭等也都相繼開展了集水區(qū)研究。目前森林集水區(qū)研究在世界上已經(jīng)被廣泛開展，不同地區(qū)、不同森林類型都有所涉及。1993 年 Whitehead 和 Robinson34 在 Bosch 和 Hewlett (1982)35工作的基礎(chǔ)上，對世界上 100 個森林集水區(qū)研究的分布情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖 1 所示。圖 1 世界集水區(qū)研究分布圖Fig.1 Distrib

22、ution of 100 word-wide catchment experiments carried out in various rainfall ranges2.3 森林集水區(qū)研究方法評價(jià)根據(jù)森林集水區(qū)的林種和林況的不同以及研究區(qū)域具體條件和研究目的的差異，不同的森林集水區(qū)實(shí)驗(yàn)常采取不同的研究方法，大致可以分為以下 3 類。(1) 比較不同集水區(qū)徑流的研究。最簡單的例子是選擇兩個除植被類型不同外其它方面都盡可能相似的集水區(qū)，對其實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較；(2) 單一集水區(qū)研究。這類實(shí)驗(yàn)在不同植被類型覆蓋的條件下對同一集水區(qū)進(jìn)行研究，它可預(yù)測陸地植被變化后徑流可能發(fā)生的模式，并同實(shí)際的觀測結(jié)果相

23、比較；(3) 單個集水區(qū)和相關(guān)集水區(qū)比較相結(jié)合的研究。兩個基本情況相似的集水區(qū)共同被測定一段時期，然后改變其中一個集水區(qū)的覆蓋植被類型，而另一個仍保持不變作為對照。以上 3 種集水區(qū)研究方法各有利弊。第一種方法最大的優(yōu)點(diǎn)是可以很快得出結(jié)論，然而，事實(shí)上沒有兩個集水區(qū)是完全相同的，因此，所觀察到結(jié)果中的差異可能是由于植被以外的其他因素所造成的；第二種方法解決了在陸地覆被物被改變以前其他因子不同的問題，然而，氣候變化的影響仍不能被排除，植被變化前測定的天氣可能與植被變化后的天氣存在著較大的差異。因此，在實(shí)際研究中通常采用的多是第三類方法，因?yàn)橛蓺夂蜃兓斐傻挠绊懣梢酝ㄟ^比較兩個集水區(qū)在植被變化前

24、后的輸出水量來確定。森林集水區(qū)研究中所采用的集水區(qū)面積主要取決于實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的地形、氣候和土壤等因素，從世界范圍來看，平均面積為 80hm2（范圍 12500hm2），其中面積在 50100hm2 的集水區(qū)被普遍采用35。因?yàn)槿艏畢^(qū)太小，容易造成試驗(yàn)誤差；但太大的集水區(qū)則難以管理，也難以準(zhǔn)確測量。3 基于森林集水區(qū)研究的初步結(jié)果與評價(jià)集水區(qū)研究的大量開展為我們提供了更多的認(rèn)識森林水文效應(yīng)的機(jī)會，但由于森林水文效應(yīng)問題本身的復(fù)雜性以及各個地區(qū)實(shí)驗(yàn)條件的差異，所得出的結(jié)論并不完全一致?？傮w上來看，關(guān)于森林與徑流的關(guān)系主要有以下 3 種不同的觀點(diǎn)。3.1 森林的存在會使徑流量增加前蘇聯(lián)的許多研究結(jié)果認(rèn)

25、為，森林覆蓋率增加能提高河川流量，并引用大量由于采伐森林造成河流水位下降和造成干旱的歷史事實(shí)加以證明。我國長江中游（包括岷江流域）5 組多林和少林流域 (6745322km2) 的對比分析結(jié)果也表明，多林流域的年徑流量比少林流域的大多林流域的年徑流系數(shù)比少林流域的增加 33%218%。對我國東北地區(qū)黑龍江、松花江水系 20 個流域 (101170000km2)10 年測定的多元回歸分析結(jié)果也得出相同結(jié)論，森林覆蓋率每增加 1%，年徑流量增加 1.46mm23。對我國西北地區(qū)秦嶺北坡的石頭河和黑河流域徑流量的分析表明，在 5060 年代，由于流域的林分質(zhì)量都經(jīng)過較大的破壞，徑流量分別下降 23.

26、6% 和 32.6%。但石頭河流域有較多林地被劃為保護(hù)區(qū)，林分質(zhì)量有較大提高，每公頃年產(chǎn)流量 6405.9m3，而黑河流域每公頃產(chǎn)流量為 4364.5m3，前者比后者高出 46.8%。馬雪華也觀察到在西南地區(qū)四川省西部米亞羅高山林區(qū)、岷江上游冷杉林集水區(qū)內(nèi)，采伐森林會使年徑流量減少24。此外，王金葉和車克鈞 (1998) 對西北地區(qū)祁連山北坡后山地帶25、李昌哲 (1986) 對華北地區(qū)永定河四級支流崇禮縣的東、西溝26的研究也表明，森林的存在不會減少河川徑流量。研究者在解釋這一現(xiàn)象時強(qiáng)調(diào)了森林在降水充沛的濕潤氣候條件下較少的蒸散耗水、森林土壤良好的滲透作用和水源涵養(yǎng)作用，從而保證了河川水分的

27、均勻分配和對流量洪枯的調(diào)節(jié)。3.2 森林的存在與徑流量之間沒有明顯的關(guān)系前蘇聯(lián)西北部和上伏爾加河流域等集水區(qū)的觀測，提出森林對小流域年徑流量無明顯影響，或發(fā)現(xiàn)不出明顯的規(guī)律性。我國的一些研究也得到了相似的結(jié)果，據(jù)在海南島萬泉河乘坡水文站和昌化江毛枝水文站的觀測資料表明，隨森林植被變化河川徑流量變化并不十分明顯。乘坡水文站控制面積 727km2，60 年代、70 年代森林覆蓋率分別為 15%、40%，年降水量分別為 2601、2428mm，年均徑流量分別為 1805、1676mm，年均徑流系數(shù)均為 0.6936。3.3 森林的存在會減少年徑流量國際上大多數(shù)國家的研究者在不同地理區(qū)域得出的結(jié)論多是

28、認(rèn)為森林的存在會使徑流量減少，前文提及的美國、英國、德國、日本以及我國的大多數(shù)研究結(jié)果都已經(jīng)證實(shí)了這一點(diǎn)。除此之外，其他許多地區(qū)的集水區(qū)研究也得到了相似的結(jié)果。Hibbert 在 1967 年總結(jié)了世界上 39 個集水區(qū)的研究結(jié)果，得出如下結(jié)論：森林覆被的減少可以增加水的產(chǎn)量；在原無植被覆蓋的地區(qū)種植森林將會減少水的產(chǎn)量；植被對處理方式的反應(yīng)是多方面的，并且往往是難以預(yù)測的37。1982 年，Bosch 和 Hewlett 就植被變化對產(chǎn)水量的影響這一問題對世界上 94 個集水區(qū)進(jìn)行了總結(jié)，其結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了 Hibbert 的前兩條結(jié)論，雖然結(jié)果的變化范圍較大，但總的趨勢是一致的。此外，他們

29、還對不同植被類型（包括針葉林、落葉闊葉林、灌叢和草地）對集水區(qū)產(chǎn)水量的影響進(jìn)行了探討。通過詳細(xì)的研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)水量隨集水區(qū)植被變化而波動的趨勢是可以預(yù)測的，針葉林和桉樹林的覆蓋面積每變化 10%，則產(chǎn)水量變化為每年 40mm；落葉闊葉林和矮灌叢則分別為 25mm 和 10mm6。變化最大的是在美國北卡羅來納州的 Coweeta 17號集水區(qū)，在裸地 100% 種植松樹林后水流的年減少量為 662mm，類似的變化還出現(xiàn)于美國的 Oregon 和南非等地區(qū)38。Stednick 在 1996 年對美國 95 個集水區(qū)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，也得到了相同的結(jié)果39。如前所述，我國的多數(shù)研究結(jié)果表明森林覆蓋率

30、的增加會不同程度地增加河川徑流量。但在干旱、半干旱地區(qū)，由于森林植被蒸騰耗水在生態(tài)系統(tǒng)水分平衡中占的比重較大，森林有明顯減少徑流量的作用。位于我國華北地區(qū)的山西省黃土區(qū)清水河流域，面積 435km2，森林覆蓋率在 60、70 和 80 年代末分別為 25.13%、55.29% 和 57.88%，而年均徑流量則分別為 55、46 和 23mm，年均徑流系數(shù)分別為 9.3%、8.3% 和 4.5%，隨著森林覆蓋率增加及林齡增大，年徑流量、年徑流系數(shù)都明顯減少36。對晉西黃土殘塬溝壑區(qū)中部山西省吉縣境內(nèi)的紅旗林場的少林和多林流域的對比研究也表明，少林流域的徑流量明顯多于有林流域，這主要是由于多林溝植

31、被蒸發(fā)較多40。3.4 對不同觀點(diǎn)的評價(jià)盡管大多數(shù)研究結(jié)果的總體趨勢都傾向于森林的存在會減少區(qū)域徑流量，但影響集水區(qū)徑流量的因素紛繁復(fù)雜，森林對徑流量的具體影響還會受到地域、流域大小和森林類型等多種因素的制約。例如多數(shù)研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)森林砍伐和種植森林對水流量的影響還與試驗(yàn)地區(qū)的年均降水量和試驗(yàn)期間的降水量有關(guān)。在高降雨量地區(qū)，由植被消失和植被恢復(fù)而引起的水量變化都是最大的。然而，由森林砍伐而引起的水流變化的持久性不如降雨量低的地區(qū)，這是由于降雨量高的地區(qū)植被恢復(fù)的速度也是很快的。但在另一方面，在降雨量高的地區(qū)，植被處理后集水區(qū)水量的年變化與降雨量年變化的相關(guān)性并不大。在干旱地區(qū)由于植被恢復(fù)速度

32、慢，所以，由植被變化引起的流量變化比較一致，但和實(shí)驗(yàn)當(dāng)年的降雨量有明顯的相關(guān)性。森林恢復(fù)過程中產(chǎn)水的減少量與幼林的生長速度相關(guān)，而植被砍伐后水流的減少量與植被的恢復(fù)速度相關(guān)。長期的集水區(qū)研究還發(fā)現(xiàn)，由于集水區(qū)植被改變而引起產(chǎn)水的變化量與森林的砍伐方式以及砍伐后的處理方式有很大的關(guān)系。據(jù) Cornish 在澳大利亞新南威爾士州對濕性桉樹林的水文研究結(jié)果顯示：在原生桉樹林被砍伐后的最初幾年中，集水區(qū)內(nèi)的產(chǎn)水量會增加 150250mm/a，增加量與森林被砍伐的面積直接相關(guān) (29%79%)；但當(dāng)砍伐面積小于 20% 時，產(chǎn)水量的變化不明顯。在被砍伐的森林自然恢復(fù) 23 年后，集水區(qū)內(nèi)的產(chǎn)水量開始減少

33、，在這以后的 4 年中，產(chǎn)水量減少的速率與桉樹林恢復(fù)的速度相關(guān)。在其中一個砍伐面積最大且森林恢復(fù)速度也最快的集水區(qū)內(nèi)，產(chǎn)水量的減少在森林被砍伐后的第 6 年達(dá)到了最大值250mm，這使該集水區(qū)此時的產(chǎn)水量甚至少于森林砍伐以前。這主要是因?yàn)殍駱溆琢值乃舭l(fā)量急劇增加，超過了原生林，從而導(dǎo)致集水區(qū)內(nèi)產(chǎn)水量的減少41。另據(jù) Jayasuriya 等對澳大利亞桉樹 (Eucalyptus regnans)林水文效應(yīng)的研究結(jié)果表明，森林砍伐的方式等因素也會影響到實(shí)驗(yàn)集水區(qū)內(nèi)的產(chǎn)水量。同一的稀疏間伐方式比斑塊狀砍伐方式能更有效地提高集水區(qū)的產(chǎn)水量。當(dāng)分別采用兩種方式處理后，在初期階段，集水區(qū)的產(chǎn)水量都增加

34、了 25%30%(130150mm/a)。但自然恢復(fù) 11 年后，采用前者處理方式，集水區(qū)的產(chǎn)水量仍增加了 15%，而后者的產(chǎn)水量已無明顯增加42。另據(jù) Ruprecht 和 Stoneman (1993)對澳大利亞其他地區(qū)紅柳桉樹 (Eucalyptus marginata)林的水文效應(yīng)研究也得到了相似的結(jié)果43。Hornbeck 等對美國西南部 11 個集水區(qū)產(chǎn)水量的長期變化進(jìn)行了比較研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在森林砍伐后并人工控制自然恢復(fù)，其集水區(qū)的產(chǎn)水量增加了 350mm/a；而在森林自然恢復(fù)的集水區(qū)內(nèi)，產(chǎn)水量增加為 110250mm/a。如果不進(jìn)行人工控制，讓森林自然恢復(fù)，則森林砍伐后產(chǎn)水量的增

35、加值下降得很快，一般不會超過 10 年44?？傮w來看，盡管大多數(shù)集水區(qū)研究的結(jié)果都傾向于第三種觀點(diǎn)，前兩種觀點(diǎn)只是少數(shù)集水區(qū)研究的結(jié)果，然而森林與水分的關(guān)系極其復(fù)雜，不同自然地理環(huán)境或相同自然地理環(huán)境下不同結(jié)構(gòu)類型的森林對大氣降水的截留、林內(nèi)降雨的再分配、地表徑流、地下徑流以及對蒸發(fā)散產(chǎn)生的影響不盡相同，由此而造成了水分大循環(huán)、小循環(huán)和水量平衡的時空格局與過程的差異。因此，對森林生態(tài)系統(tǒng)水文功能的研究要根據(jù)具體條件進(jìn)行分析，對不同情況下森林的水文功能要進(jìn)行綜合比較，不能將某一環(huán)境條件下得出的結(jié)果作為一般規(guī)律而加以應(yīng)用。4 進(jìn)一步研究的趨勢與展望4.1 加強(qiáng)合作研究集水區(qū)研究在過去的一個世紀(jì)中已

36、經(jīng)取得了極大的發(fā)展，它不再僅僅局限于簡單的配對比較，而是更為復(fù)雜的多個集水區(qū)之間的多項(xiàng)對比，其中也包括了集水區(qū)內(nèi)部過程和機(jī)理的研究。而目前研究的焦點(diǎn)都集中在局部區(qū)域乃至全球的環(huán)境變化方面，水文、水化學(xué)以及生態(tài)系統(tǒng)之間復(fù)雜的相互作用關(guān)系使多個集水區(qū)統(tǒng)一協(xié)作研究成為必然。在水文方面的國際科學(xué)計(jì)劃中，例如 UNSCO 的“國際水文二十年 (IHD)”和“后繼計(jì)劃 (IHP)”以及 WMO 的操作水文計(jì)劃，它們的長期目標(biāo)就是為了測量全世界所有集水區(qū)的水文變化。20 世紀(jì) 70 年代以來，國內(nèi)外已經(jīng)有了許多關(guān)于森林科學(xué)研究的網(wǎng)絡(luò)組織，如 FREND (Flow Regimes from Experimental and Network Data)計(jì)劃，它主要由歐洲 13 個國家的集水區(qū)研究組成，目的是探討水文格局的自然和人為影響變化，該計(jì)劃希望通過大的國際合作使水文研究的結(jié)果不再局限于某一單獨(dú)的集水區(qū)，并使這些結(jié)果能得到推廣。40 個歐洲研究機(jī)構(gòu)的集水區(qū)數(shù)據(jù)被收集到一起，成為一個廣泛的數(shù)據(jù)庫，它被用于系統(tǒng)分析和模擬以歸納出研究結(jié)果。ERB (Experimental and Representative Basin)，該組織主要通過交流集水區(qū)研究數(shù)據(jù)和信息增