黃土高原森林水文作用的兩個(gè)重大問(wèn)題

黃土高原森林水文作用的兩個(gè)重大問(wèn)題

關(guān)于森林植被對(duì)土地水循環(huán)的影響有很長(zhǎng)的研究歷史。其攔蓄地表徑流，削洪補(bǔ)枯的作用已成共識(shí)。但不同研究者對(duì)森林是否增加總徑流量，以及林地地表徑流能否轉(zhuǎn)化為地下徑流，補(bǔ)給地下水，則其說(shuō)不一。究其原因有二，一是對(duì)陸地下墊面的性質(zhì)及其所處的生態(tài)氣候帶，以及由此在森林水文效應(yīng)方面產(chǎn)生的差別缺乏深入分析；二是對(duì)林地水文效應(yīng)中的土壤水文過(guò)程缺乏深入研究和了解。如地處半濕潤(rùn)半干旱地區(qū)的黃土高原，其上面發(fā)生的森林水文效應(yīng)將具有何種自身特征，而會(huì)和南方濕潤(rùn)地區(qū)的土質(zhì)或石質(zhì)山區(qū)有所差別即是一例。指出這一點(diǎn)對(duì)理解不同結(jié)論的研究成果是非常重要的。1黃土植被對(duì)水循環(huán)影響的現(xiàn)狀分析在我國(guó)，黃土高原是一個(gè)具有獨(dú)特生態(tài)屬性、邊界比較清楚的區(qū)域單元，歷史上曾經(jīng)森林廣布，由于秦漢特別是明清以來(lái)，多次大規(guī)模移民，人口猛增，加上頻繁戰(zhàn)爭(zhēng)破壞，森林植被喪失殆盡。建國(guó)以來(lái)，經(jīng)長(zhǎng)期植被建設(shè)，在27萬(wàn)km2的黃土高原嚴(yán)重水土流失區(qū)內(nèi)，喬木林覆蓋率已恢復(fù)至9.27%，喬灌林覆蓋率恢復(fù)至15.17%。一些治理先進(jìn)的小流域，已恢復(fù)至30%～40%。在當(dāng)前西部大開(kāi)發(fā)生態(tài)環(huán)境建設(shè)為重的形勢(shì)下，植被覆蓋率將會(huì)大幅度增加。研究黃土高原植被對(duì)水循環(huán)的影響，不能不注意黃土高原獨(dú)特的下墊面性質(zhì)和本區(qū)所處的生態(tài)氣候帶對(duì)水分入滲、蓄積、產(chǎn)流、蒸散、流向所造成的重大甚至是決定性的影響。其中重要者分述如下。1.1土壤入滲性能黃土高原土壤多是粉沙含量較高、容重偏輕(1.0～1.3)的壤質(zhì)土類型，具有較高的入滲性能。大部地區(qū)穩(wěn)定入滲速率達(dá)到0.5～1.35mm/min，初滲速率達(dá)到15～28.5mm/min。這大大減少了降雨時(shí)發(fā)生超滲產(chǎn)流的機(jī)率，使絕大部分降水得以滲入土壤。1.2水循環(huán)的建設(shè)厚層黃土構(gòu)成的土壤水庫(kù)，擁有巨大的蓄水庫(kù)容，是水循環(huán)的一個(gè)重大影響因素。整個(gè)高原土壤持水能力達(dá)到200～300mm/m。在蓄水庫(kù)容中，死庫(kù)容即不參與水循環(huán)的庫(kù)容占25%～40%，為50～120mm/m。參與水循環(huán)的庫(kù)容，即植物能夠吸收的有效水庫(kù)容達(dá)到150～180mm/m。黃土層厚度達(dá)數(shù)十米甚至100m以上，相對(duì)于黃土高原400～600mm年降水量來(lái)講，全部攔蓄儲(chǔ)存只需上部數(shù)米土層。據(jù)多年觀測(cè)，每年降水的最大入滲深度為1～3m，半濕潤(rùn)地區(qū)大豐水年份方可達(dá)到5m以下。山川坡塬各類地形，95%以上的年降水量入滲、蓄存于土壤，只參與土壤—植物—大氣的水分小循環(huán)過(guò)程。1.3生態(tài)條件及樹(shù)種黃土高原疏松深厚黃土層，在田間最大持水量下仍保有20%通氣空隙，為植物根系深層生長(zhǎng)創(chuàng)造了適宜的生態(tài)條件。喬木、灌木和人工草地根深均在8m以下，一年生作物亦達(dá)2～3m。由此形成了植物利用深層儲(chǔ)水的強(qiáng)大能力，根層內(nèi)可用到有效庫(kù)容儲(chǔ)水量的70%～100%，遠(yuǎn)超過(guò)降水對(duì)土壤的可能補(bǔ)給量和入滲深度。1.4土壤水分循環(huán)負(fù)平衡的影響因素黃土高原大部地區(qū)年降水量（P）為400～600mm，蒸發(fā)力（E0）為800～1000mm，全區(qū)E0>P，這是林地發(fā)生土壤水分循環(huán)負(fù)平衡的決定性條件。整個(gè)高原地下水位多在地表以下60～100m，這給地下水參與水循環(huán)造成嚴(yán)重影響。2水土保持綜合治理黃河流域年平均降水量478mm，河川天然徑流量574億m3，相當(dāng)于降水資源量的16%。其中中游來(lái)水量247億m3，占43%。黃土高原位于黃河中游，其中流經(jīng)呂梁山以西嚴(yán)重水土流失區(qū)的窟野、無(wú)定、延、汾、涇、洛、渭七大支流，匯入河口鎮(zhèn)—潼關(guān)河段，其集水面積為31萬(wàn)km2，來(lái)水量共187億m3，占黃河年流量的33%。建國(guó)以來(lái)，以修建梯田壩地、建造植被、興建溝谷工程為內(nèi)容的水土保持綜合治理長(zhǎng)年不懈，其目標(biāo)均在于減流減沙，提高本區(qū)降水利用率。另一方面，發(fā)展灌溉、作物高產(chǎn)和植被增加增強(qiáng)蒸散所造成的耗水量增加，二者從蓄、用兩個(gè)方面作用于中游水文循環(huán)，其結(jié)果都會(huì)造成本區(qū)水文小循環(huán)增強(qiáng)，大循環(huán)削弱，最終造成匯入黃河的徑流水量減少。據(jù)黃河水利委員會(huì)水文部門(mén)研究，1990～1995年黃河中游河段實(shí)測(cè)年徑流量為122.2億m3，減少51.6%。中小尺度例證亦有同樣趨勢(shì)。陜北佳盧河流域面積1121km2，治理保留面積320km2，其中造林面積181.2km2。治理前1957～1969年年徑流量為9923萬(wàn)m3，治理后1980～1989年為4700m3，減少52.6%。陜北韭園溝小流域面積70km2，治理后減少?gòu)搅髁?9.9%。從較長(zhǎng)時(shí)間尺度來(lái)看，隨著黃土高原生態(tài)環(huán)境建設(shè)的發(fā)展，降水利用率進(jìn)一步提高，區(qū)內(nèi)水文小循環(huán)量將不斷增強(qiáng)，這對(duì)于占33%份額的入黃徑流量的影響是不容忽視的。喬灌林地在這個(gè)過(guò)程中無(wú)疑是一個(gè)重要的影響因素。3黃土下伏干層的分布及成因分析20世紀(jì)60年代初，在陜西渭北東部半干旱區(qū)農(nóng)田、關(guān)中半濕潤(rùn)區(qū)人工草地和隴東半濕潤(rùn)子午嶺林區(qū)相繼發(fā)現(xiàn)土壤存在下伏干燥化土層，簡(jiǎn)稱干層(圖1)。其位置在降雨入滲深度以下，即地表2～3m以下，土壤濕度處于田間最大持水量的50%～75%。70年代在陜北半干旱區(qū)人工草地測(cè)到的下伏干層，其濕度接近土壤萎蔫濕度。80年代在進(jìn)行黃土高原土壤水資源考察中，證實(shí)黃土高原林地普遍存在下伏干層（圖2）。干層的發(fā)生是土壤水分循環(huán)負(fù)平衡造成的，是本區(qū)植物資源特性、下墊面性質(zhì)、生態(tài)氣候帶綜合作用的結(jié)果。黃土高原位于蒸發(fā)潛勢(shì)大于降水量的半濕潤(rùn)和半干旱地區(qū)，喬灌林和人工草地蒸散需水量超過(guò)年降水量。據(jù)1999～2000年測(cè)定，蘋(píng)果喬木林多年平均年耗水量較年降水量多出89.7mm。人工苜蓿草地多出65.5mm，需水缺額通過(guò)吸取土壤深層儲(chǔ)水來(lái)補(bǔ)充，使土壤深層儲(chǔ)水得以參與土壤—植物—大氣的水分循環(huán)。本區(qū)降水量只能補(bǔ)充上部干濕交替層的消耗水量，深層因無(wú)降水補(bǔ)充而發(fā)生干燥化。干層的生物學(xué)成因還表現(xiàn)在：(1)干層的土壤濕度從未發(fā)現(xiàn)有低于萎焉濕度的情況；(2)干燥化深度與根系分布深度相應(yīng)，植物根系愈深，干燥深度愈大；(3)干燥強(qiáng)度因植物種類和生長(zhǎng)年限而定，并和降水量和蒸散量的比值相應(yīng)。即密度大的喬灌林地，干燥強(qiáng)度大于密度小的喬灌林地，喬灌林和人工草地大于農(nóng)作物地，高產(chǎn)農(nóng)田大于低產(chǎn)農(nóng)田，有植物地大于裸露土地。由此，對(duì)黃土高原下伏干層可以給予如下定義：它是位于降水滲深以下，因植物蒸散導(dǎo)致土壤水分負(fù)平衡，形成長(zhǎng)期存在的干燥化土層，其土壤濕度處在萎焉濕度至75%田間持水量（重力水發(fā)生濕度）之間。黃土高原下伏干層的分布存在以下規(guī)律：(1)下伏干層分布于黃土高原全區(qū)；(2)半濕潤(rùn)地區(qū)農(nóng)田在中低產(chǎn)年代未發(fā)現(xiàn)干層；(3)半干旱地區(qū)各類利用土地均存在下伏干層，而且似為不可逆過(guò)程。黃土高原南部半濕潤(rùn)地區(qū)，分布有著名的子午嶺林區(qū)和黃龍山林區(qū)。80年代以來(lái)，又發(fā)展成為規(guī)模達(dá)70萬(wàn)hm2的蘋(píng)果基地。在喬木林多年生長(zhǎng)以后，盡管出現(xiàn)了下伏干層，深層儲(chǔ)水調(diào)節(jié)作用削弱甚至消失，水分供應(yīng)轉(zhuǎn)而依靠年度降水，林木生長(zhǎng)雖會(huì)受到一定影響，但指出以下一點(diǎn)是非常重要的，即林木仍能保持正常生長(zhǎng)，水土保持功能依然顯著，蘋(píng)果仍能獲得預(yù)期的較高產(chǎn)量，單產(chǎn)平均可達(dá)40000kg/hm2左右。在黃土高原西部和北部半干旱地區(qū)，當(dāng)梁峁坡面下伏干層逐漸強(qiáng)化后，僅依靠年度降水，林木生長(zhǎng)會(huì)受到明顯抑制，與半濕潤(rùn)地區(qū)相比，其生長(zhǎng)高度相差0.8～2.2倍，胸徑相差0.5～1.6倍，蓄積量則相差5～12倍，水土保持效益也相應(yīng)降低。4干層對(duì)森林水文影響的影響4.1不同林地干層的水分虧缺林地土壤表層1～3m是干濕交替層，旱季因林木蒸散土壤變干，雨季因降雨補(bǔ)充又恢復(fù)濕潤(rùn)。干層上邊界為干濕交替層下緣，下邊界因不同植物而異。一年生作物位于地表下5m；蘋(píng)果林地位于地表下9.4m；油松、刺槐、遼東櫟、檸條等林地和苜蓿、沙打旺等人工草地位于地表8～10m以下。由于測(cè)深不夠，目前尚難確定。幾種林地干層的土壤水分虧缺量列于表1。水分虧缺量是指干層土壤濕度與田間最大持水量之差。在物理意義上，田間最大持水量是發(fā)生重力水過(guò)程的最低持水量，在本文中又采用“重力水發(fā)生濕度”來(lái)表達(dá)這一有物理含義的水文參數(shù)。從表1得知，林地土壤在0～5m土層中水分虧缺量達(dá)到604～887mm，在遼東櫟混交林地0～7.4m土層中達(dá)到966.7mm,15年生蘋(píng)果林地0～10m土層達(dá)到1071mm，均遠(yuǎn)高于所在地區(qū)年降水量。水分虧缺率表現(xiàn)出一定規(guī)律，半濕潤(rùn)地區(qū)普遍小于半干旱地區(qū)，前者變動(dòng)在41.0%～52.4%，后者變動(dòng)在65.4%～73.0%。在此種水分虧缺條件下，重力水移動(dòng)不能發(fā)生，只能發(fā)生由濕度梯度引起的水分?jǐn)U散移動(dòng)。4.2黃土地下水補(bǔ)徑排原因黃土高原主要地貌是黃土塬和黃土梁峁，地下水埋深多為40～100m，四周均被切割至基巖的溝谷所包圍。黃土中地下水位高于溝谷中地表水流，更高于基巖中的承壓水，因此無(wú)地下側(cè)流補(bǔ)給，降水垂直入滲是塬面和梁峁坡面地下水補(bǔ)給的惟一來(lái)源。降水到達(dá)地下水位，必須通過(guò)40～100m厚的黃土非飽和包氣帶。在黃土水分下滲中，一是因吸力梯度發(fā)生的下滲，其移動(dòng)距離有限，對(duì)地下水補(bǔ)給沒(méi)有意義；一是因重力作用產(chǎn)生的下滲，可以長(zhǎng)距離移動(dòng)。但重力水運(yùn)動(dòng)以土層達(dá)到田間最大持水量，即重力水發(fā)生濕度為前提。黃土高原降水量在地表入滲—蒸散過(guò)程中，滲深只能到達(dá)干濕交替層下界，具有巨大水分虧缺量的干層成為水分傳遞的隔離層，中斷了降水垂直入滲補(bǔ)給地下水的路徑。關(guān)于黃土地下水補(bǔ)給，許多作者解釋為降水通過(guò)黃土裂隙，形成優(yōu)勢(shì)流下滲的結(jié)果。實(shí)際上，黃土層內(nèi)發(fā)育的垂直裂隙并不能形成連續(xù)水流。進(jìn)入裂隙中的水流，由于水勢(shì)梯度差，很快被周邊土體吸收。排空的裂隙處于正壓，處于負(fù)壓的水分再不能排出，裂隙不能增強(qiáng)滲透系數(shù)，有關(guān)試驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)?？梢哉J(rèn)為，在黃土高原氣候和下墊面條件下，林地截留地表徑流，滲入土壤中的水分，復(fù)又以蒸騰形式進(jìn)入水分小循環(huán)，幾乎不能轉(zhuǎn)化為地下水。4.3不同區(qū)域森林年徑流攔截效益根據(jù)坡面小區(qū)和小流域徑流監(jiān)測(cè)研究，黃土高原坡耕地年徑流系數(shù)一般小于5%，而中小流域的徑流系數(shù)高于坡耕地，變化在5%～12%之間。因?yàn)橹行×饔騾^(qū)內(nèi)分布有村莊、道路、陡崖，其徑流系數(shù)遠(yuǎn)較農(nóng)田為高。黃土高原和南方多雨山區(qū)相比，徑流系數(shù)則小得多。表2表明，年降雨2000mm的江西中部山區(qū)小流域，徑流系數(shù)高達(dá)53.6%～62.2%，較黃土高原高出5～10倍，單位面積產(chǎn)流量高出15～40倍。因此，研究森林對(duì)總徑流量的影響，考慮不同區(qū)域產(chǎn)流強(qiáng)度背景十分重要。根據(jù)坡面林地小區(qū)和有林小流域?qū)崪y(cè)結(jié)果，證實(shí)黃土高原森林具有顯著的徑流攔蓄效益。表3表明，林地徑流攔蓄效益，即較對(duì)照區(qū)徑流減少量為57.9%～96.3%。表1所列之林地，年徑流系數(shù)均降至1%以下。99%的降水入滲、蓄積于土壤之中，復(fù)又被蒸發(fā)蒸騰消耗，進(jìn)入水分小循環(huán)，不能下移補(bǔ)給地下水。顯然，黃土高原森林必然導(dǎo)致林區(qū)出境總徑流量減少。早在1982年，黃委會(huì)西峰水土保持科學(xué)試驗(yàn)站在研究黃土高原典型林區(qū)，即子午嶺林區(qū)森林對(duì)徑流的影響時(shí)就指出，小流域和較大流域森林均具有顯著的減少?gòu)搅髁康淖饔?。在高降水量的南方濕?rùn)山