森林植被变化对水资源影响的研究进展

森林植被变化对水资源影响的研究进展

森林植被是影响生态系统水循环的重要因素。不同的植被类型、数量和空间模式对水文具有不同的影响。森林植被对陆地生态系统水分循环有着重要的调节作用,同时也在净化水质以及对降水的再分配等方面有着重要的影响。引起森林植被变化的因素包括自然和人为两大类。近年来,随着人为因素的不断加大(砍伐、造林、放牧、化学药品使用等),森林的生态服务功能日趋衰弱,由此引发的水源枯竭、水土流失、水质污染甚至是洪水泛滥等问题的频繁出现,使人们意识到森林在维持水资源平衡和协调水需求矛盾方面所起的重要作用。我国森林植被变化影响河川径流的研究始于20世纪20年代,前金陵大学美籍学者罗德民博士和李德毅先生等观测研究了山东、山西等地不同森林植被类型对径流和水土保持效应的影响。此后数十年间,许多学者都对这一问题进行了深刻细致的研究,但由于选择研究区域差异的存在,导致了结果的明显不同。本文通过对已有研究结果的整理,从森林植被变化对年总径流量的影响和对流域径流量时程分配的影响(包括对洪水流量和枯水期流量的影响)等方面系统地介绍了森林植被变化对河川径流影响的研究进展,对目前存在的矛盾和问题进行了分析总结。1气候、地质和土壤森林对流域径流量的调节受森林植被的类型、年龄、覆盖率,以及气候、地形、地质和土壤的影响。学术界对不同植被类型对径流的影响目前尚无定论,主要存在以下观点。1.1径流时空分布通过对我国东北地区黑龙江、松花江水系20个流域(101~170000km2)10年测定的多元回归分析结果可以看出,森林覆盖率每增加1%,年径流量增加1.46mm。中国林学会森林涵养水源考察组对华北石质山区森林对河川径流影响的研究,认为在地质、地貌、气候等条件大致相似的流域中,森林覆盖率每增加1%,流域径流深增加0.4~1.1mm。我国长江中游(包括岷江流域)5组多林和少林流域(674~5322km2)的对比分析结果也表明,多林流域的年径流量比少林流域的大,多林流域的年径流系数比少林流域的增加33%~218%。对我国西北地区秦岭北坡的石头河和黑河流域径流量的分析表明,在50~60年代,由于流域的林分质量都经过较大的破坏,径流量分别下降23.6%和32.6%,但由于石头河流域有较多林地被划为保护区,林分质量有较大提高,每公顷年产流量6405.9m3,而黑河流域每公顷产流量为4364.5m3,前者比后者高出46.8%。马雪华也观察到在西南地区四川省西部米亚罗高山林区、岷江上游冷杉林集水区内,采伐森林会使年径流量减少。持有以上观点的研究者在解释这一现象时强调了森林在降水充沛的湿润气候条件下较少的蒸散耗水、森林土壤良好的渗透作用和水源涵养作用,从而保证了河川水分的均匀分配和对流量洪枯的调节。1.2坡水文站概况海南岛万泉河乘坡水文站和昌化江毛枝水文站的观测资料表明,随森林植被变化河川径流量变化并不十分明显,乘坡水文站控制面积727km2,60年代、70年代森林覆盖率分别为15%、40%,年降水量分别为2601、2428mm,年均径流量分别为1805、1676mm;王金叶和车克钧对西北地区祁连山北坡后山地带,李昌哲等对华北地区永定河四级支流——崇礼县的东、西沟的研究也都表明,森林的存在不会减少河川径流量。1.3森林覆盖率增加,密度小,总年径流增加,总径流系数少,比选需要增加位于我国华北地区的山西省黄土区清水河流域,在60、70和80年代末森林覆盖率分别为25.13%、55.29%和57.88%,而年均径流量则分别为55、46和23mm,年均径流系数分别为9.3%、8.3%和4.5%,随着森林覆盖率增加及林龄增大,年径流量、年径流系数都明显减少。刘昌明等分析了黄河中游的降雨及径流资料,结果表明,黄土高原林区的年径流显著低于其外围的边缘地区,林区的径流系数较非林区小40%~60%,周围非林区的年径流量为林区的1.7~3.0倍。2森林植被变化对流域内流量时间分配的影响森林植被变化对流域径流量时程分配的影响主要包括对洪水流量和枯水期流量的影响。2.1影响红峰流的因素由于目前研究方法、研究区域、森林情况、流域大小等条件的差异,森林植被变化对洪峰径流影响结论不一。2.1.1森林对年径流的作用森林通过乔、灌、草及枯落物层的截持含蓄、大量蒸腾、土壤渗透、延缓融雪等过程,使地表径流减少,甚至为零,从而起到削减洪水的作用。这一作用的大小,又受到森林类型、林分结构、林地土壤结构和降水特性等的影响。通常,复层异龄的针阔混交林要比单层同龄纯林的作用大;对短时间的次降水过程的作用明显。陈军锋等认为在林地,当暴雨强度大、历时短、量级小且前期流域干旱的情况下,森林能起到显著的消峰、减洪和拦沙作用;刘昌明等在研究黄土高原森林对年径流影响时发现黄土高原的森林并不是单纯的减少水量,而是通过森林复杂的拦蓄、调节作用,较少洪水流量,防止水土流失,改变地表水与地下水的比例,增加地下径流量,使河流水量变化缓和、稳定,水源常年不断。闫俊华在总结其他学者研究发现:在黄土高原森林覆盖率达30%的流域较无林地流域减少输沙量60%,岷江上游原始森林的采伐导致河流年平均含沙量增加1~3倍;海南岛尖峰岭热带季雨林地的耕地径流含沙量较有林地高3倍,森林植被是地表的保护层,它可以防止土壤侵蚀,减少河流泥沙淤积,同时,森林对防止水库、湖泊淤积、延长水库使用年限都有良好的作用。2.1.2森林影响洪水与第一种观点不同是,有学者认为森林拦蓄洪水的作用是有限的,有时甚至会起到负作用。林冠和枯枝落叶的截留、森林土壤结构等使降水在林内有一个再分配的过程,有利于截留滞缓一部分降水,但却不如预计的强。对于较大的流域,森林对中等洪峰的削洪作用不会超过40%(相对于无林地的洪水大小),而对于更大流域、更大暴雨或前期降小雨等情况,森林的削洪能力将会更小直至消失。四川嘉陵江、涪江、沱江等流域的洪水过程分析表明,森林消减洪峰量为10%~20%,最大不超过25%;刘志韬对黄土高原管涔山林区北石河岔上流域(31.7km2)历次暴雨洪水资料分析表明,森林对洪水的影响,视暴雨量和流域前期土壤含水量大小而不同。在林地,当暴雨强度大、历时短、量级小且前期流域干旱的情况下,森林能起到显著的削峰、减洪和拦沙的作用;但当暴雨量级大,前期流域已经蓄满后,其削减洪水的作用即行减弱且将起到增加产流量的作用。也有学者认为,森林植被会减缓洪水退却速度。黑龙江省海浪河流域内有林区(森林覆盖率为75%)与少林区(覆盖率为14%)的次降雨与径流过程比较分析表明,有林区的洪峰值比少林区的低2.924%~38.40%,而退水过程则要延后20~48小时。2.2对于常用问题，建议采用相对较多的方法来划分的问题森林变化与枯水径流的关系也是一个长期以来一直争论较多的问题。早在18世纪中叶,人们就认为失去森林会使泉水与河流枯干,但随着研究的不断深入,森林植被对枯水径流的影响存在两种不同的观点:补枯和减枯。2.2.1枯水径流对比森林的补枯即森林的存在有利于增加枯水流量。松花江水系20个流域10年测定结果表明,无林流域春季(枯水)径流仅占全年径流的6.5%~7.0%,径流深2.65~4.35mm,而有林流域(森林覆盖率为22%~90%)春季(枯水)径流占全年的比值为12.5%~31.9%,径流深达10.83~139.20mm,是无林流域的4~32倍;在川西高原原始林区,从有林沟和采伐沟的对比研究中可以看出,有林沟冬季(11~3月)平均枯水流量很稳定,保持在54~65L/s,径流模数在16.3~19.6L/skm-2,而采伐沟冬季月平均枯水流量只为13~21L/s,径流模数为4.48~7.23L/skm-2,说明采伐沟的枯水径流量下降显著;新疆地区天山西部多林山地的伊犁河最低与最高的月均流量比值为1∶7,天山中部少林山地的精河为1∶21,昆仑山无林山地的玉龙喀什河则高达1∶43,这也说明森林冰川综合涵养型远远优于冰川涵养型。2.2.2森林覆盖率对枯水期径流的影响在有些甚至是邻近流域的地区测定结果却显示出森林存在的减枯作用,即无利于增加甚至减少枯水流量。松花江水系陡嘴子河的4个中等集水区30年观测数据对比分析结果表明,当森林覆盖率在40%以上的情况下,比之荒地能增加径流历时64%,减少最大径流量32%,同时也减少总径流量14%,枯水期径流量也随之减少,森林覆盖率每增加1%,枯水期径流减少1.5~7.5mm;松花江水系阿什河上游3个小集水区(集水面积2km2以下)通过50%的带状采伐和皆伐后,采伐区的总径流量增加了1.31~9.17%,秋汛(多雨季节)径流增加了3.61%~10.71%,而枯水(包括春汛融雪径流)径流则减少了17.51%。3治理研究的难点及对策虽然有关森林植被影响河川径流作用的研究工作在数代科学家的努力之下,已经取得了很大的进展,但由于研究地域、研究手段的不同而存在不同的观点,还有许多亟待解决的难点和尚待探索的规律、机制。通过以上的研究结论,我们可以看到不同的研究结果并非绝对的矛盾,很多观点可以通过对不同条件的总结而统一起来。3.1森林水文功能的研究尽管目前大多数研究的结果都倾向于第三种观点,然而森林与水分的关系极其复杂,森林对年径流量的影响,不仅取决于森林生长的本身,还取决于气候条件、森林与其它下垫面条件的结合等。不同自然地理环境或相同自然地理环境下不同结构类型的森林对大气降水的截留、林内降雨的再分配、地表径流、地下径流以及对蒸发散产生的影响不尽相同,由此而造成了水分大循环、小循环和水量平衡的时空格局与过程的差异。因此,对森林生态系统水文功能的研究要根据具体条件进行分析,对不同情况下森林的水文功能要进行综合比较。一般的研究结论是,森林减少可以增加河川径流量以及造林可以减少流域径流量,但由于影响森林水温生态效益的环境异致性的普遍存在,森林植被变化对河川径流量的影响幅度在不同水文生态区差别很大,在温暖湿润地区,森林采伐后年径流量增加;在半湿润、半干旱和高温干燥的热带地区,森林采伐后年径流量减少。3.2森林作业的影响承认森林拦蓄洪水,采伐增加洪峰径流这一作用是有条件的,土壤前期含水量、枯枝落叶层被前期降雨所饱和的程度、暴雨的强度与历时、森林所分布的地貌部位、土壤层的厚度、下伏岩石的透水性能、流域尺度的大小等都会在不同程度上发挥作用,在某些不利组合下,森林就起不到消峰的作用。一般来讲,森林采伐对小洪峰径流增加较大,但对大洪峰径流影响有限,甚至没有影响。这主要是因为在大暴雨情况下,土壤与植被没有额外的储存能力,从而使大部分降雨转换成径流,而在洪峰受降雪与融雪过程控制的地区,森林采伐导致融雪过程的变化及其空间分布也有可能导致洪峰径流的降低。如果不区分大小洪峰对森林变化的影响,而笼统地讲采伐增加洪峰径流,这样就会夸大森林对大洪峰径流的作用。3.3蒸散耗水与枯水径流森林对枯水径流的作用有两类,一是在降水较多且林地土壤透水性能良好时,渗透强度超过可能的蒸发散强度,则森林对枯水径流的正效应突出;而在降水较少或不具备良好的渗透条件时,则有可能是蒸散耗水成为主要因素,森林的负效应就突出了。我国近些年来的研究结果证实这两类效应都存在。枯水径流取决于林地蒸散发与土壤入渗率的综合作用。比如在湿热带地区,植树造林往往使枯水径流增加;砍伐森林如果对土壤扰动较小,蒸散发的削弱作用会使枯水径流增加,反之则减少。因此,造林不一定增加枯水径流,而林种、林型、林区的管理等因素的影响可能更大。4完善森林植被对径流的影响研究方法目前研究中还存在许多亟待解决的难点和尚待探索的规律、机制,同时仍然面临着诸多具有挑战的科学问题、理论与方法亟待解决。未来仍需要进一步将先进理论、方法和科学技术