长江上游森林植被对水环境的涵养效应

长江上游森林植被对水环境的涵养效应

长江上游（宜昌以上）占长江三角洲的50%以上，控制面积约100万公里。由于其特殊的地理位置、陡峭的地形和高流速，降雨幅度大、平坦、强度高，长江上游植被景观已成为长江流域生态环境保护的障碍和社会可持续发展的重要基础。尽管长江洪灾发生有气候方面的客观原因，但是人为因素造成的中上游地区森林过度采伐、乱砍滥伐、毁林开荒引起水土流失加剧和江湖、水库淤积，降低了调蓄洪能力，也是造成洪涝灾害的重要原因。长江上游天然林由于遭到长期过量采伐，面积锐减，质量下降，仅川西林区天然林面积在1985年至1995年的10年间减少了35.1%，而人工更新的森林面积有限，结构不合理，致使长江上游森林的生态功能尤其是水源涵养功能不断削弱，水土流失逐年加剧，江河含沙量急增，严重影响到长江上游社会经济发展，也是造成长江中下游水患的重要原因之一。因此，研究该区森林植被水文功能的格局与过程，从根本上揭示森林植被对该区水文过程与循环的调节作用刻不容缓。揭示森林水文生态功能及其随自然地理、植被条件和人为干扰施加的环境影响下的变化机制不仅有助于了解森林生态系统中水分的运转过程与机制以及对系统结构、生物地球化学循环、能量代谢和生产力的影响，而且能正确评价和认识森林的作用，为森林合理经营利用，保护自然环境和水资源以及维持人类与自然的协调统一所需生存环境的稳定提供持续发展的科学理论。本文主要从该区森林对大气降水的截留、对地表径流的影响以及森林蒸发散3个方面阐述该区森林生态系统水文生态功能和水量平衡的格局与过程。1山地气候分布特点自1960年始，中国林业科学研究院和四川省林业科学研究院在川西高山米亚罗林区（北纬31°40′，东经102°48′）进行了定位与半定位观测研究。该区地形属高山深谷型，山峰高度多在4000m以上，河谷多在3000m以下，比高2000m左右，坡度多在35°以上，有的高达60°～70°。该区土壤属山地棕色灰化土和褐色森林土，孔隙大，渗透性好。地处低纬度、高海拔，受西风带大气环流的影响，年降雨变异为700～900mm，平均为857mm，年平均相对湿度70%。年平均气温为6.5℃，7月最高温31.2°C,1月最低温-16.1℃。由于气候分异，森林植被垂直分布明显。海拔2500m以下为落叶阔叶林，2500～3000m为针阔混交林带，3000～3700m为亚高山暗针叶林带，海拔3700m为高山岷江冷杉、红杉针叶疏林，3900～4400m为高山灌丛草甸。2结果分析2.1森林对大气降水的阻塞2.1.1林冠截留分析林冠截留是森林水文研究的热点之一。多年来国内外许多学者对此作了大量研究，现已清楚地划分为降雨过程中湿润林冠上的雨水蒸发和雨后林冠蓄水蒸发和树干蓄水蒸发。目前，除获取大量有关林冠截留量和截留率的实测数据外，许多学者根据影响林冠截留的各种因子和林冠截留量的数量关系推导出降水截留的半经验和经验理论模型。由于建立的模型有各自的侧重点，导致可比性太差；另外，由于模型要求许多因子的测定，容易产生误差，会降低模型的精度。这些存在的问题主要是缺乏对林冠截流过程的本质认识。刘世荣、温远光等人综合大量的研究结果，认为林冠截留量与降水量存在极紧密的正相关关系，但是不同类型的森林，两者相关的线形是不同的，有的表现为极紧密的直线相关，有的则以幂函数关系较佳。方差分析结果表明，不同森林类型之间林冠截留与降水的关系无显著差异。冷杉林林冠截留量与降雨量的关系是，林冠截留量随降雨量的增加而增加，截留率随降雨的增加而减小，一年中林冠截留的幅度变化在20%～70%。林冠最大截留量出现在2～3月，最小出现在5～6月；截留量与林分郁闭度的关系是，当林分郁闭度在0.7时（5～7月），平均截留率为24%，当郁闭度在0.3时（5～7月），平均截留率为9.5%（图1）。2.1.2枯落物持水能力森林枯枝落叶层不仅能吸滞通过植被而降落在地面之水，而且还能增加地表层的粗糙度，从而减缓水流速度，使降水通过地被物缓慢渗透到土壤中，变地表径流为地下径流，减少土壤表层的流失，因此枯枝落叶层对森林的水源涵养和水土保持具有重要的作用。从表1可见，不同森林植被类型之间枯落物持水能力不同，岷江冷杉原始林的枯落物最大持水量、土壤最大持水量、苔藓层最大持水量比皆伐后形成的其他森林类型要大得多，尤其是枯落物、苔藓层最大持水量为其他森林类型的2.3～17.2倍和3.6～6.1倍，从灌丛到次生林或人工林，最后演替顶极群落，枯枝落叶层、苔藓层、土壤层最大持水量逐渐增大，并朝顶极群落水源涵养能力方向恢复，显示出岷江冷杉原始林具有良好的水文生态功能。枯枝落叶层干重的差异，反映了不同林型下凋落物的积累。其中箭竹、杜鹃、高山栎—冷杉林之所以大于藓类—冷杉林，主要因为前者有较多的落叶伴生树种和灌木，加上不同林型的气温、水分状况、土壤酸度的盐基含量等条件的差异，导致枯枝落叶层累积量和苔藓层的变化（表2）。根据刘世荣等人对全国79个点枯落物持水量与现存量的相关分析表明，两者存在极强的直线正相关关系，即：式中，M为持水量(mm);W为枯落物现存量(t/hm2)。2.1.3迹地土壤理化性质土壤理化性质与森林状态密切相关，一方面土壤不断供给森林所需的养分，另一方面森林也不断地改造着土壤。森林结构变化，往往引起土壤理化性质的显著变化，而变化后土壤，其理化性质恢复需要较为漫长的时间。当岷江冷杉原始林皆伐后，迹地表土层平均都比原森林覆盖下的土壤减薄5～10cm；迹地土壤容重自20cm以下就大于1.0，比伐前林地土壤提高20cm；迹地土壤pH值一般比林下土壤提高0.3～0.8；从有机质的绝对积累数字看，迹地比林地少49%；迹地土壤的含水率比林下土壤低36%；迹地土壤的石砾含量较林下土壤要高3%～5%以上。可见，迹地土壤的宜林特性是变劣了。但是，随着灌草入侵和森林群落的形成，土壤理化性质逐渐得到改善和恢复（表3）。生物量测定结果表明，岷江冷杉原始林最大，其次是皆伐后经30～40年形成的岷江冷杉次生林、粗枝云杉人工林、桦木次生林，最小是皆伐后经5年形成的灌木次生林。岷江冷杉原始林的苔藓层生物量高达7.426t/hm2，是其他类型的3～7倍，苔藓层是最为重要的水源涵养功能层，苔藓持水量是其自身重的6倍，其土壤的腐殖质层厚、容重轻、总孔隙和非毛管孔隙度大，表现出较高的土壤肥力，良好土壤结构和通气状况，有利于林木生长和涵养水源。2.2森林径流对年径流的影响森林对流域径流量调节受森林植被的类型、年龄、覆盖率的影响，以及气候、地形、地质和土壤的影响。一般的研究结论是，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。不同植被类型对径流的影响目前尚属研究热点，并无定论。然而，由于森林采伐及不同采伐强度导致植被覆盖率变化，从而影响地表径流确有比较明显的结论，但现实观测中，径流的产生必须和降雨联系在一起。表4列出了不同采伐强度和降雨强度影响下地表径流的动态。通过表4的分析，可以得到以下基本结论，即在径流产生的过程中，径流强度随雨强的增大而增大。由于采伐方式或强度影响了植被的覆盖率，从而使平均径流系数皆伐迹地>择伐迹地>原始森林。这说明，由于森林的采伐而增加了地表径流量。采伐强度越大，径流量增加越大。分别对择伐迹地和皆伐迹地的后期调查表明，伐后植被恢复很快，地表径流量和径流系数逐渐减少。皆伐迹地的平均径流系数为0.193%，翌年下降为0.152%；择伐迹地为0.090%，翌年为0.076%。由于长江上游地处高山深谷切割很深，气候湿润寒冷，森林的总蒸发量较小，降雨强度不大，所以，大面积的森林流域的年径流量常常大于少林或无林流域的径流量。对同一流域，不同时期由于森林覆盖率变化不大，因而流域年径流量的变化主要由于当年降雨的影响所致，森林覆盖率的影响并没有完全反映出来（表5）。但是，不同流域之间对比，则结果非常明显。两流域年降水量变化不大，引起年径流量差别的主要原因是植被。即较高的植被覆盖率具有较高的年径流量。这似乎和同一流域中由于不同采伐措施引起植被变化而改变径流量的结论相互矛盾。而事实上，在表5中同一流域不同年代对比的结论也和同一年代不同流域对比的结论相反。森林植被对径流的影响究竟是正效应还是副效应？怎样的对比研究是相对科学的？这恐怕只有等更多的试验验证了。目前的结论可归纳为：(1)森林大流域的年径流量常常大于少林或无林流域的径流量；(2)森林采伐改变径流过程观测结果为，岷江流域森林覆盖率下降10%～15%，地表径流与地下径流的比值由7∶2变为8∶2，导致洪水量增加，而枯水量减少。2.3森林蒸散量的测定对森林蒸散实测研究工作始于20世纪60年代。以往的研究，森林蒸散量是作为生态系统水量平衡的残余项来进行计算，直接测定少。表6列出了自60年代开始在我国各地利用能量平衡或水量平衡方法直接测定的森林蒸散量比较，其中包括长江上游四川米亚罗的测定数值，便于和全国其他地方的测定进行比较。从表6中不难看出，森林蒸发散受树种、林龄、海拔、降水量等生物和非生物因子共同作用。随纬度的降低，降水量增加，森林的实际蒸散值呈现略有增加的趋势，但相对蒸散率（蒸发散占同期降水量之比）变化为40%～90%，其中的规律是蒸散率随降水量的增加而减少。四川米亚罗地区，由于地处高海拔，年均温相对较低，而降雨量相对较大，所以最终的相对蒸散率较低，这也是这一地区蒸散特征不同于其它地方的原因。3森林植被生态功能的理论依据森林植被与水关系的科学问题的讨论在学术界引起较大反响，讨论的焦点集中在植被对水资源是起正向作用还是反向作用。长期以来，学术界在这个问题上没有形成共识。以长江流域和黄河流域上游的植被作用来讲，两者有着根本的区别。一个降雨丰沛，洪涝灾害频繁；一个干旱少雨，河道断流。所以植被的水文功能和作用机制明显不同。从表6中可看出，干旱地区森林植被的蒸发散占降水量的比率远远大于湿润地区，河北隆化的油松林其蒸发散占降水量（年平均仅为500mm）的93%，而四川米亚罗蒸发散仅占降水量（年平均700～900mm）的30%～40%。另外，在讨论植被功能的同时，还要区分是天然植被还是人工林的问题。这一点相当重要，因为研究的目的是解决大面积林业生态环境建设的需要，是为天然林保护和人工造林（种草）提供理论依据。所以切记不能拿着天然植被的研究结果用于指导人工造林或恢复，因为二者的区别是相当大的。本文着重论述了长江上游地带性植被在水文功能上的作用，其对大气降水的截持作用、对地表径流的影响和植被蒸发散问题只是个例。值得指出的是，森林破坏后，地表径流有增加的趋势，虽然短期内由于较好的温度、湿度条件使森林伐后植被恢复（主要是灌草和次生林）很快，地表径流量和径流系数逐渐减少，但是，如果长期的植被破坏而使该区的森林覆盖率大幅度下降的话，由此而引起的地表径流的增加将会引发洪涝灾害。在不同水文地理区域内，径流的形成机制和组成成分是不同的，不能将一个区域、一种尺度的研究结果简单地外推到其他地区与流域。尽管森林植被与水关系研究已有较长的历史，但是以往的研究局限在单项水文要素或小尺度研究的层面水平，缺乏在大流域、系统上应该维持多大规模、何种时空结构及景观格局的森林植被生态系统，才能有效地发挥改善、调控水文生态功能的理论依据，缺乏森林植被生态系统对洪水灾害、水土流失与水环境退化等生态环境问题在不同时空尺度的影响机制和影响程度的重大理论，尚未建立森林生态系统的水文循环动力学模型及多种尺度耦合的水循环调