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1、森林植被变化对水文过程和径流的影响效应 摘要：森林植被变化对水分分配和河川径流具有调节作用。对我国森林植被变化水文效应文献的综合分析表明：森林砍伐或火灾引起森林覆盖度下降会导致林冠截留率、凋落物对降水截留能力和蓄水能力、土壤的渗透和蓄水能力降低。不同地区森林植被变化对径流的影响幅度相差较大，但比较一致的结论是：除长江中上游外，森林砍伐会降低植被层的蒸发散，增加河川径流；反之，会减少河川径流量。森林火灾会导致林木蒸发散减少，河川径流增加。关键词：森林砍伐；森林火灾；水文过程；河川径流中图分类号：S715.3文献标识码：A文章编号：1000-3037(2001)05-0481-071 前言森林植被
2、对陆地生态系统水分循环有着重要的调节作用，森林的水文效应是生态系统中森林和水相互作用及其功能的综合体现。在不同的地区，由于气候、地质条件、土壤和地形等因素的综合影响，森林的存在和变化将呈现出不同的水文功能。森林植被变化对森林水文过程的影响将会改变水量平衡的各个环节，影响森林的水分状况和河川径流。这将为不同地区森林变化对区域水分循环的调节作用提供重要信息，为森林生态工程的建设和森林保护提供科学参考，特别对当前西部开发“植树种草”生态保护工程具有重要的指导意义。森林与水关系的研究始于 20 世纪初，早期的森林水文研究重点关注森林的变化，主要观测森林砍伐对森林流域产水量的影响，采用的研究方法是对比流
3、域试验法和流域自身对比法。国际上对森林植被的变化，特别是森林砍伐、火灾对森林水量的影响及以增加流域水量为目的的森林经营等方面已有大量的研究，在 20 世纪 6080 年代达到高潮，以国际上举行了一系列的国际会议为标志。目前国际上研究的初步结论是：森林覆盖度减少可以不同程度地增加流域的产水量，造林则导致流域水量降低，而森林植被变化对流域产水量的影响却大相径庭。在我国，也进行了大量的森林砍伐对森林径流的影响和对比流域不同森林覆盖度对森林水文影响的研究，但文献较为散乱。本文在广泛收集和研究文献的基础之上，分析了不同地区森林植被变化对水文过程的影响，试图提供森林变化对森林水分循环过程中林冠截留、林内雨
4、的再分配、蒸发散和径流影响一般规律的认识，分析森林植被变化对水的调节和分配作用以及由此产生的空间格局和过程。2 森林植被变化对水文过程的影响森林对水文的影响主要表现在通过对冠层蒸散和对大气降水的重新再分配而影响到森林的水量平衡，从而对森林生态系统和流域的水分循环产生影响。2.1 森林植被变化对降水分配格局的影响2.1.1 森林植被变化对林冠截留率的影响林冠截留是森林的重要生态功能，是森林蒸发散的组成部分。根据不同类型森林对降雨的截留资料统计，我国各类森林生态系统的林冠截留量平均值变动在 134.0626.7mm 之间，林冠截留率的平均值为 19.85%7.16%。林冠截留量与降水量存在着正相关
5、关系，但不同森林类型由于林冠结构不同，两者的相关关系也不尽相同，林冠截留降雨量一般是降水量的对数函数，一般降水量在 1020mm 以上时，截留量随降水增加减缓。林冠截留量与降雨量和季节有较大关系，难以在不同类型森林间进行比较。相比之下，林冠截留率能较好地表现森林的截留效能，它与森林的结构和乔木层优势树种的构型 (architecture) 关系密切。与林冠的截留量相反，林冠截留率却随雨量的增加而减少。林冠的截留率与降水量呈紧密的负相关，在多数情况下表现为负幂函数关系。统计表明，在相似茂密的森林覆盖度下，林冠截留率一般规律是：针叶林阔叶林，落叶林常绿林，复层异龄林单层林。充分郁闭的针叶林平均截留
6、率大致均在 20% 以上，阔叶林的平均截留率一般小于 20%( 具有复杂结构的热带山地雨林和季雨林除外 )，西部山区暗针叶林的林冠截留率最高。森林砍伐引起的森林覆盖度下降会导致林冠截留率降低，据文献 8，1015 统计，森林盖度每降低 10%，林冠截留率平均降低 3.0% 左右。2.1.2 森林植被变化对凋落物截留作用的影响森林凋落物层具有较强的截留水分和蓄水的性能，凋落物截留和蓄水量决定于凋落物的现存量及凋落物的持水能力。凋落物的现存量又决定于不同森林的生产力和分解能力，而凋落物的持水能力 ( 通常用最大持水力表示 ) 通常与物种、厚度、湿度、分解程度和成分等有密切关系。各类森林生态系统枯枝
7、落叶层的最大持水量在 200%500% 之间，平均最大持水量为 0.707.12mm。凋落物最大持水量与其现存量呈极显著的正相关关系，即森林生态系统中枯落物的现存量越大，则截留的水量也越大。在寒温带和西部亚高山针叶林和落叶阔叶林区，因气候寒凉，凋落物不易分解，故死地被物积累量大，凋落层持水能力也较强，其最大持水量常常大于 4；而热带亚热带森林由于水热条件适宜，枯枝落叶分解快，林分凋落物少，林内凋落物层持水能力较弱，最大持水量常在 4 以下。凋落物对降水的截留能力也较高，根据秦岭的观测资料，凋落层截留总量占同期降雨总量的 4.5%12.7%，因此，凋落层对水分的吸收是不可低估的。暗针叶林下地被层
8、发育，苔藓层生物量常可达到 35t/hm2，而且吸水力高，可达 600%，是一个重要的保水层。据黄礼隆在米亚罗的测定，岷江冷杉苔藓层可以涵养 73.8m3/hm2。因此，暗针叶林破坏导致苔藓层发育受阻将会显著地影响森林的截留和涵养水源的功能。森林凋落物最大持水量是一个理论值，实际持水量还与降水量和森林的盖度有很大关系。森林砍伐会增加林内的光照和提高凋落层的温度，使凋落层分解加速，现存量降低，从而显著地降低凋落层的持水能力。周晓峰等研究了蒙古栎林采伐后凋落物量和持水力的变化，疏伐对凋落物和最大持水量影响较小，蒙古栎林经疏伐郁闭度从 0.95 降低到 0.6 时，凋落物干重从 6.79t/hm2
9、减少到 5.82t/hm2，最大持水量从 2.2mm 降低到 1.9mm，分别降低了 14.3% 和 13.6%；但在皆伐迹地，凋落物干重和最大持水量降低到 2.73t/hm2 和 0.9mm，分别降低 59.8% 和 59%。可见，森林凋落物具有较强的持水能力，特别在降水量较大的西南山地暗针叶林区具有很强的水分涵养功能，凋落层是巨大的水分蓄积库；南方热带亚、热带地区凋落物易分解，持水能力较低，凋落物对防止水土流失和涵养水源尤其重要，在水源林的管理中要特别注意保护好凋落物，同时还要促进林下灌草丛培育。2.1.3 森林植被变化对土壤水文作用的影响森林土壤疏松，物理结构好，孔隙度高，具有较强的透水
10、性。森林植被破坏后，凋落物减少，还会影响到土壤微生物的活动和土壤的孔隙度等物理结构，从而影响到土壤渗透性和土壤的蓄水、保水能力。(1) 森林变化对土壤渗透的影响土壤对水分的渗透性是森林水文特征的重要反映，土壤渗透能力主要决定于非毛管孔隙度，通常与非毛管孔隙度呈显著正线性相关关系。土壤渗透的发生及渗透量决定于土壤水分饱和度与补给状况，不同的土壤类型和森林生态系统类型决定着土壤的渗透性能。森林破坏会降低根系的活动，加之凋落物层减少和土壤孔隙度降低，使土壤的渗水性能降低。研究表明，阔叶红松林皆伐形成的草地的初渗率和稳渗率只相当于原始红松林的 30%60%，大大地降低了森林土壤的渗透性能。但森林砍伐后
11、进行复垦或耕作会增加土壤的渗透率，尤其上层土壤更是如此。在热带山地雨林破坏进行轮歇耕作后，030cm 土层渗透能力提高（增加 56mm），但 30cm 以下土层渗透能力显著降低（降低了 96mm），这是由于表层耕垦增加了土壤孔隙度，而底土层渗透性恶化，加之垦地径流多，底土地上层补给水相应减少，深层渗透量下降。杉木人工林和皆伐林地的土壤渗透系数对比试验也表明，森林砍伐后复垦可以增加土壤的渗透能力。(2) 森林植被变化对土壤蓄水量的影响森林土壤是涵养水源的主要场所，土壤蓄水量与土壤的厚度和土壤的孔隙状况密切相关。其中，土壤非毛管孔隙是土壤重力水移动的主要通道，与土壤蓄水能力更为密切，不同森林类型土
12、壤的蓄水能力大相径庭。统计表明，热带、亚热带森林，特别是阔叶林生态系统，土壤孔隙度发育好，林地蓄水能力强，非毛管蓄水量在 100mm 以上；而寒温带、温带山地针叶林和温带山地落叶阔叶林，非毛管孔隙蓄水量较低，多在 100mm 以下。森林植被破坏后，植物根系分布较浅，土壤孔隙，特别是非毛管孔隙明显减少，持水力下降，土壤蓄水量减少。祁连山藓类冷杉林破坏后退化形成的灌木混交林以及祁连圆柏林破坏后形成的草地各层土壤持水量的对比表明，森林破坏使土壤蓄水量降低。在藓类杉木林转变为灌木林 080cm 土壤中孔隙度降低了 11.8%，蓄水总量降低了 42.13% 而 020cm 土壤孔隙度降低了 23.6%，
13、蓄水量降低了 66.1%。祁连圆柏林转变成草地后土壤孔隙度降低了 2.4%，蓄水量减少了 12.76%。可见，上述森林植被破坏对土壤蓄水量降低的影响主要表现在 020cm 土层因孔隙度的降低而致。杉木人工林、间伐林和皆伐迹地土壤贮水能力分别为 1220t/hm2、1030t/hm2 和 860t/hm2，皆伐迹地土壤蓄水能力最低。杉木林及其间伐和皆伐迹地土壤蓄水量的季节变化动态表明，间伐和皆伐迹地年均蓄水量分别减少 5.0% 和 5.9%。杉木林的蓄水量在夏季低于其它季节，这主要是因为在此季节降水增多，土壤含水量高，蓄水能力减弱的缘故。2.2 森林植被变化对蒸发散的影响根据海南、华中、长江中上
14、游、黄土高原（黄河流域）、秦岭和东北等不同地区的不同森林类型森林植被变化或对比流域数据森林覆盖度对径流和蒸发散的影响数据分析，可知森林植被破坏引起森林覆盖度降低一般会导致径流量增加，蒸发散降低。这主要是由于森林砍伐后，降低了植冠层的蒸腾，使收入的水分增大，增加了产流量，河川径流增加，蒸发散降低。而在长江流域则出现相反的现象，森林砍伐导致流域产流量降低，蒸发散增加，蒸发散占降水量的比例增加。对于长江流域与其它流域得出的相反结论，有的学者给予了这样的解释：森林对径流的影响是通过影响降水与蒸发来进行的，在长江上游地区，山高谷深，气候湿润，蒸发力与实际蒸发量接近，在这种气候条件下，森林生长并不一定引起
15、实际蒸发量的显著增加。相反，由于森林的调蓄作用，使河流洪水减少，平水期流量增大，森林体现出涵养水源的作用。因此，森林破坏可以导致径流降低，蒸发系数相对增加。但在其它地区，由于蒸发量较大，如在黄土高原干旱半干旱区，年蒸发力大于实际蒸发力，蒸发力甚至可以比实际蒸发量大一倍，森林的生长必然引起蒸腾量的增加，蒸发散增大。3 森林植被变化对径流量的影响3.1 森林砍伐对径流量的影响森林砍伐对径流量的影响是森林水文学长期以来关注的问题，早在 20 世纪初，在欧洲就有研究森林砍伐和未砍伐森林产水量的流域对比试验，后来流域自身对比法也得到广泛应用，丰富了该领域的研究资料。我国从 20 世纪 60 年代开始也进
16、行了大量的类似研究，也有一些学者对森林变化的影响进行了估计，但仍然与国际上的基本估计相去无几，不同地区森林植被变化对径流的影响幅度相差较大。这正说明了森林植被变化的水文效应是一个非常复杂的问题，在不同地区只有进行具体分析才能把握森林的水文功能，从而为森林生态工程的建设提供依据。下面就不同地区对森林砍伐的径流效应进行分析。3.1.1 东北地区东北林业大学在帽儿山的蒙古栎采伐实验表明，采伐改变了森林径流的分配，疏伐对总径流量影响较小，森林皆伐可以较大程度地增加年径流量。经 50% 疏伐，使郁闭度从 0.95 降低到 0.6，径流量仅增加 1.9mm，增加了 0.88%，皆伐迹地径流增加 30.7m
17、m，净增加 14.46%。森林采伐对径流影响主要表现在增加地表径流和壤中流的比例，而下渗径流降低，与保留林相比，皆伐迹地地表径流增加 152%，壤中流增加 88.3%，下渗径流减少。在径流成分中，皆伐迹地增加量最为显著，红松阔叶林对比研究表明，增加量可以达到 588%，白桦林增加为 47.4%。在东北地区，森林采伐使径流增加可解释为林冠截留降低和增加了融雪速度，采伐减少了凋落物的蓄积量，使凋落物分解、地表蓄水能力减弱、地表径流增加比例增大。尽管东北地区森林采伐引起森林覆盖度降低可增加产流，但有趣的是，在较大流域面积的河川径流量却随森林覆盖度增加而增加，恰好与小区测定结果相反。据相关分析，松花江
18、流域森林覆盖度增加 10%，河川径流量可以增加 23.8mm。有些学者将此现象解释为森林的积雪效应，森林的融雪径流增加了河川径流。除上述原因外，可能还有尺度增大产生的加成效应。美国也出现了森林砍伐增加径流的观测结果与森林盖度对大流域产流具有正效应的相关分析结果相左的现象。在 700hm2 独立流域森林的皆伐表明，年产流量可以增加 40400mm，森林产生的径流比草本植被少。然而，俄罗斯基于 10000km2 或更大流域的年流量与森林覆盖度的相关关系研究发现与数十平方公里观测结果相反的结论：森林对产生河川流量有正效应。美国水文学家在美国北部 140 个小于 260km2 的流域发现相似的相关关系
19、，多元分析及来自俄勒冈和加利福利亚州的数据表明：当河道长度大于 1530km( 流域大小指标 ) 时，森林对径流的影响为正，至少很少出现负效应，森林主要对基流产生影响。3.1.2 黄土高原区黄土高原区气候较干旱，林区降水量为 400600mm，土壤蒸发强烈。土层深厚，土质疏松，透水性能强，森林植被主要为辽东栎、桦、杨、椴、榆树组成的次生性落叶阔叶林和由侧柏、油松等组成的温带针叶林。据黄土高原成对有林和无林流域降水和径流的相对变化量资料统计表明，黄土高原区森林覆盖度增加会普遍降低河川径流量，森林覆盖率平均每增加 10% 将减少径流量 1.67mm，增加流域降水量 4.12mm，而吉县的清水河 6
20、080 年代资料却表明，森林植被恢复后会显著减少流域的降水量。这说明了在黄土高原区森林盖度增加会降低流域的径流量。在黄土高原区，森林盖度增加 10%，流域蒸发散平均增加 4.99mm。森林覆盖率增加引起径流量降低可以解释为森林覆盖度增加引起的流域蒸发大于森林增加降水的效应产生的结果。然而，在位于汾河流域的石质山地出现与其它地区不一致的情况，森林覆盖率增加有增加年径流量的作用。刘昌明等认为这是地面物质组成的差异引起的。黄土林区林下有较深的黄土层，透水能力极强，是巨大的蓄水层。森林大量增加雨水入渗，使之贮藏于土中，由于黄土深厚，水分还未来得及下渗到地下水层便源源不断地蒸发掉了。因此，深厚的黄土层与
21、森林渗水作用配合，造成土壤蒸发与森林蒸腾极为有利的条件，特别是土壤蒸发力加大，而使径流减少。而在石质山区，由于森林长在土层浅薄的石质山地上，浅薄的土壤遇水容易饱和，并且在相对不透水的岩石界面上，极易产生壤中径流。在这种情况下，森林并不减少地表径流与壤中流，而是有利于径流的形成，使得径流量比周围非林区大。刘昌明等分析了黄土高原年径流量及其成分随森林覆盖度变化的曲线，发现黄土高原流域年径流量随森林覆盖度增加而降低，即森林具有减少河川径流的作用。在径流量的两个组分地表径流和地下径流中，地表径流随森林覆盖度增加呈直线降低，而地下径流有随覆盖度增加而微弱上升的趋势，地下径流增加在一定程度上减缓了森林覆盖
22、率降低地表径流的趋势。这可能是在黄土高原区树木根系分布较深，植物蒸腾形成的巨大蒸腾拉力提升地下水，表现为地下径流补偿年径流的现象。3.1.3 长江上游地区长江上游地区各流域森林砍伐或多林与少林的流域对比统计数据表明，森林植被盖度降低会导致流域的径流量减少。例如在岷江上游的米亚罗亚高山森林生态系统中，森林砍伐显著地降低了流域的产水量，从两个对比试验沟观测数据可以看出，森林覆盖度降低 10%，可以降低径流量 70mm 左右，森林砍伐降低河川径流效应明显。但地处四川剑阁县的桤柏混交林的流域对比试验表明，人工林覆盖度的降低可以导致流域径流量的增加，森林覆盖度每减少 10% 可以增加径流 17.5mm。
23、在四川境内的长江上游各支流 20 世纪 6080 年代森林植被覆盖度变化对流域径流影响对比数据表明，随沱江、嘉陵江、渠江和涪江流域森林覆盖率的增加，年径流量和径流系数增加；以枯水月平均径流与年径流量的比值 ( 保持指数 ) 为指标，可以清楚地反映森林植被变化对河川枯水期径流的影响，上述 4 个流域在森林覆盖率增加的情况下，尽管年径流量和径流系数均增加，但枯水期径流并未得到明显改善。建国初期，岷江流域森林覆盖率在 50% 左右，而在 70 年代末，由于森林采伐，森林覆盖率下降到 20% 以下，80 年代开展的植树造林使森林覆盖率得到一定程度的提高。尽管植被开始恢复，河川径流和径流系数也开始回升，
24、但还未达到 6070 年代的平均水平，这说明森林植被变化对河川径流的影响有一个较长的时滞过程。长江上游和黄土高原森林覆盖度对径流的影响结果截然相反，这是由于长江上游地区山高谷深，气候湿润，林地总蒸发量较小，降雨强度不大。因此，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。虽然森林采伐能促使年径流量略有增加，但是由于该区植被恢复快，径流量可较快地恢复到原有水平。而在黄土高原区，因地处半干旱区，蒸发量大，森林的生长势必引起蒸发量的大大增加，从而显著地影响到年径流量。因此，森林区的年径流量显著小于少林或无林区。3.1.4 热带雨林区海南岛从 50 年代到 70 年代由于森林采伐，森林覆盖
25、度下降，森林覆盖度下降最高的南渡江上游和望楼河流域达到 50%。森林覆盖度降低导致了各流域年平均径流量不同程度的增加，而且，年径流量增加的幅度超过年降雨量增加的幅度。其中，以南渡江、南叉河、南湾河径流量增幅较大，年径流系数分别增加 7.1%、8.8% 和 12%，其它流域增加幅度较小，可见流域径流量的增加是森林覆盖度减少造成的。热带山地雨林砍伐后，森林覆盖率减少，凋落物分解加速，土壤持水能力减弱，在热带暴雨的袭击下，增大了地表径流。热带雨林砍伐迹地地表径流冲刷会引起水土流失和土壤肥力的严重衰退。因此，热带山地要严禁大面积的森林砍伐和以砍伐森林为代价的轮歇耕作。热带雨林区森林破坏对径流系数的影响
26、较明显，据所得数据统计，海南岛森林覆盖度与河流径流具负相关关系，即森林覆盖度每降低 10%，河流径流系数可以增加 3%。3.2 森林火灾对径流量的影响森林火灾是森林中的一项重要的干扰事件，可引起森林覆盖度大幅降低，从而导致河流径流量的变化。1987 年大兴安岭火灾后，在额木尔河、盘古河、塔河和免渡河等 4 个集水区 19871991 年的观测资料表明，火灾引起的森林覆盖度降低可以导致河川径流量的增加，森林覆盖度平均每降低 10%，河川径流量将增加 11.6mm，径流系数增加 0.021。其原因是火灾发生后初期，林木蒸发散极度降低，降雨分配少了林冠截留和地被层蒸发环节，相比之下，林地蒸发量增加不
27、足以抵消径流的增加量，从而引起径流量增加。同时，在森林发生火灾后，而植被尚未完全恢复前，火灾迹地融雪径流增加，这也是河川径流增加的一个原因。另外，径流过程观测资料表明，在火灾发生当年，集水区径流明显减少，随后有逐年增加的趋势，当植被得到充分恢复后，又有下降的趋势。火灾发生后，随着植被的恢复，且因根系分布较浅，植物蒸腾大量消耗土壤上层的水分，再者，由于林冠逐渐郁闭，林冠蒸散增大，从而使集水区产流量逐渐减少。可见，上述现象是森林植被变化调节森林蒸发散和降水在森林中分配的结果。上述结果还表明，森林火灾使河川径流增加，这在火灾后短期内较明显，而长期影响的结果表现为径流量减少。火灾和森林砍伐引起的森林覆
28、盖度降低的水文效应是有区别的。火灾会大面积摧毁冠层植被，火灾迹地森林的更新速度快于砍伐迹地，而且从根系发生来看，根系发生是逐渐向土壤深层延伸的发育过程，植物在幼年期蒸腾较强烈，且消耗浅层 ( 产流层 ) 水分，到此阶段就容易产生径流下降的情况。但随着森林演替的更进，林木根系向下层土壤延伸，深层土壤水分用于蒸腾量增大，又可以使径流量得到恢复，并逐渐恢复到火灾前的原生状态。而森林砍伐是对上层乔木的采伐，灌木层对深层水分的利用依然较强，相比之下，浅层土壤水分利用并不强烈，这是因为灌木层对更新进程有一定的障碍作用，更新层发育较弱。因此，采伐迹地森林更新是一个长期过程，采伐迹地径流量的变化不如火灾迹地那
29、样强烈。4 小结森林植被对陆地生态系统水分循环有着重要的调节作用，森林植被变化对森林水文过程的影响会改变水量平衡的各个环节，影响森林的水分分配和河川径流量。(1) 林冠截留是森林的重要水文生态功能，是森林蒸发散的组成部分。我国各类森林生态系统的林冠截留率的平均值为 19.85%7.16%。森林砍伐引起森林覆盖度下降会导致林冠截留率降低。据统计，森林盖度每降低 10%，林冠截留率平均降低 3.0% 左右；(2) 森林凋落物层具有较强的截留水分和蓄水的性能，凋落物截留和蓄水量决定于凋落物的现存量和凋落物的持水能力。寒温带森林和西部亚高山暗针叶林死地被物积累量大，凋落层持水能力强，再加上苔藓层发育，
30、具有较强的截留和涵养水源的功能。森林植被破坏会导致凋落物和地被层的持水能力降低，特别在南方热带亚热带凋落物易分解地区，保护森林凋落物对保持水土和涵养水源具有重要作用；(3) 森林破坏会降低根系的活动，加之凋落物层减少和土壤孔隙度降低，使得土壤的渗水性能降低。土壤非毛管孔隙是土壤重力水移动的主要通道，与土壤蓄水能力关系密切。森林植被破坏后，非毛管孔隙明显减少，持水力下降，土壤蓄水量减少，森林植被破坏对土壤蓄水量降低主要是 020cm 土层因孔隙度降低所致；(4) 森林植被破坏，植冠层蒸发散降低，增加了产流量，使河川径流量增加。森林覆盖度降低一般会导致径流量增加，蒸发散降低。而在长江流域则出现相反的现象，森林砍伐导致流域产流量降低，蒸发散增加；(5) 不同地区森林植被变化对径流的影响幅度相差较大，但比较一致的结论是：除长江流域外，森林砍伐会增加河川径流量，森林植被覆盖度增加会减少河川径流量。森林火灾将减少林木蒸发散，使河川径流量增加。集水区径流在火灾发生当年明显减少，随后有逐年增加的趋势，植被恢复后有下降的趋势，这是森林植被变化调节蒸发散和降水分配的结果。