森林植被变化对流域水文影响的争论解读

森林植被变化对流域水文影响的争论

摘要：针对“森林能否增雨、森林能否减少年径流量、调节枯水径流以及能否削减洪峰”等问题，综述了各种观点，分析了出现分歧的原因。作者认为森林对降水量的影响不大，森林植被的存在一般减少年径流量，而对调节枯水径流以及削减洪峰等的作用则因地带、因流域尺度而异。研究方法的局限性、研究对象的复杂性以及区域差异和尺度的影响，是导致争论的主要原因。正确评价森林的水文效应，应该注意地带性差异、尺度的影响以及不同森林的类型等。 关键词：森林水文学；流域；植被变化；争论 中图分类号：S715.3 文献标识码：A

文章编号：1000-3037(2001)05-0474-07

20 世纪 80 年代初期，黄秉维[1]针对当时有些人过分夸大森林的作用，特别是就森林的水文作用的一些观点提出了自己的看法。强调不要过分夸大森林的作用，引起了比较强烈的反响。自 20 世纪初期学术界开始森林与水的关系的科学研究以来，世界各国就森林的水文作用做了大量的工作。不可否认，目前也形成了一些共识，比如森林通过林冠和枯枝落叶层的截留作用以及特殊的森林土壤结构对降水进行了再分配，使林内的降水量、降水强度和降水历时发生了很大的变化，从而影响了流域的水文过程[2]。但是，在森林水文作用的许多方面，国内外还存在争论，争论的焦点主要集中在：①森林能否增雨；②森林能否减少年径流、调节枯水径流；③森林能否削减洪峰等几个方面。如何认识这些争论以及怎样给森林的水文作用定位，对正确地评价森林的生态效益有着十分重要的作用。 1 争论的焦点问题 1.1 森林对降水量的影响

争论双方的分歧主要是森林能否增加林区的降水量。从理论上解释，森林对降水量的影响主要分为对水平降水和对垂直降水的影响两个方面。 1.1.1 森林对水平降水的影响

国内外学术界对这方面的研究结论比较一致，认为森林在相当程度上能增加水平降水。因为森林的层次结构多而复杂，枝叶茂盛，对雾等凝结水具有较强的捕获能力，当这些凝聚水落到地面上时，就相当于降雨。比如，据吕炯估计，我国云南南部热带雨林地区在旱季 11～3 月的 4 个多月中，林区每天午前均为浓雾笼罩，草木枝叶阻留大量水滴，每天平均可达 0.5mm 左右，整个旱季内达 50mm 以上，西双版纳景洪地区可达 70～80mm 以上[3]。从数量上来分析，森林附近水平降水量对于整个大气环流来说所起的作用却是有限的，但在

多云雾地区的森林却是例外，云雾林所捕获的水分（雾滴）超过了其蒸散量[4]

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1.1.2 森林对垂直降水的影响

在这方面，存在的分歧较大。一种观点认为，植树造林能增加降水量。这种观点的理论解释是，由于森林可以吸收深层土壤水分供林木蒸腾消耗，给大气输送大量水分，这些气态水一部分随大气运动游离出森林系统之外，另外相当大的一部分反馈于林区及附近地区，森林上空湿度大，温度低，成为一个冷却的下垫面，有利于成云致雨，增加降水。另外，森林使下垫面平均粗糙度增加，使空气扰动高度抬高，气流系统抬升，促使对流形成而增加降水[4]。据我国东北长白山林区、甘肃兴隆山、江西太岳山等地的试验结果，森林能使降雨量平均增加 2%～5%[2]。另一种观点认为，森林致雨的影响非常小，甚至没有。Giambelluca 等[5]利用全球循环模型（GCM）模拟森林采伐后降水的情况，结果表明，降水减少的观测好像被夸大了，因为模拟时把森林砍伐后的地表覆被都假设成了草地，实际上地表覆被更多地转变成了灌木和幼林；他们在泰国北部也进行了模型模拟，模型中用的参数都是森林采伐后土地覆被的实际参数，但是，结果并未发现看起来好像是由伐木引起的区域降水的减少是由土地利用变化引起的。

黄秉维[1]认为，森林致雨的结论可能是由于降水量观测误差造成的。 Sandstrom[6] 认为应该从比较水文学、景观、时间以及森林本身等因素来考虑森林的水文作用，而且这些因子还与地理位置及特定时间的土地覆被变化有关，因此，关于森林能否增加降水的问题，不能用“是”或“不是”来处理。 1.2 森林对径流量的影响

关于森林与径流的关系，国内外有关学者争论较多也较激烈，而争论的焦点是森林植被的存在增加还是减少流域的径流量。 1.2.1 森林对年径流量的影响

总结国内外大量的实验结果，主要有 3 种不同的观点：

其一，森林植被的存在增加年径流量。这一观点首先以前苏联学者为代表，我国的一些学者也得出相同结论。前苏联斯莫列斯克、季洛夫、伏尔加河左岸的 3 个地区的统计资料表明，在相同的气候条件下，有林流域较无林流域径流量增加 114mm，即森林覆被率每增加 1%，年平均径流量增加 1.1mm[3]。金栋梁[7]通过对长江流域大面积森林流域的分析，认为森林覆盖率高的流域比森林覆盖率低的流域、有林地比无林地流域河川年径流量均有所增加，其增加幅度在 21.8%～32.8%。中国林学会森林涵养水源考察组[8]，在华北选择了地质、地貌、气候等条件大致相似的三组流域进行对比分析，结果表明，在华北石质山区，森林覆被率每增加 1%，流域径流深增加 0.4～1.1mm。张天曾[9]及马雪华[10]等也得出相似结论。

其二，森林植被的存在减少年径流量。这一观点以美国和日本学者为代表，其他国内外学者也较多地得出这种结论。这种结论的得出大都采用对比的方法，比较无林流域和有林流域或者是同一个流域采伐前和采伐后的径流状况。刘昌明等[11]分析了黄河中游降雨及径流资料，结果表明，黄土高原林区的年径流深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。以小流域森林影响径流计算，则黄土高原森林减少年径流大约在 37% 以上。周延辉[12]对松花江水系蜚克图河上游陡嘴子河 4 个小流域近 30 年的观测资料分析发现，随着森林覆盖率的增加，年径流量呈减少的趋势。刘世荣等[13]对我国森林水文生态作用集水区研究做了比较全面细致的总结和对比。从地跨我国寒温带、温带、亚热带、热带的小集水区实验以及黄河流域、长江流域等较大集水区的研究结果来看，多数结论认为：森林覆盖率的减少会不同程度地增加河川年径流量。这一结论从反面证实了森林覆盖率增加会减少年径流量的观点。马雪华[14]、陈军锋等[15]也得出相似结论。

其三，森林植被的存在对年径流量基本无影响。比如在匈牙利西部阿巴拉契山坡，生长有枫树、橡树林的集水区，1957 年实施 13% 强度的择伐，伐区与未经采伐的对照区相比较，其径流量和洪水性质、水质没有发生任何变化[3]

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Calder[16] 关于森林对径流量影响的解释为，一般高大乔木的蒸散量大于灌木和草地。湿润地区的森林，主要由于表面糙度大，这种空气动力学特性使得林冠上的水汽容易被气流带走；在干旱地区，林木根系往往更深，比灌木和草本植物更容易获得土壤水分补给，所以蒸散发量也高；只有多云雾地区的森林以及老龄林例外。根据流域水量平衡方程，在降水量大致相同的条件下，蒸发量增加，径流量相应减少。因此可以说，与低矮的植被 ( 灌木、作物、草地等）相比，有林地通常会减少流域径流量。 1.2.2 森林对枯水径流的调节作用

枯水径流是指一年中地表径流补给减少而主要由地下水补给时期的产流。部分学者认为，森林能增加枯水径流量，因为有林地包气带土层比无林地疏松，降雨容易渗入土壤，促使地表径流转化成土壤水、壤中流和地下径流，从而起到蓄水的作用。到了枯水季节，降水减少，河川径流主要靠流域蓄水补给，森林土壤含蓄的水分可以增加流域的枯水径流量，使河流径流量保持均匀、稳定。如在川西高原原始林区[17]，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 之间，径流模数在 16.3～19.6L/s·km-2；而采伐沟冬季月平均枯水流量只为 13～21L/s，径流模数为 4.48～7.23 L/s·km-2，说明采伐沟的枯水径流量下降显著。支持这一观点的学者有马雪华[10]和刘向东[18]等。

但是，也有人持相反观点。南非的一些观测表明，以松树和桉树为主的森林，由于枯水期蒸发增加，从而使枯水径流严重减少。Scott 和 Lesch[19] 也报导，在以大叶桉 (Eucalyptus grandis)为主的 Mokobulaan 研究区，植树以后第 9 年，径流量完全消失；当桉树生长到 16 年时进行了皆伐，5 年以后年径

流量也没有进一步恢复，更不用说调节枯水径流了。周延辉[12]的研究表明，森林覆被率与枯水径流呈显著的负相关。

事实上，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[20]；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。 1.2.3 森林削减洪峰的作用

由于媒体的广泛宣传，森林能拦蓄洪水，好像已经在人们的头脑里形成了定论。而且，国内外有许多学者也确实在不同的条件下得出了这样的结论。特别是我国的 1998 年大洪水之后，森林的这种作用更加引人注目。持这种观点的人认为，森林可减少洪水总量、削弱洪峰流量及推迟延长洪水的汇集时间。 据何固心[21]报导，在美国韦勒克河流域森林衰落前后径流量的试验表明，在暴雨量相当的情况下，森林衰落以后洪水总量减小，但洪峰流量增大，并且是较快地出现较高洪峰。孙铁珩、裴铁璠等[22]在辽宁东部山区抚顺县两个对比小流域观测到“辽宁 95.7”暴雨径流全过程。7 月 25～29 日，总降雨量 450.6mm，森林小流域洪峰流量比皆伐迹地小流域削减 35.2%，峰现时间推迟 1h，径流历时延长 76h。国内学者马雪华[10]、金栋梁[7]、张天曾[9]、张炳勋等[23]

、关君蔚[24]、孙阁[25]、刘昌明等[26]也得出相似结论。

但是，也有学者认为，森林拦蓄洪水的作用是有限的，有时甚至会起到“帮凶”的作用。中野秀章[27]认为，在降雨强度较小的情况下，森林对洪水的影响较大，长时间的大雨，其影响逐渐减弱，甚至接近于零，连续性大雨雨量超过 400mm 时，森林与洪水径流已无关系。据刘志韬[28]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。当森林滞蓄出流而与新的暴雨洪水遭遇时，森林导致的洪水叠加，其总水量比无林区还要迅猛。如岔上流域 1967 年 9 月降雨量 87.9mm，而该月产流量却达 178.1mm，即属于森林对洪水的这类影响。 不可否认，有些森林确实可以起到拦蓄暴雨、滞留洪水的作用。森林特殊的生态结构，比如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。但是其作用却并不如预计的强，对较大的流域，森林对中等洪峰的削洪作用不超过 40%（相对于无林地的洪水大小）。对于更大流域或更大暴雨，或前期降小雨的情况，森林的削洪能力将更小直至消失[29]。目前为止，对于很大的、颇有破坏性的洪水事件来说，几乎没有科学的证据来支持砍伐森林是直接的原因的观点[30、31]。Calder[16] 认为：森林砍伐后洪峰流量可能降低，原因主要是土壤入渗的减少；一般对小的事件影响较大，对大的事件影响较小；实际上，植被对大洪水作用很有限，对于大的流域来讲，不同支流的洪峰时滞效应往往削弱土地覆被变化的作用。特

别是当第一次洪峰过后，森林土壤含水量较高，紧接着有了第二次洪峰，从而加剧成灾的可能性。因此。承认森林拦蓄洪水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，森林就起不到削峰的作用了。 2 争论的原因

森林水文学作为一门科学，是以 1900 年瑞士 Emmental 山区两个小流域的对比试验开始的，至今，实验台站遍及全球，观测数据也相当丰富，但得出的结论却存在较大的分歧，原因是多方面的。 2.1 研究方法的局限性

早期森林水文的研究大都采用试验流域的方法[27]，包括：控制流域法、单独流域法、平行流域法和多数并列流域法等。这些对比研究通常在小流域进行，研究周期长，可对比性差，找两个地理和气象条件完全相同的流域是不可能的，即使是同一个流域前后对比的两个标准期里，流域的各种条件也不会相同，各项指标测量方法的可靠性以及测量的精度和误差都有可能影响最终的结论。之后，出现了许多室内模拟实验室，开展了物理模拟的工作。像中国科学院长白山森林生态系统定位站的森林水文模拟实验室[32]，从 80 年代初建立以来，在树冠截留、树干茎流、壤中流等研究方面取得了很大的进展。室内模拟既能降低成本，缩短实验周期，又能排除其它因素的干扰抓住主要因子。但是，无论怎样模拟野外的条件都不可能做到与之完全相同，室内条件也较为理想化，在研究流域水平的水量平衡上难以代表野外的实际情形。近年来，流域水文模型的方法也被应用到了森林水文学的研究上，水文模型不仅可以预测森林植被变化对水文情势的影响，也可以预测没有实测水文气象资料流域的水文情势，通用性强，具有理想的抗干扰性能等。但现有流域水文模型主要借助于概念性元素模拟或经验函数关系描述，其中包含的许多参数都缺乏明确的物理意义，用最优化方法确定模型参数对实测降雨径流资料的依赖性很大，需要由实测资料来反求等[33]。 2.2 森林本身的复杂性

森林是一个复杂的陆地生态系统，不同的树种、森林类型、郁闭度、生长状况及经营管理方式等对水文的影响是不同的。单从林冠截留降水的作用来看，森林的郁闭度大、叶面积指数高、林分结构好，截留量就大，一般阔叶林比针叶林截留的水量多，不同的树种截持率差异较大，云杉林截持率最大，达 30.7%，华山松林最小，为 10.6%[34]。森林的生长状况对水文系统的影响也很大，一般水土保持林林下能形成很好的土壤结构，而薪炭林、经济林下往往难以形成深厚的有机土壤层；幼林、成熟林与老龄林的水文效应也有较大的差异。森林本身的复杂性给森林水文学的研究也带来了困难，使得进行对比流域研究时难以找到相同的类型，即使类型相似，其他的森林立地条件也有差异，从而影响了森林水文效应的评价。