周佳雯;高吉喜;高志球;杨伟超
【摘 要】森林水源涵养功能作为森林生态系统服务的一个重要方面,在国内的研究已有数十年的历史.多数研究中将森林水源涵养功能狭义地等同于森林对降雨的拦蓄能力或对径流的调节能力,而忽略了其对各水文过程的整体性作用以及对气象和土壤因子的综合性影响.此外,在不同研究区域中,对于森林水源涵养功能的理解和研究方法往往一概而论,并未考虑研究区域的自然条件特性和社会经济特征,这使得研究结果的区域针对性不足,限制了对其进一步的应用推广.针对上述问题,在全面分析森林水源涵养的含义和特征之后,定义了不同区域的水源涵养功能内涵和主导服务,并给出了不同区域森林水源涵养功能的适宜计算方法,以期为不同区域森林水源涵养功能的全面提升和水源涵养林生态修复工程提供科学依据. 【期刊名称】《生态学报》
【年(卷),期】2018(038)005
【总页数】8页(P1679-1686)天黑前的夏天
【关键词】水源涵养;区域;主导服务
【作 者】周佳雯;高吉喜;高志球;杨伟超
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【作者单位】南京信息工程大学应用气象学院,南京210044;环境保护部南京环境科学研究所,南京210042;南京信息工程大学气象与气象灾害协同创新中心,南京210044;南京信息工程大学气象与气象灾害协同创新中心,南京210044;南京信息工程大学应用气象学院,南京210044
【正文语种】中 文
森林生态系统水源涵养功能是森林生态系统服务的重要组成部分,是森林与水的相互作用在生态系统服务领域的集中体现。在现有研究中,狭义的森林水源涵养功能一般指森林拦蓄降水或调节径流的能力,而广义的森林水源涵养功能则体现在森林各结构层次在各水文过程中的作用[1],在森林水源涵养功能的具体效应主要包括森林产水、净水、拦洪、补枯等方面。现有研究中,无论是狭义还是广义,均将森林水源涵养视为森林与的水这一单一生态因子间的相互作用,忽略了森林水文过程对其他生态因子的间接影响。另外,森林与水的相互作用受到
地形、气候、土壤、植被等多个因子在不同的时空尺度的影响,使得森林水源涵养功能存在显著的尺度效应和区域效应。此外,不同水源涵养区的自然状况和社会经济条件存在客观差异,森林生态系统服务所需满足的人类需求不一而足,森林水源涵养功能中各效应的重要性具有显著不同。与此同时,森林水源涵养功能的不同效应间存在一定的内禀矛盾,导致森林水源涵养功能的各个效应的实现难以同步。明晰森林水源涵养功能的综合性、区域性、尺度性和内在相互制约性,才能进一步地对其进行更深入地探讨和研究。
森林水源涵养功能作为生态与水文学科交叉的研究热点,由于其特有的复杂性,尚未形成一个公认的定义。由于研究对象的定义模糊,森林水源涵养功能的计算方法尚无统一的标准。这主要体现在功能定义缺乏完整性和系统性,计算方法的针对对象和尺度特征尚未界定清晰。因此,准确研究森林水源涵养功能,需对其内涵进行充分清晰的认识。基于上述原因,本文系统分析了森林水源涵养功能的定义、组成和特征,分析和划分不同研究区域,并在此基础上厘清各区域水源涵养功能的主导服务和研究方法。
1 森林生态系统水源涵养功能辨析
1.1 国内森林水源涵养功能定义
随着森林水文学研究的深入,人们对森林水源涵养功能的认识也在不断拓展和更迭。20世纪60年代,森林水源涵养的概念由苏联传入我国,认为森林能够均匀地释放水源[2]；后来,定义拓展为森林生态系统通过林冠层、枯落物层和土壤层拦截滞蓄降水,从而有效涵蓄土壤水分和补充地下水、调节河川流量的功能[3-4]。逐渐地,森林对降水的影响[5]、森林蒸发散、森林对径流的影响[6]和森林对水质的影响[7]等受到重视。目前,人们对森林水源涵养功能的认识更为辩证,比如森林保水与保土的关系[8]、森林对地表和地下径流的分配[9]、森林削减洪峰[10]和补给枯水径流的能力[11]等。如今,森林水源涵养功能的内涵发展为由水源供给、调节径流、水质净化等多种服务组成的整体。但在具体的研究实践中,研究者往往只选取现有定义中的一个或若干个效应作为森林水源涵养功能的全部,各效应间的主次关系和权重确定较不明晰,这是由于对功能内涵和研究对象的认识不够充分所致。
年鉴网1.2 国外森林水源涵养功能研究
在国外研究中,水源涵养一词一般指广义的水资源保护[12],与国内的水源涵养研究内容不符,而与之意义相近的有水源蓄留和水文调节。前者通常指森林的某个垂直层次对降水的滞留能力[13],属于森林水文研究范畴。后者是指生态系统对进水文过程的各个环节施加作用的
过程和能力[4],属于森林生态系统服务领域。在千年生态系统评估(MA)[14]中,森林生态系统服务分类中森林对水的作用被分为了淡水供给、水文调节和水质净化3类,这一内涵与国内研究中的水源涵养功能内涵大体相近。
1.3 森林水源涵养功能的界定
poco电子杂志综合国内外研究进展,可以看出森林水源涵养功能是一系列复杂多元的生态系统服务综合体,为人类提供着多种供给和调节服务。森林水源涵养功能在作用因子、服务内容和服务类型上均具有多元性(表1)。于是,研究认为狭义的森林水源涵养功能是指发生在森林水文过程中的森林与水的相互作用,即森林供给淡水、调节水文和净化水质的功能。而广义的森林水源涵养功能则又包括了森林中的拦蓄、产流、蒸腾、入渗等各水文环节对的气候和土壤因子产生的影响。概括地讲,即为森林水文过程对森林生态系统非生物因子(水、气、土)产生所有的直接作用和间接影响,既包括森林与水的直接作用(供给淡水、调节水文、净化水质),也包括森林水文对土、气的间接作用(减少水蚀、调节气候)。
表1 森林水源涵养功能的作用因子、服务内容和类型
Table 1 Function factors, service contents and types of forest water conservation function
作用因子Functionfactors服务内容Servicecontents服务类型Servicetypes水Water淡水供给供给服务水质净化调节服务水文调节调节径流拦蓄洪水补给枯水气Atmosphere气候调节增加湿度调节温度土Soil减少水蚀
2 森林水源涵养功能对生态系统要素的影响
2.1 森林水源涵养功能对水文因子的影响
2.1.1 森林的淡水供给作用
森林的淡水供给指的是从森林生态系统中产出的水量,体现在森林对年径流的影响。森林结构、森林类型、森林覆盖率和森林火灾等均会影响森林对径流的作用。森林结构组成影响森林生态系统的径流量及径流过程,森林结构组成越复杂,径流系数越低[15]。不同类型的森林间径流系数存在很大差异[16-17]。虽然苏联[18]集水区实验和国内的部分流域的实验[19]中得出的结论认为森林的存在会增加河川径流,但国内外绝大多数的研究支持森林覆盖率的增加会减少流域年径流[20-23]。森林火灾通过影响森林的蒸散发来影响年净流量,火灾后林地的产水量通常会增加,并随着森林植被的恢复而逐渐降低[24]。
2.1.2 森林拦蓄洪水的作用
森林通过林冠层、地被层、土壤层3个垂直分层对降水进行截持、缓冲和蓄纳。降水进入林分后,林冠层对降水产生拦截作用,截留过程延续整个降雨事件,雨止后截留水量最终耗于蒸发。森林枯落物层增加了地表粗糙度,可以减缓径流速度、延长径流时间、增加水分入渗量,从而减少了地表径流。在降雨落入土壤表层后,可以通过入渗作用进入土壤层中,其中一部分即被土壤层吸附和贮存,其余的水量则转化为地下径流。这些作用使得森林具有调蓄洪水和削减洪峰的能力。研究表明,小流域森林覆盖率每增加2%时,约可以削减洪峰1%,当流域森林覆盖率达到最大值100%时,森林削减洪峰的极限值为40%—50% [25]。但森林对洪水的拦蓄和削减作用并不是无限的,在降雨量或降雨强度较小的情况下,森林拦截洪水的作用较大,但对于连续降雨与强降雨,森林的作用逐渐减弱甚至消失[26]。
2.1.3 森林补给枯水的作用
男医生与女病人
对于森林覆盖度对枯水径流的影响,在国际上存在两种截然相反的观点。多数研究认为森林覆盖度减少能增加枯水径流。例如,Sørensen等[27]的研究表明,森林砍伐后增加的地表径流大部分为枯水期径流,枯水期流域基流量增加了58%—99%。另一种观点认为,森林覆盖度减
少会引起枯水径流量的减少[22],这可能是由于枯枝落叶层消失,土壤紧实,蓄水能力减弱,枯水期入渗能力减弱引起的[28]。
2.1.4 森林的水质净化作用
森林有改善水质的功能,因此森林流域被认为是清洁水源的发源地[29]。森林的净化功能,主要是由植被覆盖和土壤生物完成的。林外降雨与林冠层、枯落物层、土壤层三者之间的过滤吸附和淋洗淋溶作用,使污染物和富余的营养物质被滞留、移除。前苏联在莫斯科和高尔基省的联合集水区研究表明,降水中污染物经过森林生态系统各层次作用,不仅种类减少,浓度也大为降低[30]。降水进入森林后,其养分元素含量一般均有所增加[31-32]。森林采伐后会造成森林地表层长期积蓄的有机质、碱性物质、重金属等的不断分解与流失[33],而增加森林覆盖率有可能改善森林流域的水质[34]。
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