植被变化对产水量影响的研究 刘昌明 曾 燕 摘 要
植被变化将使其水文效益发生相应的改变，通过植被变化对产水量影响方面的研究，客观地评价了该研究领域的主要进展和存在问题。我国在这方面尚未开展过深入细致的研究，因此有一定的借鉴意义。 探讨水资源的国家战略及其相关科学问题，是21世纪各国政府的重点议题之一。围绕水资源问题，应开源与节流并举，科学管理，提高水资源利用的潜力。国外在植被变化对产水量影响的研究始于20世纪20～30年代，目的是探讨植被变化对增加产水量的可能性及相应的植被控制措施，至今已有80年左右的研究历史，其中以美国最多，其次为澳大利亚、加拿大、新西兰、前苏联和日本等国家。我国在这方面尚未开展深入细致的研究。本文系统介绍了国内外在植被变化对产水量影响方面的研究，客观地评价了该研究领域的主要进展和存在问题，因此有一定的借鉴意义。 一、研究方法 引起植被变化的途径包括自然和人工控制两大类。其中自然因素包括：野火、虫害、林地自然生长树龄变化引起的森林系统结构变化和自然衰落等。人工控制包括：砍伐（皆伐或选择性砍伐）、造林、人工火烧、放牧、化学处理（人工或飞机喷洒除草剂）等。 所谓植被变化对产水量影响的研究，主要是研究植被变化前、后产水量变化的情况，并分析造成产水量变化的主要原因。目前最常用的研究方法为“流域对”（又称“对照流域”或“参考流域”）法1。其主要思想为：选择两个地理位置比较靠近，且大小、土壤类型、植被特征、方位、海拔、局地气候等方面均比较接近的流域。在研究时段内，由于自然或人工控制因素使其中一个流域的植被发生了变化，称为“研究流域”，而另一个流域植被无变化，称为“对照流域”。对这两个流域进行多年的对比观测，“研究流域”植被未变化前称为“校准期”，通过“校准期”的观测建立两流域径流量之间的回归方程。在植被变化后将“研究流域”观测到的径流量与通过对照流域径流量按回归方程预测的“研究流域”植被未改变情况下的径流量进行比较，从而确定研究流域植被变化所引起的产水量的变化。 与“流域对”相对的为“单流域法”，其中包括水量平衡法和模拟模型法。水量平衡法主要根据研究流域植被变化前后降雨损失量的改变来确定径流量的变化；模拟模型以植被变化前后的气象、水文、植被和土壤等参数为输入来模拟产水量变化。 二、主要研究结果 植被变化对产水量影响研究所涉及的植被类型有森林、灌木林、草地、河滨植被等，其中以森林变化对产水量影响的研究最多。 1.森林对产水量的影响 （1）森林火烧 B.H.Данилик（1982）对前苏联遭受火灾的Боьщэя Кокщэгэ河流域（流域面积5750km2，火灾使森林覆盖率由59%降为6.5%）的研究表明：火灾使河流的径流量减少，火灾后５年平均年径流量的减小量为18.5mm，其变化范围在2.5～20.3mm2。 Gottfried和DeBano（1980）在美国White Mountains地区Castle Creek试验流域（面积4.71km2）研究表明：进行人工燃烧处理后（火烧占流域的43%，火烧使地表积累物被消耗，而森林地被层仅仅是轻度燃烧，很少有原木被完全烧掉，剩余植被的变化是最小限度的。）流域年均径流没有改变，认为是火烧没有影响森林冠层和消耗很多的森林地被物的结果3。 舒立福等（1999）认为，火烧降低了森林的截留和蒸腾作用及地被物的蓄水作用，使更多的水渗到土壤，火烧后地表径流增加，火迹地上的积雪融化较早，使河流水量每年最高增加60%；干旱期水量增加低于20%；河流水量日变化小；间歇性河流不断水4。Whitmore（1975）研究表明：火烧后，特别是大面积火烧后，下游河流的河水流量明显增加。对亚利桑那州某流域测定结果是：火烧后第一年河水流量比火烧前增加10倍，且火烧后间歇性河流变成了连续性河流（除极端干旱年份外），火烧后暴雨流量和洪峰流量亦呈增加趋势5。 （2）森林砍伐 Ronan等人（1982）运用模型模拟砍伐对澳大利亚Maroondah流域（流域面积为178.3km2，年降雨量为1200～1700mm）径流量的影响，其研究结果为：如果以60年作为一个轮伐期，经过长期按计划的采伐，使径流量减少9%；如以150年作为一个轮伐期，在同样条件下径流减少6%；而如果将全流域范围内适宜采伐的森林都伐掉，径流量会减少34%；对流域内30年以上的森林进行一次性的带状疏伐（采伐面积占流域面积的40%），会使径流量增加7%。黄礼隆等人研究了四川西部高山原始林的水源涵养作用后指出：森林伐后径流模数减小20.3L/skm2，径流系数下降42.2%。 森林采伐活动对径流的影响在美国已经进行了大量的研究和报道，其基本结论是：采伐使径流增加。Harr（1982）对美国俄勒冈西部两个有130年树龄的北美黄杉林流域（流域面积0.13km2和0.154km2，海拔865～1155m，年降雨量平均为2190mm），分别进行皆伐和60%伞伐研究表明：采伐后前4年，皆伐流域年产水量平均增加380mm（30%），而伞伐流域为200mm（22%）。Rothacher等人（1970）研究表明：在美国俄勒冈西部海洋性气候条件下，在Cascade Ranges西部山区地形条件下，皆伐使年产水量增加了600mm。Swank（2001）对美国阿巴拉契亚山脉一混合阔叶林流域（面积0.59km2，海拔680～1400m，年降水量1700～2500mm）皆伐和索道集材处理后20年的研究表明：皆伐处理后的头4年产水量较处理前增加，以第一年最多，河川径流增加了260mm或28%，在接下来的3年，径流量以每年较前一年低50～70mm的速率递减，第５年径流量恢复到处理前的水平。这种产水量的动态变化，认为与植被再生长之后的动态变化，即：与植被的组成和构造有关。Verry（1983）对美国明尼苏达州北部白杨林的研究表明：皆伐处理后，年产水量平均增加了90mm。Charles（2001）等人研究了位于美国Sierra Madre Range的Coon Creek流域（面积16.73km2）森林砍伐对季节性河川径流的影响结果，该流域海拔较高（2682～3322m），属于寒冷的雪带，全年温度较低，年降水量为870mm，70%的降水为雪，95%以上的河川径流为融雪。研究表明：23.7%的流域面积经筑路和木材砍伐处理后，在处理后的头5年，季节性径流（4～10月）平均每年增加了76mm（或17%）。 Pearce（1982）对新西兰西部Tawhai林区（年平均降雨量2600mm）的两个小流域（面积为0.041km2和0.083km2）的研究表明：皆伐和采伐剩余物的烧除面积达到100%的流域，处理后年产水量增加了650mm；采伐面积为75%的流域，处理后年产水量增加了540mm。通过水量平衡分析，认为森林采伐后所增加的产水量中有65%～70%来源于净雨量的增加。此研究所得产水量增值几乎是全球植被改变对产水量增加的最大值。 William等人（2000）对澳大利亚Lidsdale地区一个面积为0.094km2的实验流域进行了27年的观测（处理前11年和处理后16年），此流域原为桉树林，在进行了皆伐和剩余物火烧处理后种植了松树，通过与对照流域比较和水量平衡分析表明：作为森林水量平衡重要组成部分的冠层和枯枝落叶层的降雨截留随着森林的改变发生了很大的变化；森林皆伐后截留损失消除是最初产流量增加的主要原因（皆伐后最初4年，冠层截留由14.8%降为1.1%，森林地被物截留由8.1%降为0.4%）；松林种植后的16年其年冠层截留量和地被物截留量与对照流域成熟桉树林的截留情况见下表。松林种植后的第5～16年中截留损失的上升进一步说明了随着植被的再生长产水量逐渐下降。多数研究结果均表明，由砍伐森林而引起的产水量增加，随着植被的自然再生长会逐渐消失。 （3）造林 藤枝基久（1982）等人对日本龙头山森林集水试验地（年降水量平均为1229mm）两集水区的研究表明：南谷（面积为0.226km2）造林后林木健全期的年径流量比皆伐影响期减少了15%；北谷（面积为0.173km2）林地自然恢复后林木健全期的年径流量比森林火灾影响期减少了18%。Bosch等人（1982）总结了植被改变对产水量影响的研究，认为造林后产水量下降，而且下降的程度与新生品种的生长速率有关。由皆伐增加的产水量随着植被的再恢复也逐渐消失，其速率也与植被的恢复速率有关。Perry等人（2001）研究表明：将草被转变成白杨林地后，年产水量会下降。 （4）森林覆盖率 刘昌明（1989）通过比较黄土高原森林不同覆盖率地区的年径流量发现，在其他自然条件相似的情况下，森林覆盖率的增加将导致年径流量的减少，林区径流系数比非林区小40%～60%。 （5）森林对积雪的影响 在高海拔地区森林带的降雪是重要的水源。Gottfried（1980）和Ffolliott（1989）等人认为森林管理可影响积雪场的积雪量和融雪过程，可以增加和集中积雪量，还可以加速或延迟春季融雪。采用蒸渗仪测定融雪率、融雪时间及不同林冠下积雪场特征，在美国中央亚利桑那高地White Mountains进行的积雪研究表明：中等或低密度植被地区比高密度地区的积雪场大，融雪率高，径流量大。如：在White Mountains的一试验流域（面积3.65km2，海拔2388～2616m，年均降水为686mm）1/6满足生长条件的地区以不规则小块地的形式进行了树木砍伐，树木砍伐区种上了西黄松。处理后年均产水量增加约30%；产水量增加稳定维持了21年（1967～1987年），认为产水量增加的主要原因是砍伐使蒸散减少并增加了积雪量，即：砍伐造成林间空地。林间空地再生树与周围剩余树木之间的高度差有助于为林间空地增加积雪量提供动力基础，从而增加了积雪量。 （6）森林对产水量影响总结 森林对河川年径流量的影响长期存在着争论，总的概括起来主要有两种观点。一种研究认为森林采伐、火烧及森林覆被率的减少，将使径流量增加。这种观点在美国、澳大利亚以及西欧等国家居多，这种观点的研究多是从小实验流域得到的。认为出现这种情况的主要原因是森林采伐后，林冠截留降雨和森林枯落物截留吸收水分造成的降雨量损失减少，增加了有效降雨量。同时，森林采伐或火烧后，流域蒸散量，尤其是森林蒸腾量的减少，是径流增加的另一主要原因。另一种观点认为森林采伐和森林覆盖率的减少会造成河川径流减少。前苏联许多学者和我国部分学者持这种观点。认为森林是水源涵养的重要因素，会调节气候促进降水，从而使河道中保持较高的水位和水量，这种观点多是在大流域的研究中得到的。 2.灌木对径流影响研究 Ingebo（1974）对美国Natural Drainages流域低密度查帕拉尔灌木林（冠层覆盖率只有20%～25%）的小试验流域（面积0.036～0.077km2）的研究表明：通过除草剂抑制灌木生长，处理后，流域的年河川径流量增加了22%（9.2mm）。DeBano（1984）对美国Three-Bar流域（海拔1021～1295m）高灌木林覆盖率（冠层覆盖率＞60%）的试验流域的研究表明：通过除草剂抑制整个流域灌木生长处理后（冠层覆盖率少于3%），11年内河川径流量增加了4倍。Hibbert等人（1986）在美国Yavapai County广泛生长着灌木林的两试验流域（灌木林冠层覆盖度为50%，两流域面积为1.22km2和1.01km2，海拔高度为1798～2195m，属半干旱气候，年均降水为660mm）的灌木控制研究表明：利用直升机喷洒除草剂，经嵌花模式处理的流域（处理面积55%），在处理后７年时间中，年径流量增加了38～127mm；对山脊顶部树木和灌木进行控制处理的流域（处理总面积约占20%），在处理后径流没有增长，认为通过降低山脊顶部灌木覆盖度而节省的水分在到达河道之前，被没有处理的山坡灌木消耗掉了。 3.河滨植被 水量损失的大部分是由植物蒸散造成的，而河滨植被多由潜水湿生植物构成，这种植物的根系可以直接从地下水或地下水位之上的毛细作用带获得水分，基于上述观点有些学者认为，去除河滨植被可以节省大部分的水量。Rowe（1963）在加利福尼亚的研究表明：除掉河道边的树木将在很大程度上降低蒸散量和增加径流量。美国于20世纪50年代初至70年代中期在中央亚利桑那高地进行了一些河滨植被管理试验，主要是在河道、漫滩和阶梯地带去掉河滨乔木和灌木（潜水湿生植物），Ingebo（1972）对Whitespar流域进行观测表明：在除草剂处理后的４年内，河道两边的灌木丛转变为草或草本植物的处理流域与没有处理的对照流域相比，年径流平均增加了15.5mm（30%），来自于处理区的径流增量平均为101.6mm（占流域的15%）。Debano等人（1984）对Yavapai County地区一试验流域（面积1.01km2）研究表明：约占流域15%的河滨区进行砍伐结合除草剂处理，去除主要河道区的树木和灌木林后，产流量和历时都有所增长，使有些会断流的河流有了长年不断的水流。处理后植被的恢复和降水量偏少，径流增长维持的时间不长。 4.植被处理影响产水量变化的因素 研究表明，植被经处理后产水量变化的程度受多种因素影响，其中包括流域尺度、处理面积所占百分比、年降雨量、树龄和各种影响因子之间相关的程度等等。 （1）处理面积 Daniel等人（2002）对加拿大Catamaran Brook河Middle Reach子流域（面积27km2，海拔250m，年平均降雨量为1116mm）．3%的森林进行小片皆伐（＜0.75km2）后的研究表明：年产水量和季节性径流量在处理后均没有发生变化，认为是处理面积太小的原因。Martin等人（1962）对美国华盛顿Naselle River流域的研究表明：从1916～1954年，每年以1.99%的面积对森林进行砍伐，没有引起产水量的变化。 Bosch和Hewlett（1982）总结了94个流域研究的结果，得出如下结论：将流域10%的面积进行转变处理，可使松类和桉树类的森林年产流量增加40mm，落叶林的年产流量增加25mm，灌木林的年产流量增加10mm；年降水量高的地区，植被转变处理后的响应比降水量低的地区更敏感。Stednick（1996）总结了美国95对流域的研究结果，得出可引起产水量增加的植被处理面积百分比的阀值，其结论为：要想引起年径流量发生变化，至少应对流域20%的面积进行转变处理；此阀值由内地多岩山区的15%变到中央平原地区的50%。影响此阀值的可能因素有处理地点、处理方式、处理前植被类型和测量误差等。Stednick还由这95对流域的研究结果总结出径流增加量（ymm）与植被转变面积百分比（x）之间的关系式为： y=2.46x 此外，Lewis等人（2000）对加利福尼亚一个面积为1.03km2橡树林流域14%的面积砍伐处理后的研究表明：处理后的流域径流量几乎没有改变。因此也认为流域产水量改变的处理面积阀值应为20%左右。 （2）年降水量 Neill（1980）对加拿大阿尔伯达省Marmot Creek流域（面积9.3km2）25%森林进行皆伐处理（1974年）的研究表明：处理后的河川径流没有明显变化。分析原因认为与处理后头两年降雨量异常低有关。其他一些学者的研究也有类似的观点，认为年降水量对森林砍伐或火烧处理后的径流量有重要影响，较湿润年份，产水量的增加较多，而较干燥年份产水量增加较少或没有。 （3）树龄 不同树龄的森林具有不同的结构，因而影响其能量吸收和对降水的利用程度。Langford（1976）和Jayasuriya（1993）等人研究的表明：桉树类森林的水分利用随树龄有明显的变化。重新再生的桉树林，树龄在20～30年时，每年的耗水量比老的桉树林多600mm。Roberts等人（2000）对澳大利亚东南部的桉树林的蒸腾速率进行了研究，发现有14年树龄的再生桉树林的蒸腾率为2.2mm/d，而附近具有160年树龄的老桉树林的蒸腾速率仅为0.8mm/d。Hornbeck（1993）总结了美国东北部几个再生林的长期产流变化的研究结果，认为再生森林的产水量低于处理前水平，主要是森林组成结构发生了变化。Cornish（1993）对澳大利亚东部6个砍伐后的再生林流域进行了研究，发现由砍伐造成的产水量增加随着植被的再生而下降，其中一个再生后长势最好的流域的产水量比处理前水平低。另外，Cornish等人（2001）对澳大利亚东部Karuah地区8个子流域（海拔450～940m，年降雨量1450～1750mm）潮湿老生桉树林砍伐处理后16年的观测研究表明：处理后的头3年，平均年产水量增加300～500mm，不同流域增加的幅度与其相应的砍伐面积有关；3年之后产水量随着桉树林的重新生长开始下降，产水量达到与处理前水平相当的时间维持了７年左右；在处理后的第13年，产水量开始低于处理前的水平， 年产水量最低时，比处理前低600mm；分析认为产水量的下降与森林的再生长速率、冠层覆盖度和土壤深度等因素有关。Samraj等人研究表明：将天然草地转换成橡胶林后导致产水量的明显下降，尤其是在橡胶林种植后的第４年之后。若以生长高度和胸高直径为依据，种植后的第４至第７年，橡胶树的生长速率最大，从第８年之后，生长速率下降，此时橡胶树的继续生长未能引起产水量的变化，认为这可能表明影响产水量的主要因素是冠层密度，而不是树木高度和胸部直径。 （4）植被变化对大气造成的反馈作用 目前植被变化对产水量影响的研究均未考虑植被变化对大气造成的反馈影响，事实上，地面过程可以影响气候，如：有研究表明，长度超过10km的地面参数的空间变异，可改变降水的空间格局和表面能量的重新分布，从而引起非线性反馈。Xinmei等（1995）指出，清除原生植被改变了反射率、地面粗糙度和植被冠层阻力，以至减弱了热量和水汽的垂直输送，从而使农业区的对流降水量减少了；另外Veen等（1996）的研究认为，林缘是一种特殊的高通量环境，因此具有高频率林缘的非均匀性地形对景观尺度上大气的影响是很大的；Dickinson（1992）等人认为，毁林可影响气候，这是因为毁林改变了下垫面蒸散量和波文比，并使下垫面的反射率和粗糙度发生变化，同时还由于改变了地面斑块结构，从而引起中尺度效应。 三、结束语 研究植被变化对产水量的影响，有助于了解人类活动对全球水循环和水文过程的影响，因此，在全球水资源危机的情况下，这方面的研究必将会越来越受到重视。总的来看，植被变化对产水量影响的研究内容非常广泛，人们对这一领域的认识程度也有了显著的提高，但由于植被群落、地理位置、地貌、海拔、气候、水文等诸多要素综合作用的复杂性，该领域的研究仍缺乏系统成熟的理论体系，主要存在如下一些问题： 1.植被，尤其是森林对大气降水的影响机理研究较少，缺乏土壤—植被—大气系统的整体研究，未考虑植被改变对大气的反馈影响作用和植被变化的尺度效应问题，研究的流域偏小。 2.研究时段偏短，绝大多数研究是针对植被变化后几年的观测结果。 3.研究方法和观测手段的不同使研究结果缺乏可比性。 4.植被系统对水文、水保功能作用大小的综合研究较少。 注：本文由国家重点基础研究发展规划项目G19990436-14资助。 （作者刘昌明为北京师范大学资源与环境学院院长、中国科学院院士；曾燕为中国科学院地理科学与资源研究所博士生） |