王曉學(xué)，沈會(huì)濤，李敘勇 ，景 峰

(1.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100085;2.中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)業(yè)資源研究中心，石家莊，050021;3.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049;4.中國(guó)國(guó)際工程咨詢(xún)公司，北京 100048)

自1997年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概念引進(jìn)我國(guó)以后，國(guó)內(nèi)關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究的文章數(shù)量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)上升，其中以森林生態(tài)系統(tǒng)研究居多。目前，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評(píng)估大多僅限于套用公式簡(jiǎn)單換算，對(duì)其中存在問(wèn)題缺乏深層次探討(如森林水源涵養(yǎng)功能在內(nèi)涵上是否就等同于森林保持水分?森林水源涵養(yǎng)功能研究的意義何在?小尺度上森林水源涵養(yǎng)功能研究結(jié)果是否可直接上推至大尺度?森林水源涵養(yǎng)功能計(jì)量評(píng)價(jià)方法是否對(duì)所有地區(qū)有一樣適用?其有效性如何?等等)，致使評(píng)估結(jié)果的科學(xué)性和有效性受到質(zhì)疑［1］。盡管眾多學(xué)者從不同角度對(duì)森林水源涵養(yǎng)功能做了研究，但并沒(méi)有將森林水源涵養(yǎng)功能的研究成果有效地納入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估過(guò)程中來(lái)，導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)往往缺乏森林水文學(xué)的基礎(chǔ)認(rèn)知。因此，有必要重新審視森林水源涵養(yǎng)功能的研究意義，明確界定其內(nèi)涵，深入分析森林水源涵養(yǎng)功能的多尺度特征及其計(jì)量方法的適用性，規(guī)范森林水源涵養(yǎng)功能評(píng)估過(guò)程。

目前國(guó)內(nèi)普遍存在質(zhì)疑森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)價(jià)，迫切需要對(duì)其研究的重要性進(jìn)行重新定位。森林水源涵養(yǎng)研究的意義主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:1)預(yù)測(cè)區(qū)域水資源變化，為水資源調(diào)配決策提供科學(xué)依據(jù)。準(zhǔn)確的理解不同尺度影響森林水源涵養(yǎng)功能的關(guān)鍵過(guò)程及其主導(dǎo)因子，有助于開(kāi)發(fā)多尺度生態(tài)水文模型，并與大氣環(huán)流模式相結(jié)合，可用于預(yù)測(cè)區(qū)域水資源變化，為氣候變化背景下的水資源配置決策提供科技支撐;2)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間的權(quán)衡與優(yōu)化。森林生態(tài)系統(tǒng)提供諸多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，但并非所有森林都具備良好的水源涵養(yǎng)功能，可能有些森林更強(qiáng)調(diào)其防風(fēng)固沙效應(yīng)，碳匯功能等，因此根據(jù)生態(tài)需求強(qiáng)調(diào)其某種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能有待于深入研究;3)為森林生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制研究提供基礎(chǔ)。對(duì)森林水源涵養(yǎng)功能的研究和探索有利于規(guī)范其研究，促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能研究的不斷完善和發(fā)展，推動(dòng)森林生態(tài)效益價(jià)值評(píng)估理論與方法。

本文主要從森林水源涵養(yǎng)功能的內(nèi)涵、過(guò)程尺度性及計(jì)量問(wèn)題展開(kāi)，結(jié)合森林與水關(guān)系的爭(zhēng)論，分析目前國(guó)內(nèi)對(duì)森林水源涵養(yǎng)功能研究的一些誤區(qū)，提出當(dāng)前森林水源涵養(yǎng)功能研究亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及未來(lái)可能的發(fā)展方向，進(jìn)一步推動(dòng)森林水源涵養(yǎng)功能研究。

1 森林水源涵養(yǎng)功能的內(nèi)涵

森林涵養(yǎng)水源功能包括攔蓄洪水、調(diào)節(jié)徑流和凈化水質(zhì)等方面。攔蓄洪水是指森林通過(guò)減少洪水發(fā)生危險(xiǎn)提供的一種效益。在山區(qū)，雨季高強(qiáng)度降雨事件經(jīng)常引發(fā)洪災(zāi)、泥石流和滑坡，森林通過(guò)植被冠層、枯落物層和土壤層截留一部分雨水，從而減少降水直接落在森林地表，從而大大減少洪災(zāi)、泥石流和滑坡的發(fā)生幾率。這種服務(wù)的核算通常是分析氣象資料，整理多年最大降雨量、年降雨次數(shù)及對(duì)應(yīng)的森林類(lèi)型各層次截留量［2-3］，或者通過(guò)室內(nèi)模擬多雨強(qiáng)情景及對(duì)應(yīng)層次降雨截留來(lái)估算［4］。國(guó)內(nèi)學(xué)者也有采用綜合蓄水量法來(lái)估算這種服務(wù)，但因?qū)@種服務(wù)的認(rèn)識(shí)不清，各層次累加的內(nèi)涵完全不一致，如用某次降雨的林冠最大截留量代替該地區(qū)平均雨強(qiáng)下對(duì)應(yīng)的林冠截留量，枯落物最大持水量并沒(méi)有考慮枯落物自然持水能力等都導(dǎo)致估算值與真實(shí)值相差較大。調(diào)節(jié)徑流是指森林通過(guò)雨季存儲(chǔ)降雨在旱季補(bǔ)給河道，從而穩(wěn)定河道旱季流量［5］。這種服務(wù)的核算通常是利用水量平衡原理，然而由于需要數(shù)據(jù)量大，人為擾動(dòng)對(duì)水量分配的影響等使核算變得困難。凈化水質(zhì)服務(wù)是指森林通過(guò)河流、湖泊和含水層來(lái)過(guò)濾、保持和存儲(chǔ)水資源［6］。這是狹義的概念，而廣義上的凈化水質(zhì)服務(wù)還應(yīng)包括森林依其強(qiáng)大的蒸發(fā)散，在地形雨和對(duì)流雨中增加降水的部分，亦即森林在降水事件中不同層次的實(shí)際截留量，在凈化水質(zhì)服務(wù)的核算中應(yīng)予以考慮。

從森林水源涵養(yǎng)功能作用的空間尺度上看，其攔蓄洪水削減洪峰的功能僅在較小尺度上有效［7］，其調(diào)節(jié)徑流的功能只有當(dāng)森林土壤的入滲量超過(guò)森林的蒸散量時(shí)，才可能有更多地下水補(bǔ)給河道徑流，進(jìn)而增加旱季河道流量。同時(shí)，森林水源涵養(yǎng)功能也具有明顯的時(shí)間尺度性特征，具體表現(xiàn)在:1)在降水事件中，由于蒸散發(fā)較小，森林水源涵養(yǎng)功能的物質(zhì)量等于森林不同層次的截留量，在功能上表現(xiàn)為攔蓄洪水;2)在長(zhǎng)時(shí)間尺度上，由于林地蒸散要耗去大量水分，森林水源涵養(yǎng)功能的物質(zhì)量等于森林不同層次的截留量減去林地蒸散發(fā)，在功能上表現(xiàn)為凈化水質(zhì)和調(diào)節(jié)徑流。

從上述的分析不難看出，森林涵養(yǎng)水源功能表現(xiàn)出的各類(lèi)服務(wù)之間存在重疊部分，或者說(shuō)每類(lèi)服務(wù)都是通過(guò)森林不同層次截留降水過(guò)程實(shí)現(xiàn)的，即不同服務(wù)的實(shí)際內(nèi)涵僅僅是不同時(shí)空尺度森林截持蓄留降水。因此，不能通過(guò)累加上述服務(wù)作為森林水源涵養(yǎng)功能的物質(zhì)量。由于對(duì)水源涵養(yǎng)內(nèi)涵理解的不一致性，經(jīng)常導(dǎo)致不同地區(qū)甚至同一個(gè)地區(qū)的研究案例沒(méi)有可對(duì)比性，嚴(yán)重限制了森林水源涵養(yǎng)功能研究的應(yīng)用價(jià)值［8］。建議在森林水源涵養(yǎng)功能評(píng)估時(shí)應(yīng)根據(jù)研究區(qū)森林表現(xiàn)出的主導(dǎo)水源涵養(yǎng)功能確定核算方法，保證核算內(nèi)容在機(jī)理上的準(zhǔn)確性。

2 森林水源涵養(yǎng)功能的尺度問(wèn)題

由于水文要素(如地形地貌、土壤類(lèi)型、植被條件、植被類(lèi)型和不同層次前期儲(chǔ)水特征)的空間異質(zhì)性和水文通量(如降水、蒸發(fā)散、徑流等)的時(shí)空異質(zhì)性，小尺度的研究結(jié)論難以上推至更大尺度［9］。即當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)劃分為多個(gè)單元或者多個(gè)單元構(gòu)成時(shí)，系統(tǒng)規(guī)律不是單元機(jī)理的直接外延，單元與單元之間存在能流、物流交換，水文響應(yīng)單元在不同水文要素作用下表現(xiàn)出完全不同的臨界閾值特征，如不同植被類(lèi)型其林冠層最大截留率、枯落物最大持水量、植被根系及土壤動(dòng)物作用下的土壤最大持水量和水力傳導(dǎo)度等都有較大的差異，圖1是不同時(shí)空尺度森林水源涵養(yǎng)功能示意圖。

圖1 森林水源涵養(yǎng)功能的時(shí)空異質(zhì)性Fig.1 Temporal and spatial heterogeneity of forest water conservation function

2.1 空間尺度

在單株尺度上，冠層結(jié)構(gòu)(葉面粗糙度、枝葉量、枝葉空間分布情況等特征)影響林冠的截留能力，枝葉表面粗糙的林分較枝葉表面光滑的林分林冠截留能力強(qiáng)［10］，而林冠枝葉空間分布越均勻，枝葉量越多、截留量越大［11］;由于土壤凍融交替、根系的伸展和腐爛、土壤動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)等，土壤中普遍存在一些大孔隙，這些孔隙可以運(yùn)移大量水分，因此大孔隙發(fā)達(dá)的土壤持水能力更強(qiáng)［12-13］。林冠和林下層(包括林下植被、枯落物、土壤等)的蒸散受不同驅(qū)動(dòng)因素制約，一般地，林冠層受水分因素制約，而林下層受能量(風(fēng)、太陽(yáng)輻射等)因素制約［14］。在此尺度上所獲取的降水截留過(guò)程參數(shù)通常只具有點(diǎn)尺度特征，往往不能直接用于大尺度。

在坡面尺度上，林冠截留主要與郁閉度、冠層厚度有關(guān)，林冠層郁閉度不同，枝葉量不同，所產(chǎn)生的總表面張力就不同，進(jìn)而導(dǎo)致林冠層截留量差異較大?？萋湮锝亓袅恐饕c植被類(lèi)型、坡度、坡向有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，枯落物越厚，蓄積量越大，枯落物層持水量越大，但枯落物持水量與蓄積量并非線(xiàn)性關(guān)系［15-16］。枯落物分解程度對(duì)持水能力也有較大影響，半分解層持水能力最大。在坡面上，由于土壤優(yōu)先流及重力作用，上坡的土壤水分低于下坡?？萋湮镏械乃謺?huì)沿坡向下運(yùn)動(dòng)，因此下坡枯落物含水量高于上坡，而陰坡高于陽(yáng)坡［16-17］。坡度、坡向、土壤含水量、氣溫及植被蓋度是影響坡面蒸發(fā)的主導(dǎo)因子。坡度主要是通過(guò)影響坡面接受的凈輻射來(lái)影響蒸散發(fā)。在一次降雨事件后，一般陽(yáng)坡蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于陰坡，但長(zhǎng)時(shí)間干旱后，陽(yáng)坡土壤含水量很小，表面蒸發(fā)阻力大，則不利于蒸散發(fā);而陰坡在相同時(shí)段內(nèi)土壤含水量較大，蒸散發(fā)強(qiáng)度保持較高［18］。植被蓋度影響坡面蒸散發(fā)的情況較為復(fù)雜。一方面，植物蓋度高，葉面積指數(shù)大，植物的蒸騰強(qiáng)度大;而植被蓋度高，地面粗糙度大，風(fēng)速小，太陽(yáng)凈輻射量少，會(huì)降低林下層水分蒸散發(fā)速率［19］，因此在坡面尺度上植被蓋度對(duì)蒸散發(fā)的影響機(jī)理需要進(jìn)一步研究。目前在此尺度上，已取得大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如何將這些數(shù)據(jù)在較大尺度上應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)前森林水文研究的重要內(nèi)容。

在流域尺度上，森林水源涵養(yǎng)量主要跟流域的地形、林齡、林源、土壤類(lèi)型和質(zhì)地、枯落物厚度等有關(guān)。流域相對(duì)平坦，枯落物厚度較厚，可以減少地表徑流，延長(zhǎng)匯流時(shí)間，增加水分入滲土壤［20］。流域尺度的蒸散主要取決于氣象因素和流域下墊面特征(如森林植被狀況、土壤類(lèi)型和質(zhì)地，枯落物量等)［21］。

在區(qū)域尺度上，森林類(lèi)型顯著的影響林冠截留和林下枯落物量。在相似植被蓋度條件下不同氣候帶森林林冠截留為針葉林＞針闊混交林＞闊葉林［22-23］，枯落物截留是闊葉林＞針闊混交林＞針葉林［23-24］。地質(zhì)因素通過(guò)影響成土過(guò)程(母質(zhì))來(lái)影響林下土壤的持水量。賀淑霞等的研究發(fā)現(xiàn)，森林水源涵養(yǎng)量并沒(méi)有呈現(xiàn)出與水熱梯度對(duì)應(yīng)的規(guī)律性［25］。盡管降水呈現(xiàn)出明顯的從北向南增加的趨勢(shì)，但在此梯度上蒸散發(fā)的制約因素卻明顯不同，在北方受水分因素制約，在南方受能量因素制約。因此，在區(qū)域尺度上森林水源涵養(yǎng)是一個(gè)受多因素影響的復(fù)雜的水文調(diào)節(jié)過(guò)程。

2.2 時(shí)間尺度

現(xiàn)有研究對(duì)時(shí)間尺度的界定非常模糊，盡管有部分研究明確為具體年份的森林水源涵養(yǎng)量，但數(shù)據(jù)大多采用多年平均的結(jié)果，對(duì)具體年份降雨特征及立地條件的特殊性均沒(méi)有體現(xiàn)，因此缺乏時(shí)效性意義。

在降水事件中，森林水源涵養(yǎng)量主要受降水特征(降水量、降水強(qiáng)度、降水持續(xù)時(shí)間等)、森林郁閉度、降雨前不同層次持水狀態(tài)以及鄰近單元間水量交換特點(diǎn)(側(cè)向流)的影響。一般來(lái)說(shuō)，截留量隨雨量的增大而增加，趨近飽和截留量時(shí)，增加速度減緩。截留與雨強(qiáng)的關(guān)系十分密切，雨強(qiáng)越小，截留量愈大，截留率越高，林冠對(duì)雨水的截留時(shí)間越長(zhǎng);雨強(qiáng)越大，截留量越小，截留率越低，截留作用的時(shí)間越短［22］。對(duì)于產(chǎn)生徑流的降水事件而言，枯落物層有減少?gòu)搅?，增加水分入滲土壤的功能，其效能與枯落物量、分解程度有關(guān)。

在季節(jié)尺度上，森林水源涵養(yǎng)量主要受降水季節(jié)性分配(降水頻次)、蒸散發(fā)、葉面積變化等因素影響。無(wú)論是有野外實(shí)驗(yàn)還是模型模擬，都表明在生長(zhǎng)季截留率與葉面積指數(shù)成正比。降水的季節(jié)性分配對(duì)林冠截留的影響較為明顯，如常綠針葉林對(duì)降雪的截留要比降雨的截留高很多?？萋湮锬苷{(diào)整不同季節(jié)林地蒸散，趙鴻雁等的研究表明枯落物層抑制土壤蒸發(fā)量與枯落物層厚度和土壤含水量有關(guān)［26］，而土壤含水量受降水的季節(jié)分配明顯［27］，枯落物蓄積量具有隨季節(jié)變化的波動(dòng)性［28］。

在長(zhǎng)時(shí)間尺度上，物候變化、氣候變化、人類(lèi)活動(dòng)(如森林經(jīng)營(yíng)方式等)等影響森林水源涵養(yǎng)功能。Asdak等對(duì)印度尼西亞砍伐和未砍伐的林區(qū)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單位植株密度減少一半時(shí)，林冠截留率下降5%左右［29］。

2.3 尺度外推

目前大多數(shù)研究?jī)H對(duì)單一林分的個(gè)別層次蓄水功能進(jìn)行研究，缺乏流域尺度或者更大空間尺度的森林水源涵養(yǎng)功能研究。李海軍等采用流域?qū)嶒?yàn)和水量平衡樣地相結(jié)合的辦法，實(shí)現(xiàn)了干旱區(qū)從樣地觀測(cè)到流域尺度山地森林生態(tài)系統(tǒng)雨季水源涵養(yǎng)量估算［30］。

關(guān)于森林水源涵養(yǎng)功能研究的時(shí)間尺度研究文獻(xiàn)較少。de Groenh和Savenije通過(guò)分析將日尺度的降雨統(tǒng)計(jì)特征耦合進(jìn)月尺度的降雨截留模型，用有限站點(diǎn)的日降水截留數(shù)據(jù)推算更大時(shí)空尺度上降雨與不同層次的截留關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了降水不同截留的時(shí)空尺度外推［14］。Guo等按照降雨強(qiáng)度劃分年內(nèi)降雨，將其標(biāo)準(zhǔn)化為某個(gè)常見(jiàn)雨強(qiáng)的若干場(chǎng)次降雨，并觀測(cè)不同植被-土壤-坡面復(fù)合體不同層次截留能力，從而實(shí)現(xiàn)了森林水源涵養(yǎng)量由降雨事件向年尺度，坡面尺度向縣級(jí)尺度的轉(zhuǎn)換［3］。

森林涵養(yǎng)水源功能在時(shí)空尺度上變異性較大，對(duì)森林涵養(yǎng)水源功能的準(zhǔn)確計(jì)量帶來(lái)諸多困難。圖2是森林水源涵養(yǎng)的基本生態(tài)水文過(guò)程概化圖，對(duì)影響這些過(guò)程的關(guān)鍵因素應(yīng)得到體現(xiàn)，同時(shí)還要反映垂直層次和水平層次森林涵養(yǎng)水源能力的差異性及閾值特征，因此區(qū)域降尺度到流域，將坡面尺度上推到流域，集中在流域尺度把握森林水源涵養(yǎng)的空間異質(zhì)性將是解決森林水源涵養(yǎng)功能尺度外推的有效辦法。模型模擬是定量評(píng)價(jià)森林水源涵養(yǎng)的重要途徑［31］。

3 森林水源涵養(yǎng)功能計(jì)量問(wèn)題

3.1 森林水源涵養(yǎng)功能計(jì)量方法及其基本假設(shè)

張彪等人對(duì)森林水源涵養(yǎng)功能計(jì)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)做了較為詳細(xì)的論述［7］，但這些評(píng)價(jià)可能忽略了森林水源涵養(yǎng)功能的內(nèi)涵及其尺度特征，本研究認(rèn)為該文中列舉方法的不足其實(shí)質(zhì)內(nèi)容可以歸納為3個(gè)方面:1)降水事件中不同層次截留量在長(zhǎng)時(shí)間尺度上將有大部分蒸散，是否將這部分算作森林水源涵養(yǎng)量?2)森林雨季截留量在旱季補(bǔ)充河道徑流是否算作森林水源涵養(yǎng)量?3)不同森林水源涵養(yǎng)功能的不同表現(xiàn)形式對(duì)應(yīng)的計(jì)量方法?可以看出，計(jì)量方法某些不足并非是其本身缺陷，而是與尺度及研究目的有較大相關(guān)性。據(jù)此對(duì)這些方法進(jìn)行重新評(píng)價(jià)。表1列出了各常用方法的基本假設(shè)、公式及適宜的研究尺度，并沒(méi)有將較少用的模型方法(如 Mashayekhi等［32］，Guo 等［2］)或者對(duì)這些方法的改進(jìn)列出［33-37］。

3.2 森林水源涵養(yǎng)功能計(jì)量的數(shù)據(jù)問(wèn)題

圖2 森林水源涵養(yǎng)的基本生態(tài)水文過(guò)程概化圖Fig.2 The concept model of eco-hydrological processes of forest water conservation

森林水源涵養(yǎng)量的計(jì)算方法主要利用兩種類(lèi)型的參數(shù)，一是氣象數(shù)據(jù)，如降水量、溫度等;另一種參數(shù)與立地條件有關(guān)，如森林覆蓋度、土層厚度、土壤非毛管孔隙度等。一般前者是研究區(qū)附近相對(duì)開(kāi)闊的氣象站監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù);后者一般通過(guò)以下3種方法獲得:1)引用其他文獻(xiàn);2)直接辦法:實(shí)地試驗(yàn);3)間接辦法:通過(guò)測(cè)量其他相對(duì)較易的參數(shù)，然后通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

(1)盡管從相關(guān)文獻(xiàn)中獲得的參數(shù)可以得到一些穩(wěn)定且可比較的結(jié)果，但是通常不同地區(qū)間氣象、立地條件差異較大(圖3)［40-42］。比如，不同森林類(lèi)型或者同一森林類(lèi)型對(duì)不同雨強(qiáng)的截留能力有顯著差別。再者這種途徑算出的不同地方的森林水源涵養(yǎng)量的差異僅僅體現(xiàn)在生態(tài)系統(tǒng)屬性(如森林面積)或降水量的差異，而不是立地條件差異引起的森林生態(tài)水文過(guò)程的差別。另外，對(duì)森林水源涵養(yǎng)功能研究的文獻(xiàn)缺少對(duì)立地情況的描述。

(2)如果兩個(gè)參數(shù)都是源自同一個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，誤差補(bǔ)償就十分有限。如徑流系數(shù)、蒸散發(fā)等的計(jì)算。另外，如果沒(méi)有研究地所需時(shí)相和位置的數(shù)據(jù)時(shí)，通常的辦法是采用多年平均值或者附近資料豐富地區(qū)的數(shù)據(jù)，然而近年來(lái)氣候變化的強(qiáng)度和頻度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出經(jīng)驗(yàn)范圍，用均值或者代替值很難體現(xiàn)某一具體年份森林涵養(yǎng)水源的實(shí)際量，再如蒸散量，很多時(shí)候采用附近裸地的最大水面蒸發(fā)量，明顯高估了林區(qū)蒸散量［39］。尺度上推也是一個(gè)問(wèn)題。

(3)直接實(shí)驗(yàn)獲取是一種經(jīng)常采用的辦法，但采樣數(shù)據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)一般較少，樣點(diǎn)缺乏代表性，現(xiàn)有研究較少討論數(shù)據(jù)變異程度。目前對(duì)大尺度森林水源涵養(yǎng)功能的評(píng)價(jià)，多采用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的分布情況、數(shù)據(jù)本身質(zhì)量等信息闡述較少，造成大尺度森林涵養(yǎng)量計(jì)算為0甚至為負(fù)值的情況［38］。在尺度外推時(shí)就存在很多問(wèn)題。

3.3 森林水源涵養(yǎng)功能物質(zhì)量計(jì)量方法的可靠性及其適用性

目前對(duì)森林水源涵養(yǎng)功能研究的方法很多，但因?yàn)樯炙春B(yǎng)功能物質(zhì)量無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)或者其他手段直接驗(yàn)證。因此，對(duì)各方法準(zhǔn)確性如何鮮有文獻(xiàn)報(bào)道，造成目前研究缺乏對(duì)比，影響了森林水源涵養(yǎng)功能研究的應(yīng)用價(jià)值，亟待開(kāi)展計(jì)量方法的評(píng)價(jià)研究。需要開(kāi)展的研究主要包括:

1)不同復(fù)雜程度(參數(shù)個(gè)數(shù)、對(duì)不同尺度森林水文過(guò)程細(xì)節(jié)的考慮等)的計(jì)量方法對(duì)森林水源涵養(yǎng)量核算的影響;

2)這些方法的可塑性(這里將模型的可塑性定義為將模型應(yīng)用于不同情景時(shí)模擬結(jié)果的變異性［43］。通過(guò)敏感性分析不同地理位置和年份參數(shù)的模擬結(jié)果進(jìn)行量化如何?對(duì)森林水源涵養(yǎng)功能研究的不確定性分析，包括森林水源涵養(yǎng)功能內(nèi)容(不同尺度驅(qū)動(dòng)機(jī)制的復(fù)雜性)、輸入?yún)?shù)、輸入數(shù)據(jù)(監(jiān)測(cè)手段不確定性)、計(jì)量方法的不確定性。

?

圖3 不同氣候、立地條件影響的森林水源涵養(yǎng)量對(duì)比［40-42］，森林水源涵養(yǎng)量計(jì)算方法為不考慮林冠截留的綜合蓄水量法;氣候、立地條件差異較大，不同森林類(lèi)型的水源涵養(yǎng)量也存在較大差異，不能簡(jiǎn)單的根據(jù)森林類(lèi)型引用其不同層次的截留量Fig.3 The comparison of forest water conservation under different climate and site conditions

3)如果森林水源涵養(yǎng)量是受各水文通量直接作用的結(jié)果，那么這些計(jì)量方法應(yīng)該都存在區(qū)域適用性。首先，不同地理位置上雨強(qiáng)和降雨頻度有較為明顯的差異，而各類(lèi)森林不同層次對(duì)降水截留有明顯不同的閾值特征;再者，不同地理位置有明顯不同的制約蒸散機(jī)制的因素，這些制約因素對(duì)蒸散受能量或者水量限制地區(qū)的影響差異也較大，如風(fēng)速對(duì)受能量限制流域的影響比水量限制流域大［44］;此外，我國(guó)濕潤(rùn)地區(qū)的產(chǎn)流方式以蓄滿(mǎn)產(chǎn)流為主，而在干旱的黃土高原地區(qū)則以超滲產(chǎn)流為主，土壤作為森林涵養(yǎng)水源的主體如何根據(jù)蓄水產(chǎn)流特點(diǎn)選擇合適的計(jì)量方法是森林水源涵養(yǎng)功能研究的關(guān)鍵問(wèn)題。司今等對(duì)森林水源涵養(yǎng)功能計(jì)量方法的區(qū)域適用性做了初步探討，綜合蓄水能力法適用于降水充沛地區(qū)，降水儲(chǔ)存量法在半干旱區(qū)計(jì)算結(jié)果較為穩(wěn)定，而水量平衡法在半干旱區(qū)適應(yīng)性較差。未來(lái)研究需要進(jìn)一步量化各計(jì)量方法的區(qū)域適用性［45］。

4 我國(guó)森林水源涵養(yǎng)功能研究未來(lái)可能的發(fā)展方向

4.1 明確界定森林水源涵養(yǎng)功能的邊界，探索森林水源涵養(yǎng)功能計(jì)量的新方法。

自Constaza等提出對(duì)水源涵養(yǎng)等17種生態(tài)系統(tǒng)功能評(píng)估以來(lái)［46］，我國(guó)森林水源涵養(yǎng)功能研究發(fā)展迅速，《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估規(guī)范》［47］的發(fā)布，為森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估方法的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化研究作出了有益的嘗試，但該規(guī)范中關(guān)于森林水源涵養(yǎng)功能物質(zhì)量評(píng)價(jià)方法并未考慮下墊面特征，如林齡、林源、林下層狀態(tài)等因素，而對(duì)這些因素的忽視在很多程度上造成國(guó)內(nèi)對(duì)水源涵養(yǎng)功能的核算研究缺乏科學(xué)性。目前中國(guó)正面臨天然林的大面積退化消失和人工林的大面積種植，簡(jiǎn)單的通過(guò)幾個(gè)水文通量(蒸散、降水)很難準(zhǔn)確反映森林生態(tài)系統(tǒng)功能變化，這種粗放的計(jì)算方法顯然已經(jīng)不能滿(mǎn)足決策需求，也制約了森林生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制的研究工作［48］。再者，對(duì)森林水源涵養(yǎng)功能的評(píng)估存在重復(fù)計(jì)算的問(wèn)題。如森林調(diào)節(jié)水量和凈化水質(zhì)的物質(zhì)量全部都采用水量平衡法計(jì)算，然后累加計(jì)算森林涵養(yǎng)水源功能的價(jià)值量，誠(chéng)然調(diào)節(jié)水量和凈化水質(zhì)都是通過(guò)森林的不同層次攔截降水的生態(tài)水文過(guò)程所表現(xiàn)出來(lái)的不同服務(wù)價(jià)值，直接累加缺乏可靠的生態(tài)水文學(xué)理論基礎(chǔ)，可能會(huì)重復(fù)計(jì)算森林水源涵養(yǎng)功能。因此，一方面對(duì)森林水源涵養(yǎng)常用計(jì)量方法開(kāi)展區(qū)域適用性評(píng)價(jià)，提高大尺度研究森林水源涵養(yǎng)核算方法的準(zhǔn)確性;同時(shí)根據(jù)政策需求還應(yīng)探索符合研究區(qū)實(shí)際的森林水源涵養(yǎng)功能計(jì)量的新方法，進(jìn)一步提高評(píng)估的準(zhǔn)確性和有效性。

4.2 森林水源涵養(yǎng)功能研究在不同區(qū)域、不同時(shí)間空間尺度關(guān)聯(lián)的核心科學(xué)問(wèn)題。

對(duì)于森林水源涵養(yǎng)功能的研究，亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題主要表現(xiàn)在:

(1)根據(jù)研究目的和研究區(qū)實(shí)際情況選擇評(píng)價(jià)森林水源涵養(yǎng)功能的服務(wù)形式

不同區(qū)域、不同時(shí)間空間尺度上可能包含著完全不同的森林水源涵養(yǎng)功能的服務(wù)形式。認(rèn)為應(yīng)該根據(jù)研究目的和研究區(qū)實(shí)際情況選擇評(píng)價(jià)森林水源涵養(yǎng)功能的服務(wù)形式，比如在水源地的森林則強(qiáng)調(diào)凈化水質(zhì)的服務(wù)，在北方石質(zhì)山區(qū)，強(qiáng)降雨事件經(jīng)常造成的泥石流、滑坡頻繁，森林的水源涵養(yǎng)功能更強(qiáng)調(diào)攔截洪水、調(diào)節(jié)徑流的服務(wù)。因此，明確研究區(qū)域的森林水源涵養(yǎng)功能的服務(wù)形式是未來(lái)研究是未來(lái)研究亟需解決的問(wèn)題，也是避免重復(fù)評(píng)價(jià)的根本。

(2)面對(duì)天然林的大面積退化消失和人工林的大面積種植狀況，如何正確評(píng)價(jià)由此引起的森林水源涵養(yǎng)功能的變化?

目前，森林水源涵養(yǎng)功能評(píng)估研究并沒(méi)有正確認(rèn)識(shí)到中國(guó)目前的天然林的大面積退化消失和人工林的大面積種植現(xiàn)狀，以及由此引發(fā)的水量分配格局的變化。高森林覆蓋率并非就等同于森林提供高質(zhì)量的水源涵養(yǎng)功能。如2006年福建建甌市森林覆蓋率高達(dá)80.05%，然而卻幾次遭到洪澇災(zāi)害的襲擊。因此如何根據(jù)立地實(shí)際情況正確評(píng)價(jià)森林水源涵養(yǎng)功能是目前亟需解決的一個(gè)問(wèn)題。

(3)如何從森林生態(tài)水文效應(yīng)的角度，把中國(guó)不同水熱梯度上對(duì)針葉林、闊葉林和灌木林等森林水源涵養(yǎng)功能研究成果統(tǒng)一起來(lái)客觀地評(píng)價(jià)其空間變異規(guī)律?

僅從知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)以“森林水源涵養(yǎng)、林冠截留、枯落物蓄水、森林土壤蓄水、森林生態(tài)系統(tǒng)功能”等關(guān)鍵詞搜索，有約3000篇以上的論文從森林不同層次來(lái)研究森林的降水截留特征。盡管也有研究對(duì)森林降水截留做了有意義的綜述，但從森林生態(tài)系統(tǒng)功能角度出發(fā)，系統(tǒng)的對(duì)目前研究做計(jì)量綜述鮮見(jiàn)。因此，根據(jù)地理位置、林型、林齡、林源、海拔、年均降水量、溫度、蒸發(fā)量、土壤、森林面積、郁閉度、密度、不同層次降雨截留量、發(fā)表年份、評(píng)估方法等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)不同水熱梯度上針葉林、闊葉林和灌木林等的森林水源涵養(yǎng)功能的空間變異規(guī)律。

(4)森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的尺度效應(yīng)

從森林水源涵養(yǎng)功能的尺度特征綜述部分中可以看出，目前研究只是解決了不同尺度上影響森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的主導(dǎo)因子，缺乏這些因子如何共同耦合的定量評(píng)價(jià)。如何從不同時(shí)空尺度上揭示不同森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的變異規(guī)律，發(fā)展尺度轉(zhuǎn)換方法，明確區(qū)域不同尺度森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的異質(zhì)性、尺度特征和多尺度關(guān)聯(lián)，為區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)功能的保育和區(qū)域生態(tài)安全的可持續(xù)管理提供理論依據(jù)將是未來(lái)研究的一個(gè)重要方向。

(5)干旱半干旱地區(qū)上游大規(guī)模植樹(shù)造林與下游水生態(tài)安全

干旱半干旱地區(qū)大規(guī)模植樹(shù)造林可能引起下游水生態(tài)安全。如永定河上游的植樹(shù)造林是造成永定河流域20多年干枯的重要原因之一［49］。那么如何權(quán)衡上游涵養(yǎng)水源與下游生態(tài)需水關(guān)系，并基于此提出不同地區(qū)森林適宜蓋度。

(6)從靜態(tài)研究向動(dòng)態(tài)研究的轉(zhuǎn)變

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和價(jià)值評(píng)估要綜合生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀、構(gòu)成及其時(shí)空變化［50］，森林植被在陸地生態(tài)水文循環(huán)過(guò)程中不是孤立的、靜態(tài)的水文景觀要素，森林生長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)和功能的動(dòng)態(tài)變化直接影響森林截持蓄留降水

的整個(gè)過(guò)程。忽略森林物候、結(jié)構(gòu)及其演替變化的影響，難以真正體現(xiàn)森林植被空間格局及其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化對(duì)水文過(guò)程的影響。李士美等根據(jù)多年定位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究年內(nèi)森林水源涵養(yǎng)功能的演變特征，為森林水源涵養(yǎng)功能由靜態(tài)研究向動(dòng)態(tài)研究轉(zhuǎn)變做了有益的嘗試。未來(lái)研究應(yīng)加大對(duì)不同林齡、林源、擾動(dòng)等多因素復(fù)合情景下森林的水源涵養(yǎng)功能研究，加快森林水源涵養(yǎng)功能研究由靜態(tài)單一要素向動(dòng)態(tài)多元要素的轉(zhuǎn)變，深入對(duì)森林水源涵養(yǎng)功能的認(rèn)識(shí)。

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