森林植被影響徑流形成機制研究進展

1、森林植被影響徑流形成機制研究進展    提要徑流形成機制研究在水文學領域中具有十分重要的意義，且受到越來越廣泛的重視。水文環(huán)境以及水文通量的空間異質性和時間變化性導致了水文過程的尺度依賴性和非線性特征，沒有對水文過程較為清晰的認識，就不能將某一地區(qū)某一流域森林植被變化水文生態(tài)效應的研究結果簡單地外推到其他地區(qū)和其他流域。開發(fā)基于物理過程分布式參數水文模型可以為認識森林植被變化的生態(tài)學后效和客觀評價森林植被水文生態(tài)效益提供可行的工具。但是要實現這一目標，研究森林植被影響徑流形成機制是問題的核心所在。另一方面，認識森林影響徑流形成機制有助于研究水文學中的尺度

2、問題。研究森林植被影響徑流形成機制的主要方法包括水文測驗、同位素示蹤和動力水文學計算等，研究的空間尺度則為坡面與流域相接合。從已有的研究成果來看，森林植被影響徑流形成機制可以概括為：森林流域徑流形成為變動源區(qū)產流機制；森林流域徑流形成主要受飽和地表徑流、亞表層徑流和地下徑流的控制；森林流域徑流形成機制是相互作用和相互轉化的；優(yōu)先流在森林流域徑流形成中起到了至關重要的作用。關鍵詞森林植被變化；徑流形成機制；水文模擬；尺度問題；同位素水文學；優(yōu)先流；水力傳導度中圖分類號S715.3文獻標識碼A文章編號10003037(2001)01007906如何合理地利用流域森林資源，實現可持續(xù)發(fā)展目標是各國科

3、學家努力研究的前沿課題。在森林植被與生態(tài)環(huán)境相互作用和相互影響中，水文過程是最為重要的方面，森林與水的關系問題是水文研究的中心議題之一。1967 年在美國喬治亞大學召開國際森林水文學術會議以后，森林水文學研究逐漸從傳統(tǒng)的系統(tǒng)研究 (system or watershed study)發(fā)展到系統(tǒng)研究與過程研究 (processes study)相結合，從物理機制上認識森林的水文學作用，建立服務于森林植被經營管理的基于物理過程分布式參數水文模型的新階段。在這一發(fā)展過程中，森林植被影響徑流形成機制的研究是至關重要的一環(huán)。本文擬對森林植被影響徑流形成機制的研究意義、研究方法以及主要的研究結論作一回顧。

4、1 森林植被影響流域徑流形成機制研究意義1.1 有助于客觀評價森林植被的水文學作用森林植被影響水文過程，促進降雨再分配、影響土壤水分運動、改變產流匯流條件，進而在一定程度上起到消減洪峰、增加枯水徑流、控制土壤侵蝕、改善河流水質的作用。從國內外的研究來看，森林植被變化對河川徑流的影響存在著不同的結論。從我國的情況看，具有代表性的觀點是在北方地區(qū)森林植被覆蓋率增加，流域產水量減少，在南方亞熱帶地區(qū)森林植被覆蓋率增加，流域產水量增加13。從國外的情況看，前蘇聯的專家持森林植被可以增加河川徑流的觀點；其他國家的大量研究成果表明，森林植被增加減少河川徑流37。無論是那一種觀點，森林植被變化對流域產水量的

5、影響幅度在不同水文生態(tài)區(qū)差別很大，即使在相同的水文區(qū)內不同的試驗流域，這種差別也是很大的3、6。因此，要想將一個地區(qū)森林植被水文生態(tài)效應研究結果可靠地外推到其他地區(qū)和其他流域，必須重視水文過程物理機制的研究，特別是要揭示森林植被對流域徑流形成過程和不同徑流成分的影響。此外，從我國林業(yè)生態(tài)工程建設效益評價的需求來看，這一研究在我國亦具有十分重要的現實意義。1.2 有助于研究水文學中的尺度問題尺度問題指在進行不同尺度之間信息傳遞（尺度轉化）時所遇到的問題，是當今生態(tài)學、土壤學、氣象學和水文學領域研究的重點問題和難點問題810。從水文學尺度問題的形成來看有兩方面的因素：第一為水文環(huán)境（流域水文條件）

6、的空間異質性 (spatial heterogen eity) 和時間變化性 (temporal variability)。如流域的地質條件、地形條件、土壤條件具有空間異質性，而植被以及流域前期儲水特征等則不僅具有空間異質性，而且具有時間變化性。第二為水文通量的時空非恒定性（異質性 )。如降水和流域蒸發(fā)散隨時間和空間變化等。水文過程的異質性、尺度依賴性和非線性性構成水文學研究的前沿領域。水文尺度通常指水文過程，水文觀測或水文模型的特征時間或長度，水文尺度研究中最為重要的內容是徑流形成過程與徑流形成物理機制。例如，霍頓超滲產流是“點尺度”現象，即當降雨強度超過土壤入滲強度時，就可形成超滲產流，而

7、飽和地表徑流的形成只有在一定集水面積的土壤層飽和后才能形成，這種機制是一種“面尺度”現象和“體尺度”現象。再如，地表徑流、土壤水分運動和地下水運動的時間尺度就不是一個數量級（尺度）的問題。在森林環(huán)境條件下，由于枯枝落葉分解、植物根系展延、動物活動頻繁等對流域土壤水文特征產生重要的影響，土壤水分運動中基質流與優(yōu)先流的時間尺度也不是一個數量級 11, 同樣坡面土壤水分垂直入滲運動與側向流運動的時間尺度也不是一個數量級。研究森林植被對徑流形成機制的影響，可以有助于我們選取較為恰當的觀測尺度和模型尺度，將不同尺度的研究結果進行轉換。1.3 有助于開發(fā)基于物理過程的水文模型，為資源管理提供科學的決策工具

8、傳統(tǒng)水文模擬一般是經過數據采集與分析建立概念模型（描述主要的流域水文特征）建立概念模型的數學表達式采用數據系列的一部分進行模型參數的計算采用剩余部分數據系列進行模型檢驗，如果計算的結果與實測結果不符，則需要重復上述的相關步驟，直到取得與觀測數據一致的結果。這時就可以認為模型可被用于水文預測。這種方法建立在用于模型參數計算和用于模型檢驗的數據系列所處的水文環(huán)境是不變的這樣一個基本假設的基礎上12，然而水文環(huán)境隨著人類對資源管理和利用而發(fā)生變化，即水文環(huán)境具有時空變異性，采用傳統(tǒng)的工程水文學途徑難以客觀地評價森林植被變化的水文學后效。其原因有二：工程水文學途徑往往要求有足夠長的水文氣象資料系列進行

9、非確定性模型（隨機過程模型）和/或集總式水文模型的參數率定，而一般地區(qū)又不具備這樣的條件；另一方面，非確定性模型和集總式水文模型不足以揭示土地利用格局變化與森林變化對水文過程的影響。因此，開發(fā)基于物理學過程的分布式水文模型可以評價和預測土地利用變化、森林植被變化等對水文情勢的影響；預測水文系統(tǒng)對具有空間變化特征的輸入變量的輸出特點；預測污染物質和泥沙的遷移；預測沒有實測水文氣象資料流域的水文情勢；揭示森林景觀異質性對于維護景觀格局與過程影響機制。從我國林業(yè)生態(tài)工程建設的實踐來看，立地水平的造營林技術開發(fā)和流域尺度的優(yōu)化合理配置技術是兩大關鍵問題，但流域尺度的優(yōu)化配置如果離開基于土地利用的水文物

10、理模型開發(fā)是難以做到的?；谖锢韺W過程分布式水文模型的可靠性和精確度建立在對降水徑流形成機制清晰認識上，只有這樣才有可能將水文過程用具有物理意義的變量、參數、方程加以表達。因此可以認為，建立基于物理學過程分布式水文模型來為制定合理的森林經營規(guī)劃、自然資源管理規(guī)劃和土地利用規(guī)劃提供依據的目標在客觀上促進了森林流域徑流形成機制的研究，水文模型的建立與流域徑流形成機制研究是互相促進的。2 徑流形成機制及其影響因素2.1 徑流形成機制徑流形成機制是指降雨或融雪水通過坡面和流域蓄滲與匯流，最終在出口形成徑流全過程的水分運動和傳輸物理機制。其內容大體包括以下幾個方面：暴雨徑流的源區(qū)（空間分布）；暴雨徑流的

11、運動路徑（匯）；暴雨徑流的成分分割；暴雨徑流產生的時間問題（時間分布）；不同徑流成分運動的物理表達。2.2 流域暴雨徑流形成與傳輸機制的影響因素影響流域徑流形成的因素是多種多樣的，可以將其概括為降雨因素（水文通量因素）和流域因素（水文環(huán)境）。降雨因素包括降雨強度、持續(xù)時間和降雨量；流域因素包括地質、土壤、地形和植被等因素，這些因素的綜合作用影響了流域水分的貯存狀況、不同界面層的水力傳導度和水力坡度的變化，進而引起流域水分的水平和垂直運動而控制了流域徑流的形成。地質因素在較大尺度上影響流域徑流形成機制；從地形因素來看，一個流域可以概化為由 3 種基本地形單元即凸型、凹型和均勻坡面組成的系統(tǒng)，每一

12、種坡面對超滲地表徑流、飽和地表徑流、亞表層徑流的影響不同，同樣由于坡型影響到坡面風化物質的厚度、飽和亞表層徑流、非降雨期土壤水分空間分布、森林植被的生長和水文單元的蒸發(fā)散等，從而影響徑流形成機制13、14；影響徑流形成的土壤因素包括土層厚度、土壤孔隙狀況、粒徑組成、土壤成層性以及土壤中根系分布狀況等。3 森林影響徑流形成機制研究方法3.1 水文測驗方法水文測驗方法研究徑流形成機制是根據研究對象的具體特點，設計不同的測流設施對由不同路徑進行傳輸的流量過程施測，從而確定不同徑流成分在總徑流中所占的相對重要性。從流域尺度上看，由于不同徑流成分從坡面到流域的運動路徑不同，因此其運動到流域出口的時間就不

13、同，反應在流量過程線上則形成不同的形狀，因此可以利用流域出口的流量過程線形狀來判斷不同的徑流成分。但是，這種方法具有一定的局限性，在很多情況下難以準確地確定。3.2 同位素水文學方法它是利用已存在于水分子中的環(huán)境同位素，利用集水區(qū)水文系統(tǒng)中物理過程的變化（如蒸發(fā)、吸附與解吸附等）以及在水循環(huán)過程中各種水分的混合，引起同位素變化來研究流域徑流形成機制的一種方法。采用同位素方法研究徑流形成機制，一般仍需結合常規(guī)的水文測驗手段來識別不同的徑流成分。3.3 動力水文學計算方法動力水文學計算方法又稱間接測定法，它是通過對坡面土壤水分和水勢的動態(tài)連續(xù)測定，運用達系定律和連續(xù)方程計算土壤中垂直方向和側向的水

14、分運動通量，但此種方法僅適用于基質流。在實踐中，一般采用以上兩種和三種方法相結合的途徑來研究徑流形成機制。在研究的空間尺度上，則為坡面尺度與流域尺度相結合，以流域尺度的研究驗證坡面尺度的研究結果，以坡面尺度的研究從更深層次上揭示水分運動和傳輸機制15。4 森林影響流域徑流形成機制研究的主要結論傳統(tǒng)水文學徑流形成機制主要發(fā)展于二十世紀三、四十年代的 Horton 地表徑流理論，這一理論在工程水文學領域的統(tǒng)治地位一直持續(xù)了大約 30 年，而謝爾曼單位線理論的建立進一步強化了霍頓產流概念。進入 20 世紀 60 年代末，變動產流面積概念的形成與提出對超滲地表徑流形成機制的統(tǒng)治地位提出了強有力的挑戰(zhàn)。

15、Hewlett 和 Hibbert 基于森林環(huán)境下降雨強度很少能夠超過入滲強度的實驗觀測提出了暴雨徑流形成的動態(tài)理論框架，隨后開展了大量的旨在探索暴雨徑流形成機制的實驗研究，在區(qū)域上以美國和歐洲的溫帶濕潤區(qū)為主16。70 年代變動產流面積廣為接受，山坡水文學研究的興起和迅猛發(fā)展我國學者稱之為“山坡水文 教學反思 教學反思學派”17，為徑流形成機制理論的形成奠定了基礎。徑流形成機制研究手段越來越成熟，各種測流手段廣泛采用15、16、18、19、20，特別是環(huán)境同位素的廣泛應用18、21、22，各種徑流成分的形成過程有了試驗依據18、23、24、25，以水力傳導度變化為核心的界面產流理論的提出17

16、、26，對于研究和認識森林植被對流域徑流形成機制的影響具有重要的意義。4.1 森林流域徑流形成受變動源區(qū)產流機制控制如上所述，從經典的霍頓產流機制不能解釋森林環(huán)境下徑流的形成機制，相反，大量的研究成果表明森林環(huán)境下流域徑流形成包括超滲地表徑流、飽和地表徑流、亞表層徑流和地下徑流。在森林環(huán)境下，降水通過林冠層滲入土壤中，沿坡面向坡下運動，在坡體下部形成飽和或近飽和層，水分通過亞表層徑流流入河槽，形成暴雨徑流。變動源區(qū)產流機制一般是指多種徑流成分和徑流機制并存，其空間分布則隨時間而發(fā)生變化，在坡面尺度和流域尺度上都可以觀測到這一現象27。在森林流域水文模型開發(fā)中則常采用描述飽和區(qū)域空間分布的濕潤指

17、數來體現這一點14。在森林流域中建立集材道路系統(tǒng)，壓實土壤，有利于超滲地表徑流的形成，而隨著降雨過程的持續(xù)，飽和帶則有可能向上發(fā)展，從而為飽和徑流形成創(chuàng)造條件。從洪水過程形成變動產流面積在空間上的分布和傳送過程看，某些流域產生較大的主要由亞表層徑流形成的暴雨徑流量表明暴雨產流并不僅僅局限于近河槽地段，而是可以擴展到流域內較大的區(qū)域上28。這與流域的地形特點（坡度、坡型、坡長等）、基巖走向、土壤水力傳導性質、土層厚度及其空間分布特點、降雨過程等密切相關。4.2 森林流域徑流形成主要受飽和地表徑流、亞表層徑流和地下徑流的控制霍頓地表徑流一般發(fā)生在植被稀少、土壤發(fā)育不良、土壤入滲能力低的條件下，在濕

18、潤地區(qū)的森林環(huán)境下，由于土壤發(fā)育，地表徑流以飽和地表徑流的形式產生。在森林環(huán)境下，亞表層暴雨徑流可以對流域暴雨洪水過程的形成起到關鍵性的作用，是流域暴雨洪水過程的主要來源29。水文地球化學以及環(huán)境同位素示綜研究表明，在某些情況下地下水徑流是森林流域洪水過程的主要來源18、24、30、31，暴雨洪水過程主要由被替換出來的“舊水”(Old water or pre event water)組成30。Sklash 和 Farvolden 在加拿大 Shield 森林流域的同位素示蹤研究結果表明，暴雨洪峰流量主要由“舊水”組成，這一水文過程是由地下水分水機制（groundwater ridging m

19、echanism）引起的32。Pearce 和 Sklash 等在新西蘭西海岸的 Maimai 森林流域的研究表明，流域暴雨徑流的 75%97% 由“舊水”組成23、30。在其他溫帶濕潤區(qū)的研究同樣顯示，暴雨徑流過程主要由“舊水”組成20。4.3 優(yōu)先流在森林流域徑流形成中起到了至關重要的作用在森林環(huán)境下，降雨輸入是如何替換出流域內儲存的水分從而使舊水成為暴雨徑流的主要來源？新西蘭 Maimai 流域的研究表明，進入土壤中的新水在運動過程中與舊水快速混合，在近河槽的剖面上形成通過大孔隙和管道出流的舊水，對暴雨洪水徑流的貢獻可達 70%，并隨土壤水分向坡下運動達到 100%21、22、23。Pe

20、ters 等人對加拿大 Shield 森林流域通過采用水文測驗、同位素和地球化學示蹤等方法較為全面地研究了坡面壤中流水文過程及其對源頭流域暴雨徑流的貢獻機制，結果表明在土壤巖石界面較薄的風化層內都有壤中流流出，這一水流可以形成流域快速徑流和洪峰流量，非達西流是森林土壤中主要的水分通量。同位素示綜研究表明，降雨從垂直方向滲透到土壤巖石界面后，沿巖石表面產生側向流都是以優(yōu)先流方式運動的，優(yōu)先流在水平和垂直方向交互作用引起降雨的快速入滲致使土壤水分達到飽和，從而加大了新水和舊水沿坡面向下運動的通量25。也就是說，在舊水形成流域暴雨徑流主要成分的這一過程中，優(yōu)先流運動起到了至關重要的作用，基質流與優(yōu)先流之間的交換對流域徑流的形成也產生較大的影響24、25。研究森林植被對流域徑流形成機制的影響，必須將地質、地形、地貌因素的影響排除34。正是由于森林枯枝落葉分解、植物根系、動物活動頻繁導致較大孔隙的優(yōu)先流運動使得森林流域徑流形