森林水文作用

森林對自然界水分運動的影響及所產生的效應。地球上的總水量是一個相對穩定值。在太陽輻射能和地球引力作用下,水分通過降水、蒸發、徑流等形式,在海洋與陸地之間及海洋、陸地內部進行著循環和運動。森林是陸地生態系統的組成部分。在森林生態系統中,森林植物對水分的吸收、蒸騰、滯流以及林地的滲透、貯蓄作用,對自然界的水分運動產生重大影響,可以調節降水、蒸發、徑流和土壤水分的增減,並進而影響其他生態系統的水分運動和陸地水系的水量、水質變化。研究和認識森林對自然界水分循環運動影響的規律,對於開發、利用水資源,防治水患,充分發揮森林的生態效益具有重要意義。

森林水文作用

正文

研究概況 研究森林對水分的存在狀況和運動規律的學科稱森林水文學,它起源於19世紀中葉。1864年德國的 E.埃貝邁爾在巴伐利亞建立了第一個森林氣象站,對林區降水量、土壤蒸發和枯枝落葉層對地面蒸發的影響進行了觀察。1900年在瑞士的埃曼托爾山地的兩個集水區,對森林和牧地、耕地進行了河流流量的對比觀察。之後,日本、美國、蘇聯等國家相繼開展了這方面的研究。20世紀中期以來,研究範圍進一步擴大,手段日趨現代化。如在不同自然地域內開展各種林分的水量平衡和水質研究,探索不同林種、不同採伐方式對降水和徑流的影響,找出最佳森林水文效益的林種和採伐、更新方式,以及在測試儀器和裝置方面採用中子散射、無線電遙控、室內模擬等。中國最早是於1924~1926年在山西、山東等地的寺廟林里進行了徑流試驗。
森林對水文運動的影響 主要表現在以下幾個方面。
對大氣降水的影響 森林植物枝葉對霧、露、霜等水平降水具有很強的捕獲能力。森林的凝結水量比空曠地多1/4,一般占總降水量的2~5%。此外,森林還對降雪量有較高的攔截能力,林帶和林緣的積雪量比農田要高2~6倍。對於森林增加降雨問題爭論很大:一種意見認為森林地區水汽多、濕度大,溫度較低,森林上空湍流渦動較盛,因而易於成雲致雨;另一種意見認為降水量主要決定於大氣環流,森林的作用不大。但比較趨於一致的意見是大面積森林可增加 5~10%的降水量。
截留降水 森林植物和地被物表面吸收、吸附並蒸騰大氣降水的現象。可分為3部分:①林冠截留。是降水被林木的枝、 葉、乾等表面吸收、 吸附和蒸發的現象。其截留率隨降水量和降水強度增大而減少,一般為降水量的15~30%。截留量隨降水量和降水持續時間增加而有所增大,但有一個極限值,最大截留量一般為10~20毫米,很少超過25毫米。林冠截留降水,與林冠總表面積成正相關。針葉林大於闊葉林;復層林大於單層林;中齡林以上的林分大於幼齡林;鬱閉度大和疏密度高的林分大於鬱閉度小和疏密度低的林分。②林下植物截留。其截留量較少,與覆蓋度、占有立體空間及枝葉密度成正相關。③枯枝落葉層的截留。其截留量較大,吸水量可達到自重的2~5倍。一般占年降水量的1~5%。截留量與枯枝落葉層的厚度、 質地和分解程度等有密切關係。厚度大、分解程度高,吸水性能好,則截留量大,截留率高。
蒸發散 包括林地表面水分蒸發和森林植被的蒸騰。由於森林內的溫度較低、濕度較大,林地表面蒸發量比無林地小,一般為無林地的20~60%。森林蒸騰是森林植物進行有機物合成及分解、能量的吸收和轉化的一種生理現象。即土壤水分經根系吸收,通過輸導系統,至葉部及嫩枝皮部逸散到大氣中的消耗過程。其蒸騰量受蒸騰強度、蒸騰時間和蒸騰面積(主要是總葉面積)等3 個因素所支配。森林蒸騰量比草原、農田和裸地為高。熱帶雨林年蒸騰量可達3100毫米,比溫帶森林大2~3倍。森林蒸發 -蒸騰量一般接近年降水量的一半或一半以上。
土壤蓄水 森林土壤疏鬆,滲透性強,有利於水分的貯存和移動。中國四川高山雲杉、冷杉林的土壤滲透率為300毫米/小時,而其採伐跡地僅為120~130毫米/小時。日本北海道各類土壤終期滲透強度林地為 414毫米/小時,農地為56毫米/小時,牧地為37毫米/小時,草地為128毫米/小時,裸地為14毫米/小時。不同森林植被的蓄水能力也不同。土壤層越深厚、越疏鬆,蓄水能力越高。
調節徑流 在森林裡,地表徑流所占比例很小。地下徑流則占主要地位,它是由降水滲入土壤而產生的。同地面徑流相比,地下徑流流速緩慢,水質純淨,具有調節和淨化水源的作用。徑流量與降水量之比稱為徑流係數,其值大小同降水、森林組成和結構以及土壤條件有關。森林對河流年徑流量的影響,目前仍有爭論。一種意見認為在降水量充足而均勻、地層透水性良好的地區,森林可增加地下徑流而使河流年總徑流量增加。另一種意見認為由於森林蒸騰量較大、耗水多,反可使土壤乾燥、徑流量減少。
森林水分平衡 通常用下述水分平衡式表示: 式中P為固定森林流域內某一期間的降水量,以毫米計;L1為林冠蒸發量;噹為森林蒸騰量,即森林將吸收水分通過葉表面氣孔及枝幹皮孔等組織向大氣逸散的水分;L2為林地地面蒸發量;噵為活地被物(草、灌木、苔蘚、地衣等)水分蒸騰量;F1為地面徑流,降水在地面形成的坡漫流,注入河道的水量;F2為地中徑流或表層徑流,土壤孔隙間的水分傾斜流動注入河道的水量;F3為深層徑流或地下徑流,地下水以滲流方式注入河道的水量;△S為森林生物體貯水量變數值;△Q為林中空氣水汽的變數值;△W為土壤貯水量的變數值。
水文效益 森林由於其對水文的影響而對人類生態環境及生產活動產生的水文效益主要表現在:
保持水土、防止土壤侵蝕 森林對降雨的截留,大大減輕了雨滴對土壤表面的重力衝擊。森林把地面徑流轉為地下徑流,可以防止土壤流失。樹根深而交錯盤結,固土能力強,可以防止滑坡、塌方和土石流的發生。相反,過量採伐森林是導致水土流失的根本原因。歷史上中國黃土高原地區森林覆被率曾高達50%左右。經四五千年的開墾,森林覆被殘存無幾,水土流失嚴重地區的面積達28萬平方公里,占該地區總面積65%;每年向三門峽以下黃河下游傾瀉泥沙達16億噸,成為世界上水土流失最嚴重的地區,黃河成為含沙量最高的河流。因此,在該地區恢復森林植被,限制坡面墾荒、實行陡坡退耕還林是控制水土流失的根本途徑。
涵養水源,調節流量,減少洪害 森林把地面徑流轉為地下徑流,減慢了徑流速度,因此在雨季可以大量貯蓄水分,減緩洪水流量;乾旱季節又可補充河水流量,減輕或防止旱災。復層、異齡、針闊混交的天然林等是涵養水源的最佳林分。降水量較小時森林對洪水的影響較為顯著,但長時連續性大雨則可使其抗洪作用逐漸減小。中國長江支流岷江上游因1950~1978年原始林破壞,森林覆被率下降15~20%,同期河流洪水流量平均增加38.27立方米/秒。
此外,森林還可改善水質,降低水的硬度,提高水的鹼性,並可防止水資源受到物理、化學、熱能及生物的污染。
參考書目
 R.Lee,Forest Hydrology,Columbia University Press,New York,1980.
 中野秀章著:《森林水文學》,共立出版株式會社,東京,1976。

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