摘要：森林对流域径流的影响包括森林对流域径流形成机制的影响、森林对流域径流量的调节以及森林对流域径流水质的影响 3 个方面。论文根据作者在黄土高原和北京土石山区多年研究的结果，并结合国内同行在森林水文方面的研究成果，就干旱地区森林对流域年总径流量、洪峰流量、枯水径流以及径流水质等方面的影响作了概括。结果表明，在干旱地区随着森林植被覆盖率的增加，流域年总径流量减少；森林植被可以大幅度地减小小流域的暴雨洪峰流量；森林植被覆盖率越高，枯水径流量随之增加；森林可以在很大程度上改善流域径流水质。根据干旱地区森林植被可以减少流域年径流总量的研究结果，初步估算目前我国干旱地区林业生态工程建设（包括天然林）的生态用水量为 160亿m³ 左右。由于森林植被对流域径流影响的复杂性和尺度依赖性，森林在区域（或大流域）尺度的水文功能评价仍有待于进一步深入研究。

关键词：干旱地区；森林流域；径流调节；生态用水

中图分类号：S715.3

文献标识码：A

文章编号：1000-3037(2001)05-0439-06

　　森林对流域径流的影响包括对流域径流形成机制的影响、对流域径流量的影响以及对径流水质的影响 3 个方面。森林对流域径流量的影响主要包括对年总径流量的影响和对流域径流量时程分配的影响，后者包括对洪水流量和枯水期流量的影响。森林植被包括天然林，也包括人工林，二者对水文循环的影响既有一定的相似性，又有一定的差别。未遭破坏的天然林生态系统对水文循环的影响和调节能力较大。人工林处于不同生长发育阶段，对水文循环和水文过程的调节有一定的差异。但总体而言，森林植被通过林冠层、枯枝落叶层、根系层以及森林生态系统的生理生态特性，影响流域降水的时空分配过程，影响流域径流成分、流域蒸发散、流域径流量以及流域水量平衡变化。所有这些都对流域水资源开发利用产生重要的影响。由于干旱地区森林植被对流域径流量的影响与水资源开发利用关系更为密切，也备受各方面的关注，因此，本文拟对干旱地区森林对流域径流的影响作一阐述。

1 干旱地区森林植被对流域年总径流量的影响

　　由于目前国内外对森林影响区域降水尚未形成肯定的科学结论，因此，森林对流域年总径流量影响的结论都是对特定地区、特定流域而言的。根据国内外的试验资料分析，在干旱地区森林覆盖率的增加将导致流域产水量（年总径流量）的减少，相反，森林植被覆盖率的减少则可以增加流域年总径流量。表 1 给出了我国不同地理气候区森林植被变化对流域年径流量影响的研究结果^[1]。

表 1 同一流域森林植被减少时河川径流系数变化情况
Table.1 Runoff coefficient changes along with forest vegetation coverage reduction in the same watershed

流域	河流	水文站	面积 (km2)	年代	森林覆盖率 (%)	年降水量 (mm)	年径流量 (mm)	径流系数
黄河 上游	清水河	吉县	435	80	57.88	516	23	0.045
				70	55.29	551	46	0.083
				60	25.31	589	55	0.093
	合水川	杨家沟	10	-	27.80	526.6	5.37	0.01
				-	0.00	525.7	9.94	0.019
长江 流域	斜江	大邑	264	60	56.89	1123	783	0.70
				70	54.86	1141	794	0.70
海南岛	南湾河	细水	144	60	10.00	1970	1297	0.66
				70	0.00	2213	1724	0.78
	万泉河	承坡	727	60	40.00	2428	1676	0.69
				70	15.00	2601	1805	0.69
	昌化江	毛枝	610	60	40.00	1877	963	0.51
				70	20.00	1922	1014	0.53

　　由表 1 可以看出，在处于半干旱地区黄河流域的黄土高原，流域的森林覆盖率降低导致流域径流系数明显增加。如山西省黄土区清水河流域面积 435km²，森林覆盖率在 20 世纪 60 年代、70 年代和 80 年代末分别为 25.13%、55.29% 和 57.88%，年均径流量分别为 55mm、46mm 和 23mm，年均径流系数分别为 9.3%、8.3%、4.5%。相反，处于热带和亚热带的流域，森林植被覆盖率的变化对流域年产水量的影响不大。如海南省万泉河流域面积 727km²，森林覆盖率 60 年代和 70 年代分别为 15% 和 40%，年均降水量分别为 2601mm 和 2428mm，年均径流量分别为 1 805mm和 1676mm，年均径流系数均为 69%。

　　那么，是什么原因造成森林覆盖率变化在不同气候区对流域年径流的差异呢？处于热带亚热带雨量充沛的流域，森林植被生态系统具有足够的水分供给，其蒸散接近于潜在蒸发散，流域水分蒸散输出主要决定于气候因素，植被覆盖率大小的影响不是主要因素，因此，森林植被变化对径流总量的影响相对于干旱少雨地区幅度有所下降，甚至没有产生明显影响。

在干旱半干旱地区，由于降雨量较小，森林植被群落的蒸腾蒸发量较大，蒸发散是生态系统主要的水分支出项，森林植被覆盖率的增加一般引起蒸发散水分输出增加，进而引起流域产水量的减少。表 2 给出了我国山西西部黄土区不同地类 1988 至 1990 年间的水量平衡研究结果^[2]。由表 2 可以看出，裸地的蒸发散占降水的 48.44%，草地占 66.22%，灌丛占 88.89%，油松和刺槐分别占 97.21% 和 100.96%，刺槐蒸发散超出了当年的降水量。

表 2 山西西部黄土区森林植被及裸地的水量平衡 (1988～1990)
Table.2 Water balance of different stands in comparison with bare land in Shanxi，1988 to 1990

地类	收入	支出		土壤蓄水变化 (mm)
	降水 (mm)	径流量 (mm)	蒸发量 (mm)
刺槐林	370.24	0.0017	373.81	-13.94
油松林	370.24	0.071	359.90	-2.52
虎棒子	370.24	0.057	297.34	58.76
沙棘	370.24	0.016	275.40	73.54
草地	370.24	0.053	245.16	101.91
裸地	370.24	0.297	179.36	176.57

2 干旱地区森林对流域径流时程分配的影响

　　森林对河川径流的调节作用主要表现在削减洪峰流量和增加枯水期流量两个方面。

2.1 干旱地区森林对洪峰流量的影响

　　森林能在一定程度上削减洪峰流量是国内外公认的研究结果。国外的研究表明，森林覆盖率每增加 2%，约可以削减洪峰 1%，当流域森林覆盖率达到最大值即 100% 时，森林削减洪峰的极限值为 40%～50%。国内的研究也表明，对于 10km² 以下的小流域，森林削减洪峰的能力可达到 50% 以上。表 3 给出了位于海河流域的密云水库上游典型暴雨条件下刺槐林在小流域尺度上影响地表径流洪峰流量的观测结果。从表中可以看出，刺槐林地表径流洪峰流量的消减率在 29.91%～75.29% 之间。干旱地区的森林在小流域尺度上可以显著地削减洪峰流量。刺槐林对洪峰流量的削减率在降雨量小于 70mm 时随降雨量的增加而增加，当场降雨量大于 70mm 时，削减率随降雨量的增加而减少。其中，重现期为 50 年、24 小时降雨量为 215.6mm 的 940712 号径流过程，刺槐林对地表径流的削减率亦可达 29.91%。可见，水源保护林对密云水库上游小流域暴雨洪峰流量具有较大的削减作用，对不同重现期暴雨洪峰的削减率有所变化。

表 3 海河流域密云水库上游刺槐林对小流域洪峰流量的影响
Table.3 Impacts of forest on peak flood discharge in small watershed of Miyun Reservoir，Beijing

降雨径流 编号	总降雨量 (mm)	最大洪峰流量 (l/s)		消减率 (%)
		有林流域	无林流域
940712	215.60	82.00	117.00	29.91
940812	147.20	44.50	69.40	35.88
970731	140.85	1393.80	2202.43	36.72
920803	89.60	173.70	329.20	47.24
960730	81.55	15.07	23.81	36.71
980705	78.60	7.16	13.52	47.04
920714	65.00	5.25	21.25	75.29
920716	46.40	158.20	345.00	54.14
960809	46.00	3.70	9.81	62.28
960911	42.80	18.49	33.87	45.41
980617	42.00	1.69	3.06	44.77

　　随着观测尺度的增大，对于 100km² 以上的中大流域，由于降雨在时间空间分布不均匀，加之支流调蓄功能的相互作用，森林削减洪峰的能力有所掩盖。但据北京林业大学的观测研究，山西省黄土区水土保持林对洪峰流量有显著的削减作用，清水河流域面积 435km²，从 20 世纪 60 年代到 80 年代末，森林覆盖率从 25.31% 增加到 57.88%，增加了 30%，削减最大洪峰流量达 44%。就黄土高原平均而言，森林流域洪峰径流模数比无林流域小 10 倍以上，洪水历时延长 2～6 倍^[3]。

2.2 干旱地区森林对枯水流量的影响

　　增加并延长枯水期流量。根据对祁连山水源涵养林效益的研究结果，天涝池河、寺大隆河和黑河上游等 3 条河流的森林覆盖率、冬季枯水期和春季枯水期的流量情况如表 4 所示^[4]。由表 4 可以看出，天涝池河、寺大隆河和黑河上游等 3 条河流的森林覆盖率分别为 65.9%、32.0% 和 5.9%，冬季枯水期径流量分别为 78.13mm、36.46mm 和 23.54mm，春季枯水期径流量分别为 62.50mm、61.97mm 和 12.20mm，可见，冬、春两个枯水期内的径流量随着森林覆盖率的减小而同步减小，说明森林能增加枯水期流量。

表 4 我国祁连山不同森林覆盖率与河川枯水径流的关系
Table.4 Low flow changes with different forest coverage in Qilian Mountain

河流名称	流域面积 (km2)	森林面积 (km2)	森林覆盖率 (%)	冬季径流量 (mm)	春季径流量 (mm)
天涝池河	12.8	8.435	65.9%	78.13	62.50
寺大隆河	109.7	35.1	32.0%	36.46	61.97
黑河上游下段	2557	150.9	5.9%	23.54	12.20

3 干旱地区森林对流域径流水质的影响

3.1 干旱地区森林可以显著地减少流域土壤侵蚀

　　森林减少流域土壤侵蚀的作用主要有两方面原因：削减雨滴冲击力和增加地表糙率、减小地表径流冲刷力。

　　森林具有浓密的树冠枝叶、丰富的灌草植被、枯枝落叶层、庞大的根系，能有效地消减侵蚀性降雨的雨滴动能，拦截、分散、滞缓雨滴对表土的侵蚀。我国海南岛山地雨林的研究结果表明，海南省尖峰岭山地雨林每平方米林冠 1 年就减少降雨动能 145　803.9J^[1]。除林冠层外，林下的灌木草本层和枯枝落叶层也能有效减少降水的雨滴动能。研究结果表明，森林的树冠、灌草层和枯枝落叶层累计可消减降雨动能总量的 70% 以上，大小依次为枯枝落叶层、灌草层、林冠层^[5，6]。林地减少超渗地表径流是其发挥土壤侵蚀控制作用的主要机理。四川省西充、简阳、广元、绵阳 4 个县的观测研究表明，与荒草地的地表径流量相比，防护林降雨形成地表径流量都很小，一般只有对照荒草地和耕地的 50% 以下；防护林地表径流系数更小，一般只有对照荒草地和耕地的 30% 以下^[7]。

　　森林植被正是通过对水文过程的调节和土壤物理化学性质的改良，一方面耗散降雨径流的侵蚀能量，另一方面提高土壤抵抗侵蚀的能力，进而防治土壤侵蚀，减少流域产沙量，减低河流泥沙含量，防治水库淤积，提高水资源的有效利用率。但是，由于土壤侵蚀和泥沙输移具有时空尺度依赖性，定位观测的结果具有地点依赖性，只有针对特定的条件才有意义。我国干旱地区不同森林类型抵抗土壤侵蚀能力的研究结果如表 5 所示^[8]。与对照观测的荒山、裸地和耕地相比，森林减少土壤冲刷的效益可达 81.82%～99.88%。

表 5 干旱地区不同类型森林保护土壤的综合能力
Table.5 Integrated potential on soil conservation by different forest types in dryland area

地点	地类	观察期降水 (mm)	冲刷量 (t/hm2)	地表径流 (mm)	保护土壤效益 (%)
					冲刷减少	径流减少
内蒙古大青山	落叶松	1354	1.68	11.37	98.03	86.47
	白桦疏林	1345	0.10	1.75	99.88	97.92
	白桦密林	1345	0.15	2.56	99.82	96.95
	荒坡	1362	85.26	84.05
陕西黄土高原	落叶阔叶林	20.1	0.002	0.83	81.82	56.77
	农地	20.1	0.011	1.92	-	-
	落叶阔叶林	31.0	0.214	11.78	99.90	47.13
	农地	31.0	222.811	22.28	-	-
宁夏黄土丘陵	刺梨山杏林	-	0.370	-	93.17	-
	山杏林	-	0.615	-	88.65	-
	荒坡	-	5.420	-	-	-

　　在流域尺度上，森林减少土壤侵蚀量与流域森林覆盖率的大小密切相关。据对陕西秦岭胥水河、黑河、酉水河、洵河、南路河、坝河、嘉陵江和丹江等 8 条河流的森林覆盖率与 1989 年土壤侵蚀量和土壤侵蚀模数研究结果可知，这 8 条河流的森林覆盖率分别为 75%、73%、67%、50%、44%、37%、35% 和 34%，年土壤侵蚀模数分别为 120、165、153、250、545、1420、1680 和 951t/km^{2 [9]}，可见，森林覆盖率高的胥水河、黑河、酉水河和洵河年均土壤侵蚀模数只有 120～250t/km²，而森林覆盖率低的丹江、嘉陵江、坝河、南路河年土壤侵蚀模数却高达 545～1680 t/km²，这说明多林流域的土壤侵蚀量小。

3.2 干旱地区森林对水质的影响

　　森林对水质的影响除包括减少土壤侵蚀外，还包括吸收净化大气降水中的污染物质和对降水中的化学元素的调节两个方面。

3.2.1 森林吸收净化大气降水中的污染物质

　　森林的林冠层、土壤层能吸收、吸附大气降水中携带的各种物质，包括被有关标准规程确定的 85 种有机污染物和铅、镉等无机污染物质，从而减少了穿透雨中的污染物浓度。

3.2.2 森林调节径流中化学元素含量

　　森林对径流中化学元素含量的影响取决于森林对降水化学元素吸收过程以及降水对林冠和林地中化学元素的淋溶过程。一般来说，当降水中化学元素含量较高时，森林的吸收过程是主导，径流中化学元素含量低于降水，当降水中化学元素含量较低时，降水对林冠和林地的淋溶过程是主导的，径流中化学元素含量高于降水。据笔者在海河流域密云水库上游的研究表明：有森林的流域，其水质达到国家地面水环境标准的 I、Ⅱ类，优于其所属河流和水库的水质。即使在有污染的地区，森林流域的污染程度较轻，其水质综合质量指数优于所属河流河口和库区水体，以天然林为主的森林流域水质综合质量指数优于人工林流域。对造成汛期水库水体污染的主要物质的监测结果表明，森林流域水体中污染物的浓度明显低于水库水体和所属河流水体。如中山区森林流域水体中氨氮的含量是对比河流的 25.8%～31.6%；低山区森林流域水体中氨氮的含量是对比河流的 27.3%～54.5%；丘陵区森林流域水体中氨氮的含量是对比河流的 23.1%～59.4%；天然林流域水体中氨氮的含量低于人工林流域^[10]。

4 结论

　　干旱地区森林植被能够涵养水源，减少洪水流量，增加枯水期流量，净化水质，减少土壤侵蚀，减少泥沙淤积等。同时，森林生长、蒸散需要消耗一部分水量，影响了径流总量，在干旱地区对地下水也有一定影响。为维持林木的正常生长和多种效益的发挥，消耗这部分水量一般认为是生态用水量。据初步估算，目前我国干旱地区林业生态工程（包括天然林保护）用水总量在 160亿m³ 左右。随着我国干旱地区植被建设等生态环境建设的深入开展，在区域（或大中流域）尺度评价森林植被的水文气象功能具有十分重要的意义。

干旱地区森林对径流的影响与我国水资源开发利用的关系十分密切，但由于受问题本身复杂性的限制和以往研究工作不够深入，对很多问题在认识上还存在一定的分歧。因此，今后干旱地区森林水文学研究的基本方向应当是试验观测与模拟模型研究相结合，以地理信息系统、遥感技术和计算机在速度和容量上的迅速发展为背景，以过程耦合和尺度变换为理念，建立基于物理过程分布式参数的流域水文模型，为正确认识干旱地区森林的水文学作用奠定理论基础。

参考文献

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