变化环境下的水源涵养能力评估研究进展

　　摘要：水源涵养功能属于生态学与水文学的交错领域，是近年来的研究热点。水源涵养功能包涵广泛，水源涵养能力是针对不同区域特点和具体研究对象对水源涵养功能的量化评估。论文将水源涵养能力定义为一个区域的最大持水能力，与区域的气候、土壤、植被等因素有关，并且由区域持或蓄的水量应能够补给地表或地下水，为区域的工农业发展提供相对稳定的水源，讨论了区域水源涵养能力的组成和影响因素，分析了变化环境下气候条件和人类活动对水源涵养能力的影响。此外，水源涵养能力表征在干旱区和湿润区有所不同。基于上述观点，总结了水源涵养能力的评估方法及其适用条件与优缺点，并在此基础上，进一步讨论了水源涵养能力评估的研究方向;以期为生态水文学发展和环境治理提供科学参考。

　　关键词：变化环境;水源涵养;影响因素;评价方法

　　联合国政府间气候变化专门委员会(IntergovernmentalPanelonClimateChange，IPCC)第六次评估报告明确指出，2010—2019年全球平均气温较1850—1900年升高1.07℃[0.8℃～1.3℃]，人类活动对气候造成影响已是毋庸置疑的事实[12]。自工业革命以来，随着科学技术不断发展，人类对于生态环境的影响日趋显著。我国改革开放以来，工业快速发展、城市持续扩张和生态用地减少给植被覆盖和水资源储量造成了严重的负面影响。如何应对人类活动和气候变化共同影响下的变化环境已经成为当前生态、水文等多学科多领域的研究重点。

　　水源涵养功能属于水文生态交叉学科——生态水文学的研究范畴，是近年来的研究热点。不同生态系统对区域水源涵养的贡献不同，其中植被生态系统对区域水循环有着不可或缺的作用，包括植被截留降雨、削减洪峰、调节空气湿度和温度、以及土壤和枯落物层涵养水源和营养物质等。森林、草地和湿地植被覆盖良好，具有较强的水源涵养能力，对区域水源涵养有较大贡献;相比而言，荒漠等无植被覆盖区水源涵养能力则较差，在区域水源涵养能力评估中可以忽略。

　　由于水源涵养功能是一个动态的、不断发展的概念[34]，不同学者基于对概念的不同理解在研究上各有侧重，这就导致了水源涵养能力结论难以直接比较。同时，环境变化显著改变了区域生态系统水源涵养能力时空分布。但由于大时空尺度资料获取困难和水源涵养功能内涵的认识尚不够充分，对水源涵养能力方面的研究更多地聚焦于同一流域不同林分对于水源涵养能力的贡献差异，对大时空尺度水源涵养功能的综合研究则相对欠缺[5]。因此，理清水源涵养能力的概念和内涵、系统分析影响水源涵养能力的驱动因素、科学认识水源涵养能力评价方法的适应条件，不仅是环境科学、生态科学和水文科学交叉研究的核心内容，而且对生态恢复措施建设、区域水土保持和水资源合理调配等方面均具有重要意义[68]。

　　1区域水源涵养能力的概念及影响因素

　　1.1概念

　　水源涵养功能是生态系统服务功能评价的重要内容，通常是指生态系统在特定时间、特定条件下的保水能力，包括拦蓄洪水、削减洪峰、净化水质和调节径流等[912]。水源涵养能力则是对区域水源涵养功能的定量评估，重点关注区域内各生态系统通过冠层、枯落物层和土壤层拦蓄降雨，保水蓄水的能力。针对不同区域和研究目标，水源涵养能力的表征有所不同。在降水丰沛的湿润地区，水源涵养能力的评估与森林的生态水文过程关系密切，其核心为林冠层、枯枝落叶层以及土壤层对降雨的再分配作用。

　　而在干旱半干旱地区，由于水源涵养功能主要指维持系统、供给水源的能力，有时也将产水量近似为区域的水源涵养量。出于研究目的的差异和对概念的不同理解，学者们往往选取特定的一个或若干个生态水文效应作为研究对象对区域水源涵养能力进行评估。其中大部分学者认为水源涵养能力由土壤层、枯落物层和林冠层共同构成[1314];也有学者认为林冠层发挥作用较小，土壤层和枯落物层为主要表现层[15]。使用森林水文模型对水源涵养能力进行研究时，也有不少研究将产水量或径流量看作水源涵养量[16]。

　　综合已有研究，无论是干旱区还是湿润区，水源涵养能力是指一个区域的最大持水能力，与区域的气候、土壤、植被等因素有关，并且这些由区域持或蓄的水量应能够补给地表或地下径流，为区域工农业发展提供相对稳定的水源。水源涵养功能是植被生态系统的重要功能，水源涵养能力与植被水文过程密切相关，探究变化环境与水文过程的关联是植被生态系统水源涵养能力大时空尺度评估的关键问题。研究分别从林冠层、枯落物层和土壤层3个层次入手，分析水源涵养量与水文过程之间的相互影响，为变化环境下水源涵养能力评估提供方向。

　　1.2林冠层

　　林冠层对降水的再分配作用是森林水文过程的核心环节之一。大气层的水汽凝结后以降雨、降雪等形式落下，一部分被林冠层拦截，另一部分则穿透林冠层落下形成穿透雨。林冠层的截留作用在一定程度上减少了大气降水的数量和能量[17]，这使得其在洪水发生时具有一定拦蓄洪水和削减洪峰的能力。同时，枝叶对雨水的阻碍作用能够有效减少大气降水的动能，降低降水对地面的直接冲刷，对于区域水土保持和水源涵养功能提升具有重要意义。

　　林冠层截留量大小主要取决于森林植被的组成、密度、林龄和郁闭度等[18]，这些因素同时也是森林水源涵养能力的控制因素。除此以外，林冠层对区域水源涵养能力的贡献在干旱区还受到林地蒸散发的影响。干旱区常以产水量近似代替水源涵养量，林地冠层蒸散发的增加会造成产水量的减少，进而对区域水源涵养产生负面影响。程唱等[18]对半干旱干旱地区的研究表明，不少干旱区的降雨有90%最终通过蒸散发回归大气。因此，干旱地区的水源涵养需要种植受干旱胁迫影响较小的林分类型。

　　1.3枯落物层

　　枯落物层作为林冠层与土壤层的中间层主要起承接作用。透过林冠层的降水到达枯落物层后为枯落物拦蓄吸收，其动能在阻碍下减小，不至于直接冲刷土壤造成严重的水土流失。枯落物层与土壤层共同作为森林水源涵养量的主要贡献层，拦蓄降水和蓄水的能力主要取决于枯落物的现存量和持水能力。其中，现存量通常与林分密度、林龄有关，持水能力则与枯落物层的厚度、分解程度、成分和湿度等因素有关[19]。在水源涵养能力研究中，常采用室内浸泡法计算的枯落物含水量、拦蓄量等作为反映枯落物层持水能力的评价指标。同时，大量研究表明枯落物层持水能力与枯落物层的分解状况密切相关[20]，半分解层的持水能力通常强于未分解层。因此在对枯落物层持水能力分析时，不少学者也将分解程度作为定性指标[9]。

　　1.4土壤层

　　降落到地面的降水大部分由地面孔隙直接进入土壤。大量研究表明，土壤层的水源涵养是森林水源涵养的重要内容[13]。植被覆盖率高的地区，由于土壤内部植物根系发达而存在大量空隙，具有较强的透水能力[21]。在各类土壤孔隙中，最受学者关注的是土壤非毛管孔隙。非毛管孔隙是指土壤中除毛管孔隙以外直径较大的孔隙，这些大孔隙在为饱和土壤提供水分快速通道的同时，也是土壤最重要的储水空间，是影响土壤储存水量的关键因素。

　　由于其物理性质(密度、孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度等)和持水能力(自然含水量、最大含水量、有效持水量等)不同，不同类型土壤的水源涵养能力也有所差异。在对土壤水源涵养能力的研究中，传统的方法是分层测定土壤非毛管孔隙度和厚度，将其乘积之和作为土壤蓄水量[17]。这种方法认为土壤非毛管孔隙度越高、厚度越大，其储水空间越多，土壤蓄水能力也就越大。

　　近年来，随着评价体系的多样化，对土壤蓄水能力影响因素的考虑更加全面。主流的做法是选取影响较大的多个控制因子，如土壤孔隙度、非毛管孔隙度、密度和持水特性等共同作为反映土壤水源涵养能力的指标。虽然不同学者对于土壤水源涵养的评估方式不同，但均得出了土壤层是森林持水的主要场所，其水源涵养功能在森林生态系统服务功能中处于核心地位的统一结论[22]。

　　草地和湿地影响水源涵养的机制与森林相类似，主要与植被类型与土壤条件有关，冠层截留的影响则较小。税伟等[22]在若盖沙化草地研究中发现，影响草地生态系统水源涵养能力的主要因素是土壤质地和土壤pH。而影响湿地水源涵养能力的主要因素则是植被类型和土壤质地结构。森林、草地和湿地等主要生态系统共同决定了区域的水源涵养能力，其影响因素亦为水源涵养能力的控制因子。

　　2变化环境对水源涵养能力的影响

　　2.1气候变化对水源涵养能力的影响

　　全球变暖是全球降水和蒸散格局变化的主要驱动因素，温度变化对水文循环和水资源系统产生了不可估量的影响，水源涵养能力对气候变化的响应是近年来的研究热点[23]。温度是水文循环改变的重要热力驱动因子，温度升高将导致植被蒸腾、土壤和水面蒸发增大，进而影响区域水源涵养能力。由于水源涵养能力在不同气候区表现不同，温度在不同地区的影响也有所差异。Wang等[24]在西林沟地区的研究表明，年平均气温对水源涵养量的影响在湿润地区更为显著，而在降水较少的地区则不甚突出。降水量是水源涵养功能最重要的影响因子之一，其在直接影响森林有效拦蓄量的同时，决定着森林土壤和植被的性质，间接控制着林冠层截留能力、枯落物层持水能力和土壤持水能力。

　　对于降水量这一主要驱动因素的研究，国内外学者在不同气候区得到的结论亦有所不同。Hashino等[25]在湿润地区的研究结果表明，因降水量增大而增加的森林面积会使土壤拦蓄的水量增多，而同时产生的消耗性蒸散发则对产水量造成了负面影响。由于湿润地区的水源涵养量评估以林冠层、枯落物层和土壤层拦蓄的水量为主，产水量不作为主要指标，因而可以得出降雨量增加对湿润地区水源涵养能力有促进作用的结论。崔景轩等[26]采用SCS模型对东北干旱区生态系统水源涵养功能的研究结果则表明，降雨在干旱、正常和湿润年份都与水源涵养量呈现显著正相关。

　　尽管森林覆盖率的增加对径流的影响还存在争议，不可否认的是，降水量增加能在一定程度上提高森林的水源涵养能力。蒸散发是影响区域水源涵养能力的重要指标，在不同气候分区的表现有所不同。在降水丰沛的湿润地区，蒸散发对森林生态系统的林冠层截留和土壤持水量影响较大，林冠层截留的再蒸发决定了林冠截留量的大小，土壤蒸发加剧则会造成土壤有效持水量的降低。相应地，在干旱半干旱地区的产水量计算中，蒸散发的加剧会造成有效降雨量的减少，从而导致区域水源涵养能力的降低[25]。综合干旱区和湿润区的研究结果可以发现，蒸散发加剧在不同程度上削弱了区域的水源涵养能力。

　　2.2人类活动对水源涵养能力的影响

　　由于地表粗糙度，植被叶面积指数、土壤渗透性、持水能力等物理性质差异，不同土地利用类型在生态水文过程中的作用有所差别[27]。20世纪50年代以来，伴随人口增加和经济快速发展，我国耕地和建设用地显著增加，其中大部分耕地由林草地转换形成。作为影响区域水源涵养能力的主要因素，土地利用类型的变化对区域水源涵养功能的影响是当前研究的重点问题[28]。目前，关于土地利用类型对水源涵养影响的研究主要分为两大类：

　　一类是研究不同水土保持类型相较于农耕地等对区域水源涵养能力的促进作用[29];另一类是研究土地利用类型变化对区域水源涵养能力的影响[3031]。大量研究表明，森林的水源涵养能力显著强于农耕地和建设用地，控制建设用地增长范围和速度、退耕还林、种植水土保持林是提高区域水源涵养能力的有效措施[30]。水利工程是人类为满足调节洪水、水力发电等需求对河流水文形势进行干涉的过程。水利工程对区域水源涵养能力的影响是多方面的。如水库的修建拦蓄了径流，为生物生长提供丰富的水源，进而提升了区域的水源涵养能力。但同时水库的修建也可能改变土壤原有的结构和性质，间接对区域水源涵养产生负面影响。

　　此外，灌溉等取水用水工程由于对水量的直接消耗，在一定程度上削弱了区域实际的水源涵养能力。因此，在保持经济高效的同时，维护生态系统稳定是当前生态水利工程的发展方向。为应对水利工程对生态环境造成的负面影响，一系列水土保持措施得以实施。其中，生态保护措施以种植人工林为主。人工林增加了枯落物层的厚度，同时发达的植物根系也为土壤增加了空隙含量，使枯落物层和土壤层拦水蓄水的能力得以提升。随着可持续发展战略的不断推进，退耕还林、退耕还草计划有效实行，森林草地等高水源涵养区面积重新得以扩大，为区域水源涵养能力的提升奠定了基础。

　　3水源涵养能力的评估方法

　　有效评估水源涵养能力的大小和涵养量的多少是生态系统水源涵养功能研究的重点和热点。典型的水源涵养能力评估方法主要有土壤蓄水能力法、综合蓄水能力法、水量平衡法、林冠截留剩余量法、降水储存法、年径流量法、多因子回归法和水文模型法等[2]。

　　近年来，随着遥感和地理信息系统的不断发展，针对不同研究目的、构建相应模型的森林水文模型法，逐步成为水源涵养能力评价的主流方法。目前，国内外学者常用的模型包括美国农业部水土保持局开发的SCS(SoilConservationService，SCS)模型、生态系统服务和权衡的综合评估(IntegratedValuationofEcosystemServicesandTradeoffs，InVEST)模型、温度植被干旱指数(TemperatureVegetationDrynessIndex，TVDI)模型和SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)模型等。与传统当量法比较，水文模型法具有可控性强、可重复性强和动态模拟等优点，在水源涵养能力的大时空尺度研究上具有显著的优势。基于模型结构和参数的差异，森林水文模型可分为经验模型和物理模型分别分析。

　　经验模型通常指将生态系统看做一个整体，不具体考虑其中的生态水文过程，以经验关系进行计算和数据处理的模型。经验模型的参数和输入值常取平均值，结构简单，所需资料数据相对易于获取，可操作性强[15]。物理模型则具有更明确的物理基础，能够清晰体现水源涵养的各个水文过程，参数普遍具有物理意义，可反映水源涵养能力空间分布的差异。这种分类方式对于进一步讨论不同模型的优缺点和适用条件有重要意义[34]。常用的经验模型有SCS模型和TVDI模型。SCS模型计算的地表径流量在区域水源涵养量计算中应用广泛，是目前水源涵养能力评估的主要模型之一[3536]。

　　TVDI模型基于温度植被干旱指数提出，与地表温度和NDVI指数联系紧密[37]。目前，对于TVDI模型的应用主要集中于土壤水源涵养的研究，以模型计算的土壤水分含量作为衡量水源涵养能力的重要指标[38]。以SCS模型和TDVI模型为代表的经验模型虽具有结构简单、操作方便等优点，但对物理过程的描述不甚清晰，常与其他技术手段结合以获得更高的计算精度。常见的物理模型有InVEST模型、SWAT模型等，其中InVEST模型的应用最为广泛。InVEST模型是由美国斯坦福大学、大自然保护协会与世界自然基金会联合开发的生态系统服务与权衡的综合评估模型，考虑了气候和土地利用类型等因素对水源涵养功能的影响，但忽略了地下水的作用，计算结果存在一定的误差[3941]。

　　SWAT模型是以日为时间步长的概念性模型，具有良好的物理基础。SWAT模型开发的目的是方便大型流域产水、产沙和各类物理化学过程的管理和预测，因此，输入处理好的资料数据即可满足要求。模型操作方便，实用性较强[32]。SWAT模型将流域分为若干水文响应单元，分别计算径流量，有利于水源涵养量空间差异的分析，但由于我国下垫面等自然条件与模型适应不理想，需要根据实际情况对模型进行参数本地化。目前SWAT模型在我国的应用仍有很大的探索空间。

　　近十余年来，国内外学者逐渐聚焦于森林水文模型与其他生态水文态过程模型的耦合，物理模型中的InVEST模型是其中的典型代表。除此之外，WaSSIC模型(WaterSupplyStressIndexCarbonmodel)和TerrainLab模型也是研究的重点内容。多模型集成在包含水源涵养模块的同时，有效模拟森林的其他生态水文过程，解决了当前评估方法无法同时对多种形式的水源涵养能力进行评估比较的问题，为水源涵养能力评估研究开辟了新的方向[16]。水文模型法在大尺度水源涵养能力研究中优势显著。然而，由于模型包含的生态水文过程众多，耦合复杂，所需数据面广量大，模型的实际应用还存在一定困难。由于水源涵养功能的内涵包含生态水文过程的各个环节，与之对应的评估方法也各有侧重。

　　针对不同的研究区域和研究目的，不同研究方法的适用条件必然有所不同。在侧重于系统维持和水源供给的干旱半干旱区水源涵养功能研究中，以产水量、径流量为主要评价指标的水量平衡法和年径流量法具有显著优势;而在降水充足的地区，考虑全面的综合蓄水能力法则更适合对拦蓄降水和削减洪峰的能力进行评估。不同评估方法采用的资料和技术手段不同，对水源涵养能力的评估也各有优劣。依据不同的研究目的选择合适的方法，是水源涵养能力评估的关键。

　　4结语

　　由于水源涵养功能涵盖广泛，针对不同的研究目的，水源涵养能力评估的切入点有所区别。在干旱半干旱地区，水源涵养功能主要体现在维持系统和供给水源的能力，将产水量近似作为水源涵养量计算能有效体现水源供给能力，切合研究目标。在湿润半湿润地区，降水丰沛，森林生态系统在区域水源涵养中的贡献突出，3层模式计算出的森林水源涵养量代表性强，能够体现水源涵养功能的调节径流和拦蓄洪峰的能力。无论是干旱区还是湿润区，水源涵养能力是指一个区域的最大持水能力，与区域的气候、土壤、植被等因素有关，并且这些由区域持或蓄的水量应能够补给地表或地下径流，为区域工农业发展提供相对稳定水源。

　　人类活动改变了土地利用类型，直接影响生态系统的水源涵养能力，通过影响气候间接影响水源涵养的控制因子，对水源涵养的作用存在较大的时间空间差异。研究水源涵养能力对变化环境的响应需要能够分析大尺度时空变化的评估模型，如何选择适合的模型对水源涵养能力的评估结果进行尺度外推是当前研究亟待解决的难题。根据研究对象的尺度特征决定评估方法，是水源涵养能力评估系统统一定量化计算的基础。由于水文模型法具有较强的可重复性，能够很好地解决不同区域水源涵养能力对比困难的问题，其在区域水源涵养能力统一比较中优势显著。水文模型法和多模型集成是水源涵养能力评估研究的发展方向，为水源涵养能力评级体系的完善提供了新的思路。

　　参考文献：

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　　[2]刘晶,鲍振鑫,刘翠善,等.近20年中国水资源及用水量变化规律与成因分析[J].水利水运工程学报,2019(4):3141.(LIUJing,BAOZhenxin,LIUCuishan,etal.ChangelawandcauseanalysisofwaterresourcesandwaterconsumptioninChinainpast20years[J].HydroScienceandEngineering,2019(4):3141.(inChinese))

　　[3]张彪,李文华,谢高地,等.森林生态系统的水源涵养功能及其计量方法[J].生态学杂志,2009,28(3):529534.(ZHANGBiao,LIWenhua,XIEGaodi,etal.Waterconservationfunctionanditsmeasurementmethodsofforestecosystem[J].ChineseJournalofEcology,2009,28(3):529534.(inChinese))

　　作者：贾雨凡1,2,3，杨勤丽4，胡非池4，鞠琴1，王国庆2,3,5