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森林“四库”系列解读:森林是水库
发布日期:2022-04-26 19:53:45
来源:中国林业网
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青山常在,绿水长流。山上栽满树,等于修水库。森林因具有涵养水源、净化水质的功能,被称为“绿色水库” 张靖川摄

3月30日,习近平总书记在参加首都义务植树活动时指出,森林是水库、钱库、粮库、碳库,生动形象地阐明了森林在国家生态安全和人类经济社会可持续发展中的基础性、战略性地位与作用。

为什么说森林是水库、是钱库、是粮库、是碳库?《中国绿色时报》近期推出特别策划,约请林草界专家学者专题解读森林“四库”,系统介绍森林的多重效益与价值。

2022年是习近平总书记连续参加首都义务植树活动的第十年,也是《国务院办公厅关于科学绿化的指导意见》正式颁布实施一周年。森林是水库、钱库、粮库和碳库,这是总书记对森林具有多重效益的重要论述,更是对森林发挥改善民生福祉作用的充分肯定。

森林被称为“绿色水库”。它既没有拦水堤坝,也没有水闸开关,如何实现对水的涵养时空调节,其内在的科学道理和规律一直是我们森林生态学研究的重要科学问题之一。

森林分层截留大气降水

中国民间有一句俗语:“山上栽满树,等于修水库。”“青山常在,绿水长流”,说的其实就是森林的涵养水源、净化水质功能。森林中茂密的林冠层、松软的枯枝落叶层以及地下发达的植物根系和深厚松软的土壤层,使其具有强大的持水性和渗透性,下雨时能截持、吸收、贮存,无雨季节又能缓缓渗出,可以削弱和阻滞洪水,补给旱季的径流,维持河水长流不息。同时,经过森林的净化,河水也会更加纯净。

在一定程度上,森林截留、阻挡和吸收降水,分地上和地下两部分。地上的林冠层,形成第一次截留;林下灌木、草本植物层为第二次截留,林地枯枝落叶层和土壤等形成第三次截留,这种层层截留,有效地缓冲了降水对土壤表层的直接冲击,减少了地表水土流失。

大气降水被林冠层重新分配成3个不同的部分,即穿透水、茎流水和截留水。从林冠层上或从林冠空隙降落到林地上,是穿透水;经过树冠沿着树干到达林地,是茎流水;还有一部分以水珠的形态被保持在植物体表面,形成截留水,截留水很少达到地面,大多被物理蒸发返回大气中。

林冠层的降水到达林地,被林下活地被物吸收。有研究表明,亚热带地区主要森林活地被物最大吸附水量为每公顷0.29—5.04吨,相当于0.03—0.5毫米的降水深度,平均为0.2毫米。赤松天然壮龄林、落叶松人工壮龄林的下层草被表面的最大吸附水量,推算值为0.04—0.05毫米,杂草冠部覆盖面积的吸附水量为0.15—0.56毫米。

当大气降水通过林冠层和林下活地被物层以后,便到达枯枝落叶层。枯枝落叶层是森林生态系统特有的一个层次,具有重要的水文生态功能。仅从吸持降水的角度来说,枯枝落叶层就像一张“地被”覆盖在林地表面,能有效地防止雨滴对土壤的冲刷。同时,枯枝落叶层又像一层“海绵”,有雨时吸水,无雨时又逐渐地散发水分,调节着地表土壤水分,避免土壤水分过干或过湿。

据统计,每平方公里的森林可贮存5—10吨水。下雨天,茂密森林的树冠能截留15%—40%的降水量。降雨强度越小,被树冠截流的雨量也越多。其他的雨水经由树木流到林地上,除5%—10%从林地表面蒸发外,有50%—80%的雨水进入森林后被林地上的植被和松软的枯枝落叶层及腐殖质层吸收。据观测统计,森林枯枝落叶层每年所能涵养的最大水量为186.5—223毫米(杉木林)和314.5—377.4毫米(混交林)。可见森林枯枝落叶层的蓄水作用非常明显。



森林与水 刘世荣供图

森林涵养水源离不开土壤

大气降水在经过林冠层、林下活地被物及枯枝落叶层的再分配后,部分降水最终渗入到森林土壤层中。土壤的渗透性主要受非毛管孔隙发育状况的影响,孔隙多、团粒结构好的土壤,渗透性较强。而森林可以改善土壤结构,促进土壤团粒结构的形成,提高降水在土壤中的蓄存和渗透性。

研究发现,森林调节水的作用受林冠层截持-林内灌草层截持-林地枯枝落叶层和苔藓层拦蓄-森林土壤层涵蓄所构成的一个综合复杂过程影响,而90%以上取决于森林长期演替所形成和发育良好的复杂土壤结构。这是我们研究团队在岷江上游基于20多年的野外科学观测和数据分析得出的最新研究结果。

岷江上游地处青藏高原东南缘,是成都平原乃至长江上游的重要水源地和生态屏障。为了弄清楚长江上游生态安全屏障带构建的重大科技问题,阐释森林对水源涵养的调控机制,团队梳理总结了长期积累的观测数据后发现,岷江冷杉是岷江上游亚高山森林的主要建群树种,其树体生物量大、叶面积指数高、蒸腾作用小等特性使得岷江冷杉林对水的涵蓄效果突出,尤其是岷江冷杉原始林对水源涵养作用最为显著,主要原因在于岷江冷杉原始林长期自然演替形成了发达的海绵状苔藓层和枯枝落叶层以及具有非毛管孔隙度大、渗透性强的土壤团粒结构,有利于水分的蓄存和渗透。

数据显示,岷江冷杉原始林苔藓层和枯枝落叶层的蓄水量每公顷分别高达126.36吨和223.85吨,分别是人工云杉林、次生阔叶林和灌丛的3.41(2.59)、8.26(29.82)、5.55(4.60)倍。这在一定程度上证实了黄秉维院士在《确切地估计森林的作用》一文中提出的森林会降低土壤表面径流这一观点。但径流减少的水并不是完全用于森林自身的蒸腾,而是通过森林土壤蓄存起来了,然后以土壤中潜流的形式缓慢地输送到河流中。

据测算,每公顷林地比无林地最少能多蓄水300立方米,1万公顷林地所含水量相当于一座300万立方米的水库,每公顷林地的泥沙流失量仅为50千克,而无林地则高达2200千克。在降雨量相同的条件下,采伐迹地小沟洪峰量大于未采伐森林小沟的2—3倍,汇流时间缩短10小时,而其枯水量却比森林小沟小50%以上。由此可见,森林具有显著的涵养水源的作用。

森林涵养水源受树种影响

不是所有的树都是涵养水源的“能手”。研究表明,森林冠层平均截留率变化为10%—40%,例如,7年生的油松林截留的雨量为降雨量的30.1%,5年生的刺槐林为27.5%,10年生的柞树林为36.1%。另外,林地上的枯枝落叶的吸水量一般可达自身重量的40—260%,其中油松为40%、刺槐为120%、柞树为180%。

我们在岷江上游的采伐迹地上研究发现,云冷杉原始林采伐之后灌木悬钩子和先锋树种红桦迅速“占领”迹地的生态位,形成大片单一低效的林分。这些灌木种类和红桦繁殖和生长极快,树龄又短,它们占据的地方,几无其他树种的生存空间,特别是抑制了地带性亚高山森林的目的树种云冷杉幼苗的天然更新。这种林分叶面蒸腾量大,土壤渗透性和持水能力低,待山雨一来,它们“束手无策”。

当年大面积采伐中“幸存”下来的一部分天然岷江冷杉个体,被称为“保留木”,与树下枯落物、灌草、苔藓、微生物组成遗留群落,成为当今广袤低效红桦林中的“星火”。保留木群落中的生物,特别是微生物层都携带有大量“记忆片段”,这些片段蕴藏着其历史上适应一次又一次自然灾害、与水源保持最平衡关系的“基因”。

为了揭示这些“记忆片段”的科学奥秘,我们团队首次运用稳定同位素示踪技术,揭示了岷江上游典型集水区的降水、穿透水、树干茎流、地被层水、土壤水、壤中流、河水和植物水氢氧稳定同位素组成及其各水体之间的迁移和转化规律。首次发现并证实岷江冷杉是该区节水、调水和蓄水功能最佳的树种,且岷江冷杉原始林比其他不同演替阶段的次生林和人工林具有更高的水源涵养功能。

这一研究结果揭示了岷江上游森林植被水文调节功能的形成与演变机制,澄清了学术界关于长江上游亚高山地区林-水关系的争议,系统构建了岷江上游退化水源涵养林恢复、人工林结构调整、干旱河谷植被重建等四大类15项配套关键技术体系,成功解决了岷江上游森林植被恢复配置模式、特殊生境植被恢复与水源涵养功能提升的关键技术难题,为岷江流域乃至整个长江上游天然林保护、退耕还林(草)工程的实施,以及长江上游生态安全屏障的构建提供了强有力的科技支撑。



岷江上游森林与水自然景观 刘世荣供图

森林可以调节径流、削洪补枯

森林依靠其涵养水源的能力能调节径流、削减洪峰流量。森林在小流域上,可以削减降雨过程洪峰流量,并推迟洪峰到来,在枯水期,能增加枯水期流量,推迟枯水期到来时间,明显减少洪枯比。研究表明,小流域森林覆盖率每增加2%时,约可削减洪峰1%,当森林覆盖率达到最大值100%时,可削减洪峰40%—50%。

有研究结果显示,亚热带25个林分的森林土壤的平均初渗率为每分钟14.41毫米,平均稳渗率为每分钟9.20毫米。热带山地雨林土壤表现出很强的土壤水分渗透性,当每次降水量为10—30毫米,进入林地70厘米厚土层的降水量几乎全部为土壤吸持;当每次降水量为50—100毫米,70厘米深的土壤层有36.5%—56.3%的降水入渗;当每次降水量在102—132毫米,70厘米土壤深处的渗透水量的雨水加权平均为54.6毫米。这就是说,在大雨、暴雨时,土壤的水文调节性能是以滞留贮存水分体现,这种特性延长了水分渗透到下层的时间,并在延续一段时间后再缓慢地补充河川流量,起到调蓄径流的作用、缓解洪峰径流。

天然林保护工程实施20多年以来,岷江上游地区的森林覆盖率由1997年的38%上升到2017年的43%;森林水源涵养能力预期可以由21.88亿吨提升至26.52亿吨;衡量旱涝灾害发生的重要指标洪枯比在岷江杂谷脑流域的监测数据由1982年的11.5下降到2006年的7.1,紫坪铺的洪枯比由1983年的10.3下降到了2016年的4.95。这足以说明长江上游天然林保护工程的实施为岷江上游的水源生态安全作出了巨大贡献,发挥了巨大的森林水源涵养和消洪济枯的作用。

森林涵养水源的生态系统观

当前,山水林田湖草沙是一个生命共同体的理念已经深入人心,但其真正的科学内涵却并不清晰,导致贯彻这一思想理念的过程并不精准,在实践应用中也不完全到位。在科学揭示山水林田湖草沙一体化的生态系统理念中,我们团队还有了意外发现。

受海拔、地势、光热等因素影响,岷江上游的植被覆盖类型自上而下多呈现出高山草甸、亚高山暗针叶林、中山常绿阔叶林并种植用材林及林下经济作物、平原发展农田经济的区域自然-经济-社会复合系统。研究显示,海拔3800米以上的高山草甸对降水具有低蒸散、高渗透的作用,但草甸土壤下渗形成的径流水顺势流入亚高山暗针叶林,给森林土壤提供了水源补给。更重要的是,亚高山暗针叶林蒸发散的90%又以雨雾水的形式回降到了高山草甸,滋润了草甸植被的稳定生长。水分在亚高山森林和高山草甸之间形成连续内循环,从亚高山森林中缓缓流出的水形成径流,为林下经济、平原农田灌溉、畜禽养殖提供源源不断的水源供给,为人类清洁饮水和从事各类生产活动提供了保障。

森林改变了降水的分配形式。有了森林,森林就会对降水起到充分的蓄积和重新分配作用,将其大部分变为有效水,在原有区域内循环。森林蒸散出来的水分进入大气中可以增加空气湿度,还可以在流域内或流域外一定距离又以降水的形式回落地面去滋补农田。这一现象也很好诠释了山水林田湖草沙是一个生命共同体的生态文明理念,更为人类系统认识自然、研究自然提供了现实案例。

山高水更高,只有山高林密,才有流水潺潺。人类要像珍惜水一样珍惜森林,努力使万千森林广布江河中上游的千沟万壑,让森林更好地护卫江河的安澜。(刘世荣)



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