林水關(guān)系復(fù)雜 森林與水并非“此消彼長”

森林，最具價值的生態(tài)服務(wù)之一就是通過復(fù)雜的森林水文過程存儲、釋放和凈化水，“無償”為人類提供穩(wěn)定的清潔水源。關(guān)于林水關(guān)系，主流觀點認(rèn)為，“森林增加會引起徑流減少，森林減少則造成徑流增加”。但在電子科技大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院教授張明芳看來，二者關(guān)系遠(yuǎn)非這么簡單。

近日，受《科學(xué)》雜志邀請，張明芳與加拿大英屬哥倫比亞大學(xué)流域生態(tài)首席教授魏曉華聯(lián)合發(fā)表觀點性文章。他們提出，要全面、系統(tǒng)、客觀地評估森林變化對水生態(tài)服務(wù)的影響，制定適應(yīng)性森林經(jīng)營措施，權(quán)衡協(xié)同多項水生態(tài)服務(wù)，這對變化環(huán)境下的全球流域森林和水資源適應(yīng)性管理具有重要指導(dǎo)意義。相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)》。

復(fù)雜的林水關(guān)系

全球森林正在面臨巨大變化。

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織全球森林資源評估報告，全球森林面積自1990年以來總體呈下降趨勢。近年來，在巴西亞馬孫、澳大利亞、美國西部等地發(fā)生的大規(guī)模災(zāi)難性森林火災(zāi)，以及北美西部地區(qū)大范圍森林天牛蟲害，對區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)造成了極大破壞。而在中國，受益于持續(xù)的人工造林和天然林保護工程，2015年全國森林面積較1990年增加了32.5%，中國成為全球森林資源增加的主要貢獻(xiàn)國。

“鑒于森林生態(tài)系統(tǒng)在整個水循環(huán)中的重要作用，大規(guī)模的森林變化對其水資源供給服務(wù)的潛在影響引起了廣泛擔(dān)憂和爭論。”論文第一作者兼通訊作者張明芳告訴《中國科學(xué)報》。

事實上，森林變化與水的關(guān)系一直是森林水文學(xué)領(lǐng)域的焦點問題。不同尺度流域森林變化可能造成的水文影響及其機制，仍存在諸多爭議。因此，全面系統(tǒng)揭示這一問題，統(tǒng)一對林水關(guān)系一致性和復(fù)雜性的認(rèn)識，指出未來森林水文研究方向和藍(lán)圖，對于森林水文學(xué)發(fā)展，以及變化環(huán)境下的資源適應(yīng)性管理十分必要。

魏曉華表示，過去研究表明，森林與水的關(guān)系的確存在一致性，但主要集中在較長時間尺度的年徑流量以及小流域尺度。同時，絕大多數(shù)配對流域?qū)嶒炑芯勘砻?，采伐森林會增加年徑流量，在荒地上造林會減少年徑流量。而在較短時間內(nèi)的洪峰徑流與枯水流量對森林變化的響應(yīng)，則呈現(xiàn)較大的復(fù)雜性和難預(yù)估性。

“配對流域?qū)嶒炇嵌可肿兓捻憫?yīng)的經(jīng)典方法。”張明芳說，但該方法僅適用于小流域，且無法有效評估森林、氣候、水和流域特點之間的相互作用和反饋機制。此外，即便近年來大流域研究發(fā)展出多種手段，但其僅能評價森林和氣候?qū)λ牡?span id="b17bt3e" class="keyword">獨立影響，不能對二者交互影響和反饋機制進(jìn)行研究。

張明芳表示，從生態(tài)系統(tǒng)觀點看，森林不僅影響水文，也通過改變水文情勢影響水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能。

2015年，其團隊曾對加拿大內(nèi)陸貝克溪和柳樹河兩大流域進(jìn)行了研究，系統(tǒng)評估了森林變化對徑流情勢的影響。結(jié)果表明，森林干擾顯著改變了兩大流域的徑流情勢。徑流情勢的改變一方面加劇流域洪水風(fēng)險，威脅下游城市公共安全;另一方面對水生生物的生境和水生生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生潛在負(fù)面影響，甚至造成重大生態(tài)災(zāi)難。

“林水關(guān)系研究和管理中要注重水文功能整體性和系統(tǒng)性，徑流的五大特征參數(shù)(徑流量、出現(xiàn)時間、持續(xù)時間、頻率、變異率)表征了水文功能的整體性，同時也對水生生態(tài)系統(tǒng)功能起決定性作用。”張明芳說。

為評估設(shè)計系統(tǒng)框架

基于包括上述研究在內(nèi)的一系列研究成果，在該文章中，張明芳全面分析了不同尺度流域森林變化對年徑流、枯水徑流及其時空變異性的影響因素，提出了未來研究森林—水復(fù)雜關(guān)系的系統(tǒng)框架設(shè)計。

按照系統(tǒng)框架設(shè)計，在未來森林水文研究中，應(yīng)選取徑流的五大特征參數(shù)表征水文功能的整體性;在確定林水關(guān)系影響因素時，充分考慮氣候、流域特點、森林以及三者的交互和反饋作用;在流域水文過程方面，結(jié)合地表水和地下水過程進(jìn)行關(guān)鍵帶水流路徑、流域儲水和持水的研究。

在研究手段方面，融合傳統(tǒng)定位觀測、同位素示蹤、智能遙測、模型模擬等多種技術(shù)手段;在研究尺度方面，基于長期地面觀測和遙感監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用機器學(xué)習(xí)、氣候—生態(tài)—水文耦合模型等方法，深入探究大空間尺度上的森林、氣候與水的作用與反饋機制。

“未來的流域管理也應(yīng)遵循上述系統(tǒng)性框架設(shè)計。例如評估森林水生態(tài)服務(wù)與其他生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡和協(xié)同效用時，應(yīng)考慮多個代表性水文變量表征森林水生態(tài)服務(wù)的整體效應(yīng)。”張明芳說。

強化適應(yīng)性管理

魏曉華指出，研究森林與水的關(guān)系對造林或采伐規(guī)劃、流域水資源管理、河流生物多樣性及生境保護等，都有十分重要的意義。

研究人員坦承，研究中關(guān)注的水文變量多為年徑流量、洪峰流量、枯水流量等變量，對徑流情勢的完整性，包括徑流量、頻率、變異率、出現(xiàn)時間、持續(xù)時間則研究不足。而徑流的這些特征參數(shù)共同決定了徑流情勢、水生生態(tài)系統(tǒng)功能以及水資源供給等生態(tài)服務(wù)。

“有限的水文變量不足以反映森林水文整體功能。”張明芳說。過去評估中通常只考慮有限的水文變量，例如年徑流量，這種做法可能造成對水文整體功能改變的低估或誤判。未來要提高流域管理工具設(shè)計的系統(tǒng)性，并考慮整體效應(yīng)。

她表示，“下一步，我們依托電子科技大學(xué)在電子信息技術(shù)方面的學(xué)科優(yōu)勢，開展森林生態(tài)水文大數(shù)據(jù)挖掘、分析與建模，深入探究多個空間尺度上的氣候和流域特征對林水關(guān)系的作用與反饋機制。同時，開發(fā)設(shè)計森林生態(tài)水文智能遙測網(wǎng)絡(luò)與硬件設(shè)備，提高觀測數(shù)據(jù)采集效率，降低長期、大范圍觀測研究成本。”(韓揚眉)

關(guān)鍵詞： 森林 水 此消彼長