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森林与水的关系一直是森林生态系统研究的中心议题，也是探索水文循环的重要内容。森林水分的时空分配、传输转换及循环机制的影响问题是水文研究的核心。有效控制与合理改善森林生态系统水分状况是提高森林生产力的重要措施[1-2]。森林生态系统中各相关水分因子量的时空分配及转化形式对当地生态环境和整个水分循环过程均产生较大的影响。从森林林冠层、土壤层等不同界面层次中水分截留、蒸发、储蓄、下渗、径流形成与汇集的过程出发，对系统地探讨森林水分的时空分布及其蓄持、运移、转换机制、森林生态结构对水分循环的影响，特别是在森林生态系统的可持续经营管理及水资源的合理开发利用方面，从理论基础的角度阐明森林生态建设的水文循环特征及效应评价问题。 1国内外森林水文的发展概况 1.1发展简史 水是地球上一切生命的源泉，也是森林生态系统物质循环中不可或缺的因素之一。森林水文学是研究森林和水关系的学科，主要目的是探索研究森林植被对水分循环的影响及森林水文循环的整个动态变化过程，即通过测定森林水分收支的各项因子量以探知雨量在森林中时空分布规律及流域内水文效应的特征，进而阐明林地生态系统的水文功能规律[3]。森林水循环是陆地水循环的主要组成部分，它不但影响森林生态系统的结构、功能及分布格局，还影响着各项水因子动态过程中的分配、传输与转换机制。由此可见，水循环在森林生态系统的水分平衡过程中发挥着重要作用。径流补给和涵养水源不仅是森林水文功能的主要生态效应，而且对森林生产力、养分循环等其它功能也产生影响。因此，森林与水的关系仍是当今生态学与水文学研究的中心议题[4-10]。森林生态系统中水分由于森林的影响而表现出来的降雨、林冠截留、树干茎流、蒸散、地表径流等时空分配的动态过程即森林的水文响应[11]。森林水循环研究主要在于揭示森林水文特征，为探讨水分运动过程机制提供基础资料，也是当前森林水文学研究中的一个重要方面[12]。 早在20世纪初，森林水文学作为一门单独研究森林流域与水文关系的学科，在森林砍伐对流域水量影响方面的研究比较集中。现代实验性森林水文学的开端始于1900年瑞士Emmental山地的对比2个小型流域的试验。1948年美国学者Kittredge提出森林水文学(foresthydrology)这个学科术语，他把森林对水分影响的重要方面，如降水、土壤水、河流、洪水等单独称为森林水文学，因此，森林水文成为一门边缘性的独立学科。20世纪60年代，美国生态学家Borman和Likens率先在创立的HarboardBrook试验站应用小集水区技术法从事森林水文研究，并试图从宏观角度阐明水文的时空变化规律，建立基于森林水文物理过程的分布式参数模型。他们将森林生态系统定位观测与森林水文学研究相结合，从生态系统结构与功能的角度阐述森林水分运动的规律和机制、森林演替过程和森林环境变化对水分循环的影响，进而推动了森林水文学研究由定性到定量、由单项到综合的深层发展。上世纪80年代以来，森林水文学进入了一个全新的发展阶段，研究森林水文作用的主要内容集中在对水分循环量、质及循环机制的影响；并构建基于森林水文物理变化过程的分布式参数模型。20世纪90年代以后，生态水文学已成为国际水文和生态研究的焦点和热点。21世纪初期，以描述生态格局和生态过程水文学机制的生态水文学逐渐兴起，它注重研究生态学和水文学的交叉领域。我国近代森林水文研究始于20世纪20年代。罗德民、李德毅等学者在1924-1926年期间分别研究了鲁、晋地区不同森林植被对雨季径流和水土保持效应的影响。60年代，我国金栋梁学者研究了大范围的长江流域森林对径流产流的影响。70年代，我国先后在琼、桂、湘、川、甘及东北等地建立了有关森林水文和生态方面的试验站。80年代初期，马雪华在多地区研究森林的采伐对河流流量和泥沙水质的影响。与之同期的黄秉维教授提出具有争论性的话题“森林的作用”。特别是四川“81.7”特大洪灾后，森林水文方面的研究上升到了一个新的发展阶段。自90年代以来，刘世荣、温远光等研究人员以大尺度、高层次水平的层面，系统地归纳分析我国10多个森林生态试验站及水文观测点数十年的科研成果，使我国森林水文研究步入了新的发展历程[2-20]。 1.2研究现状 关于森林生态系统水量平衡、森林流域内降水的分配及森林对水质的影响，国内外水文工作者对其积极开展了研究和探索，并取得了骄人的成绩。其中，一致认为运用对比流域的试验方法是最有效的研究手段[14]。20世纪50年代以来，国内外森林水文工作者为探索森林流域内水文的作用开展了颇有成就的探索。其中，关于森林植被截留降雨的研究十分活跃，并取得了一系列有价值的成果，特别是林冠截留的研究从理论到模型已经获得相对成熟的结果。我国自1989年以来在森林水文研究方面取得了较多成果，其研究方向主要体现在森林的综合水文效应、森林区域的水分循环和水量平衡、森林对降水的影响、森林蒸散发、森林对径流的作用、森林对水质的影响、通过模拟研究建立森林水文模型、气候变化对森林水文的影响等。由于我国森林水文定位监测的时间较短，数据不足，难以充分阐释问题，观测方法及手段尚存在缺陷。目前已取得的研究成果多为定性研究和典型区域研究，森林水文要素的单项研究较多，综合系统性的定位研究少，同国外的研究相比还存在较大差距。因此，加强对不同区域典型的森林生态系统水文过程与生态学过程及相关因子的长期定位观测与研究，长期积累连续的森林植被与水分循环研究的数据显得十分必要[4-19]。 当前，随着高新技术的发展，森林水文的研究方法也在不断更新，其中涡度相关技术是一种测定近地表层水热通量较为精准的方法，所获取的观测数据得到微气象学、水文学、地理学和生态学研究工作者和专家们的广泛认可，并已成为检验各种模型估算精度的权威资料[10]，它在国内外森林水文研究中的投入运作、观测探索和应用发展等诸多方面起着重要的引领作用。 2国内外森林生态系统水循环的主要研究成果 #p#分页标题#e#
欧美研究工作者认为森林不具备增加降水的作用，但前苏联学者认为森林可增加降水，并可增加河水流量[4-7]。但就其整体趋势而言，有关森林生态系统对水量和水质方面的影响主要表现在林冠截留、蒸散发、地表径流、下渗与渗透、森林生态系统水分平衡等方面。 2.1林冠截留 林冠层所截留降水与蒸腾耗水的机制与大气、土壤等多层界面紧密联系。澳大利亚的Schofield、Prebble等、印度Singh等分别测得桉树、银叶铁皮树(E.melanophloria)、35年生雪松(Cedrusdeodara)的截留量为降水的9%-16%、11%、25.2%。此外，35年生雪松在降水最大的7月、最小的2月截留量分别为18.7%、69.1%，这些研究结果表明雨季的截留量小于旱季；热带林木截留量小于温带及寒带林木。Plamondon等研究指出冷杉林(AbiesfabriCraib)的截留量与其落叶量的增长呈反比，与地被物率的增加呈正比。美国Tromble在探究拉瑞阿灌木(Larreatriden-tata)截留与叶面积之间的定量关系方面，其结果表明叶面积与林冠截留关系最为密切[2-21]。据闫俊华[21]研究森林生态系统对水循环动态过程的调节，首先是通过截留、蒸散等途径实现，这说明林冠层在界面水分传输和水量转换上起着重要作用。林冠截留量的大小主要取决于林地叶面积指数和降水前林冠的干燥程度。降雨前，若林带长期处于干旱状态，降雨时林冠则能截留相当数量的雨水；若林内前期已有较大降水，截留已达到极限值，则截留量不再增加。另外，同一林分的截留量会随着郁闭度的变化而不同。Teklehaimanot[22]指出林分通透性、林地湍流、蒸发同截留量的变化一致。据马雪华[20]研究，截留量随郁闭度的增加而增加，两者之间的关系呈正相关。国外研究人员报道温带针叶林其流域内的林冠截留率为20%-40%[22-23]。黄忠良等[24]研究指出：亚热带杉木林林冠截留占年降雨量的15%，温带针叶林林冠截留占年降雨量的20%-40%，马尾松林林冠截留占年降雨量的25%，季风常绿阔叶林林冠截留占年降雨量的30%。我国森林流域内林冠截留率在不同气候带的变动幅度不同，一般为11.4%-34.3%[12，25]，其中，截留量最大的和最小的分别在亚热带西部高山常绿针叶林、亚热带山地常绿阔叶林混交林[12]。据詹鸿振研究报道，原始红松林林冠截留率为20%-30%。另据刘秉正观测分析，降雨量相同的情况下，雨量小时，截留变率为9.8%；雨量大时，截留变率增大到39.9%[4，7，18-21]。 林冠截留作为水分输入的第一界面层，也是历来研究森林生态系统水文的热点。当前，国内外研究人员已推导出有关林冠截留相关因子量和数量关系的诸多理论模型(经验和半经验)[26-28]。张志强等[29]指出Rutter模型(利用林冠、树干水量平衡动态方程计算得来)和Gash解析模型(基于Rutter模型概念结构的进一步简化)是目前林冠截留模型中较为完善的。Va-lente等[30]学者进一步修正这2个模型并对森林稀疏林冠模拟其降雨截留过程。Whelan和Anderson[31]在研究挪威云杉人工林穿透雨与林冠截留空间分布变化时，将其林冠截留的变化参数拟合到一个Rutter模型中，并取得了较好的成效。 保加利亚的Sonkov发明了一种特制的装置，主要用以采集穿透雨量。加拿大的Mahendrappa等采用标准雨量器和改良后的漏斗式收集器测量林区穿透水，并在实测的基础上建立了计算穿透水(Y)的回归模型，其公式为：Y=bx-a(其中x表示降雨量，b为斜率，a为截距)。美国的Raich在哥斯达黎加的湿地成林和一年生演替林进行了6个月的连续观测，结果表明，成林穿透水占总降雨的52%，演替林占总降水的68%。由此可知，在数量上穿透水等于降雨量减去树冠截留与树干茎流之和，且与林分密度呈反比[26-28]。 2.2蒸散发 蒸散发包括蒸发与蒸腾2个过程，它能综合反映森林生态系统水文特征和区域气候特性[21]。林地蒸散发量的确定可通过测定和推算2种途径求得，测定方法有：水量平衡法(waterbalancemethod)、热量平衡法(heatbalancemethod)、水蒸气流动法(vaporfluxmethod)。推算方法包括：Thornth-waite式、Penman式、BlaneyandCriddle式、Keller式等[32]。国内外学者提出了诸多计算蒸散的方法，主要包括水文学方法、气象学方法、土壤水动力学方法、植物生理学方法等。徐德应[33]指出，目前所有测定方法的精准度均达不到80%以上。Mcllroy和Dunin为了更全面的对澳大利亚贝特曼湾斑桉幼林蒸散进行观测研究，他们于1980-1981年同时利用蒸散仪、能量平衡、水量平衡、涡度相关4种方法，其结果表明能量平衡(EBBR)与水量平衡测定结果基本一致，蒸散仪测定的结果明显偏高，涡度相关法测定的结果极不稳定。目前，土壤-植物-大气连续体(SPAC)水分交换机制的研究是蒸散发研究方向的大体趋势，它为估算蒸散发量提供了主要理论依据[34-35]。美国Riederk采用精度可达1mm的窝式双箱渗透计对林木的蒸腾进行测定，并指出林木最大蒸腾量可达11mm/d。东德的Simon等采用氚示踪法测定67年生挪威云杉其蒸腾量及地表径流、地下渗水占降水量的比例。同时美国Riekerk对湿地松幼林进行测定实验，结果表明林分蒸腾量与降水量密切相关。另有研究指出林冠湿润时的蒸发速度比干燥时高3倍以上(Holmes，Olszyczka)，林分不同则蒸发速度不同，即使同一树种，季节性的差异也很显著。美国Gay和Hartman采用能量平衡法对盐雪松(Saltcedar)林分的蒸腾进行测定，结果表明，盐雪松不同季节的蒸腾差异明显。根据东德Simon、澳大利亚Greenwood等、Greenwood、Dunin等、英国Roberts等针对不同流域内的林分或地被植物进行蒸散量的试验研究。结果表明：针叶林截留量大于桉树林，林区上层木的蒸腾量一般情况下大于下层木[32-35]。综上所述，森林流域的蒸发与蒸腾包括林冠截留、枯落层截留、地表蒸发、上层乔木和下层灌木的蒸腾。 关于森林流域的蒸散，国内外学着有诸多研究，但多偏重于测定方法的探讨。蒸散是森林水量平衡中主要的支出项，平均约占降水量的65%。蒸散量的大小决定了土壤含水量和气象条件的状况。在环境条件不变的情况下，蒸散量因森林结构特征的不同而改变[36]。 2.3地表径流 从世界各国的研究来看，森林流域变化对产流量的影响结果大相径庭。澳大利亚Stokes研究指出，森林流域90%的产流量来自浅层地下含水层，砍伐的森林流域常有地表径流形成，而茂密的森林流域则以地下径流为主，仅有少量的水从岩层和低湿地排出。新西兰Pearce等连续3a对4个阔叶混交林集水区进行观测，结果发现森林流域内蒸散发强度大的林地不但吸收土壤浅层水，而且要耗用4-6m以下的深层水[2，4-5，7，19]。#p#分页标题#e# 由此可见，森林土壤因其强大的吸收能力，一般情况下不形成地表径流，地下径流则是森林流域的主要径流形式。欧美各国的研究提出，林地在砍伐后，其流域的产流量随之增加，采伐的强度、面积越大，产流的增幅则越大；伐后若进行植被恢复，产流量就会逐渐减少，这在地处30°-55°N的森林区域规律已被证实。采伐面积一旦达到43%，产流量则增加20%。另外，采伐会引起森林地下水的变化，据澳大利亚Sharma报道，采伐后土壤1m以内的蓄水力明显增加，深层地下水可增加1300mm/a，而未采伐的森林流域深层地下水则减少了250mm/a。据芬兰在泥炭林集水区的观测表明，以云杉和松树为主的林区采取同样强度的采伐措施后，地下水位分别上升10-240、180mm。以上研究结果虽然不同，但大体趋势是认为森林可增加流域产流量。如Rahmanov、Opritova分别在伏尔加河上游流域内布设50个观测站和远东乌苏里江上游(66条河流)所设的174个径流站持续做了10-20a的定点观测，其研究结论表明：不同季节的径流量与森林覆被率的增加趋势一致，在春、夏、秋雨季森林对径流的调节作用显著增强。另有研究表明径流量的变化是森林叶面积指数的函数[37-43]，而且森林流域内所处地理位置不同则对径流形成的影响不同[38-39，41]。 在森林与降水的关系方面，我国大体认为森林可增加降水。但国内的研究结论也有相悖的，部分研究学者认为降水多少并不由森林作用决定。可见，森林在能增加水平降水方面的研究结果较为一致，但在森林可增加垂直降水的定论尚存在较大的分歧。 我国在森林生态系统水循环方面的研究多属于小尺度分析，其中在小面积森林流域的水循环、各项水文要素的制图与分析等研究工作开展的比较多。特别是森林与土壤水分关系方面的研究，比较一致的结论包括：土壤含水量呈周期性变化，深层土壤的周期变化很稳定；林地比草地、荒坡地的土壤含水量周期变化大；林地密度高的区域其土壤含水量也相应高。 纵观国内外研究，森林水文大致可分为坡地小面积与野外小区域原型实验、模拟实验、水文特征量统计分析3大类。森林水文学常采用回归模型和求矩模型对其水文物理量规律进行统计分析。目前应用较多的水文模型有：森林水分循环中的各种子模型和水文模型。流域水文模型是以森林流域内水文循环整个过程中各水文物理现象及影响因子的时空动态变化规律及交互作用为基础，辅以严密的数学逻辑推理和描述而构成的模拟系统。它更加注重各子系统及众因子之间的交互作用和组合贡献，并最大限度地摒除人为干扰，以期在短时间内对模拟周期内的水文过程及各种径流成分过程作连续模拟，充分揭示森林对流域调蓄、转换与传递水分功能的调整机理。目前已有300多个流域水文模型面世，但用于森林水文领域研究的很有限，主要有StanfordIV、Sacramento、Tank、API、SDI、CATPRO、BURP、ECOWAT、WATBAL、ARZMLT、BROOK、SLUICES、Thomas等模型[3，44]。 现代森林水文学随着电子计算机、地理信息系统、卫星遥感等观测技术的不断更新而获得了更多更精准的研究成果，尽管科研学者在森林水文某些作用及影响方面提出了较为理想的计算方法和数学模型，但大多数是以假设和观测统计为前提，因而缺乏普遍性的规律和统一性的理论，至今尚存在着分歧和争议。可见，寻求森林水文学在其研究领域内新的增长点已迫在眉睫。 2.4下渗与渗漏 降落到林地地面的雨水，大部分直接从裂开的土壤孔隙渗入到土层中，森林生态系统对增加和保持土壤孔隙具有较好的作用，因而增强了土壤的渗透性能，减少降水对森林土壤表层的冲刷及到达地面的降雨量，对涵养水源起到良好的作用，这也是森林生态系统尤为重要的功能。降雨从地面进入土层中的现象称为下渗(infiltration)，单位面积时间内的下渗雨量称为下渗率(infiltrationrate)[32]。目前，要确定某地点的下渗容量，通常采用下渗仪在现场进行测定(淹水型下渗仪、流水型下渗仪、洒水型下渗仪)，同时采取原状土样用莱氏测渗法做室内补充试验。森林植被状况很大程度上影响林地土层的孔隙性，而土层孔隙性主要决定了林地下渗性能。下渗的水分在重力、毛管引力的作用下通过土层、土壤母质层的孔隙、基岩风化层的间隙如渗到土壤深层的水分称为渗漏(percolation)[32，43]。现场测定重力水渗漏的实际流速的方法有：在林地斜披上间隔一定距离挖掘横沟，在上沟中贮以清水，由于向下渗漏而浸出于下沟的水分，即时进行实地测量；或在斜坡上端浇灌定量的水，直接观测下端切开土面的渗漏量；或在斜坡确定的区域内，三面置以挡板，在所围起来的区域内灌水，然后测定从下部土面剖面浸出的水量；大面积区域地下水分动态变化情况的观测，也可采用氚(H3)化验浓度测定法[32]。 流域的下渗容量可通过降雨量、径流量等实地观测数据进行推算，在某一个较短的时间内，某土层水分向下的渗漏量可利用公式[44]：D=q•Δt=-K(θ)•(ΔH/Δz)•Δt，式中：q为通量(cm/d)，△t为时间段(d)，D为渗漏量(cm)，K(θ)为土壤含水量为θ时土壤的非饱和导水率(cm/d)，ΔH为上层土壤与下层土壤之间的土水势差(cm)，Δz为两土层间的厚度(cm)。计算结果如果为负值，则表示水分向上补充。 据蒋俊[45]研究表明，当降雨量＜10cm时，表层土壤仅被浸润，只有少量地表水分入渗；当降雨量在15-20cm时，通常仅表层土壤有下渗；当降雨量＞20cm时，40cm以内的土层均有多余的水分产生渗漏。降雨强度小、历时久，有利于下渗产生，下渗量甚至可占降雨量的60%；反之，则下渗产生的较少，下渗量可低至降雨量的25%-40%，因此，连续降雨是不连续降雨下渗速率的1-5倍。以1m为边界时，刺槐林地的渗漏量要小于油松和侧柏。森林土壤水分的渗漏并不仅是土壤的基本属性决定的，主要原因是大的降水和不同林地的不同特性。因此，合理的种植林地将有利于减少渗漏，能更好地利用天然降水。 另外，秦钟[46]通过研究海南橡胶林土壤水分渗漏的变化特征指出，土壤的性状直接影响水分的渗透过程，不同坡度、降雨前土壤的湿度、容重、孔隙度等均影响其渗漏量。渗漏还与降雨量的大小、强度、降雨间隔期等因素有关。降雨强度增大时渗漏量呈减小趋势，相对越长的降雨间隔期，土壤渗漏水不能形成或只有微量水分。#p#分页标题#e# 森林生态系统可改善土壤结构，并保持林下根系范围内土壤的渗透性，但目前有关森林对土层结构、程度的影响尚少有报道。因此，加强森林林地下渗和渗漏的研究显得尤为关键，为合理利用森林流域的水资源和调控水分分配提供较好的参考依据。 2.5森林生态系统水分平衡 降落到森林的降水作为水分收入项，把蒸散、径流的损耗作为支出项，这种水量的收支过程即水分平衡[32]。水分平衡是森林生态系统最重要的功能和特征之一，它是研究森林水文学的重要基础。 广义的水分平衡是从植物个体角度研究土壤-植物-大气水分关系，1966年澳大利亚Philip提出了土壤-植物-大气连续体(SPAC)的概念。狭义的水分平衡是在特定时间、空间范围内研究水分收支特征及其相互关系。森林生态系统水分平衡主要包括降水、截留、蒸发、蒸散、土壤水分运动和地表径流等过程。通过对这些过程的参数进行测定，并根据资料和数据建立其水分平衡方程式，以期反映水分输入与输出量之差等于生态系统内贮水量的变化，这也是森林生态系统及其附近系统之间水分交换定量测定的基础[32]。研究森林水分平衡特征对合理利用森林土地资源和气候资源有重要的指导意义。目前，有关森林水分的研究大多侧重于水分对森林生态、生理效应及单个水分因子如冠层截留、蒸散、径流、土壤持水量等的变化特点等方面，而对水分各因子的综合分析和森林水分分配状况等方面的研究则较少。 森林生态系统内在确定其林地水分输入、输出各项数值，根据质量守恒定律，建立土水分平衡方程式为： W末-W初=P-I-R-Et-s其中I=P-Ps-Pt 式中，W初、W末分别为月初、月未土壤贮水量，I为林冠截留量，R为地表径流量，Ps为树干茎流量，E为蒸散量，P为降雨量，Pt为穿透水量，S为渗漏量。 研究森林生态系统中水分动态变化的传输、转换机制，能够更清晰地了解森林的水分平衡状况，从而为客观评价森林的生态功能及森林的合理规划提供科学参考。 3森林水文循环研究发展趋势 3.1森林格局、水循环过程和尺度耦合研究 森林格局与水循环过程的关系是森林水文研究的中心议题之一，而水分传输、转换的过程又影响森林格局。要合理利用森林水资源和气候资源、调控森林生态系统格局状况就必须掌握研究区的尺度特点，它包括森林时空分布结构特征及功能方面的尺度。森林生态系统水循环研究结果的差异性主要由研究方法的局限性、森林生态系统本身的复杂性及研究区域的不可比性所致，不同森林流域的结论只能代表某研究地区的特点，要将某地区森林生态系统水循环的研究结果推广到其它地区和流域，必须加强水文过程物理机制的研究，构建和校核基于物理过程分布式参数的流域水文过程耦合模型和尺度转换模型，以期反映森林影响径流形成的内在机制及生态过程和水文过程的契合机制。 此外，在重视森林调节水资源的同时，还应注重水质调节的研究，通过保持水质和水环境维持生态平衡，加强水质监测，建立水质数学模型，预测预报森林水质的变化趋势。 3.2水文观测与人工模拟相结合 森林水文研究为林业生产与环境保护提供了科学的发展策略，森林水文的观测是一个长期持续的研究过程，天然状态下对水文的观测应与人工模拟研究相结合，能够引导基础研究同生产实践相互协调发展，以期取得生态-经济-社会效益。阐明各自然干扰梯度和人类活动(采伐、多种土地利用形式、大气污染、土壤酸化等)对森林水质、水量及水文过程和循环过程的影响机制，为合理经营利用森林资源、水资源和保护与改善环境提供科学依据。 在研究方向上，需进一步探明森林生态系统对径流影响的内在机理；针对不同林地的水文动态变化特征，将不同类型的林区按其水文功能进行森林水文研究区划与分类。此外，在深入开展单项要素研究的同时，还要加强多因素综合系统性的研究，使小流域单元的定位研究与较大区域范围的水文观测站资料分析研究相结合。 3.3加强森林水文区域性对比 由于森林水文研究方法的局限性、森林生态系统本身的复杂性及研究区域的不可比性，导致了森林水文生态效应研究结果的差异性。研究结果有一定的区域性限制，要将某一地区森林水文生态效应的研究结果具有较好的科学推广性，应加强水文过程中物理机制的研究，构建能够反映森林影响径流形成的内在机制及生态过程和水文过程的耦合机制。今后，森林水文生态效应研究应该上升到一个新的高度，分别从不同地带、森林类型等方面进行分析评价，只有加强不同类型森林水文的区域性对比才更具有科学价值和实际意义。
