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                  森林“四庫”系列解讀丨森林是水庫2022-04-26 09:17:40

                  3月30日,習近平總書記在參加首都義務植樹活動時指出,森林是水庫、錢庫、糧庫、碳庫,生動形象地闡明了森林在國家生態安全和人類經濟社會可持續發展中的基礎性、戰略性地位與作用。

                  為什么說森林是水庫、是錢庫、是糧庫、是碳庫?一起來聽林草界專家學者專題解讀,系統介紹森林的多重效益與價值。

                   

                  2022年是習近平總書記連續參加首都義務植樹活動的第十年,也是《國務院辦公廳關于科學綠化的指導意見》正式頒布實施一周年。森林是水庫、錢庫、糧庫和碳庫,這是總書記對森林具有多重效益的重要論述,更是對森林發揮改善民生福祉作用的充分肯定。

                  森林被稱為“綠色水庫”。它既沒有攔水堤壩,也沒有水閘開關,如何實現對水的涵養時空調節,其內在的科學道理和規律一直是我們森林生態學研究的重要科學問題之一。

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                  ▲青山常在,綠水長流。山上栽滿樹,等于修水庫。森林因具有涵養水源、凈化水質的功能,被稱為“綠色水庫”。(張靖川 攝)

                  森林分層截留大氣降水

                  中國民間有一句俗語:“山上栽滿樹,等于修水庫?!薄扒嗌匠T?,綠水長流”,說的其實就是森林的涵養水源、凈化水質功能。森林中茂密的林冠層、松軟的枯枝落葉層以及地下發達的植物根系和深厚松軟的土壤層,使其具有強大的持水性和滲透性,下雨時能截持、吸收、貯存,無雨季節又能緩緩滲出,可以削弱和阻滯洪水,補給旱季的徑流,維持河水長流不息。同時,經過森林的凈化,河水也會更加純凈。

                  在一定程度上,森林截留、阻擋和吸收降水,分地上和地下兩部分。地上的林冠層,形成第一次截留;林下灌木、草本植物層為第二次截留,林地枯枝落葉層和土壤等形成第三次截留,這種層層截留,有效地緩沖了降水對土壤表層的直接沖擊,減少了地表水土流失。

                  大氣降水被林冠層重新分配成3個不同的部分,即穿透水、莖流水和截留水。從林冠層上或從林冠空隙降落到林地上,是穿透水;經過樹冠沿著樹干到達林地,是莖流水;還有一部分以水珠的形態被保持在植物體表面,形成截留水,截留水很少達到地面,大多被物理蒸發返回大氣中。

                  林冠層的降水到達林地,被林下活地被物吸收。有研究表明,亞熱帶地區主要森林活地被物最大吸附水量為每公頃0.29-5.04噸,相當于0.03-0.5毫米的降水深度,平均為0.2毫米。赤松天然壯齡林、落葉松人工壯齡林的下層草被表面的最大吸附水量,推算值為0.04-0.05毫米,雜草冠部覆蓋面積的吸附水量為0.15-0.56毫米。

                  當大氣降水通過林冠層和林下活地被物層以后,便到達枯枝落葉層??葜β淙~層是森林生態系統特有的一個層次,具有重要的水文生態功能。僅從吸持降水的角度來說,枯枝落葉層就像一張“地被”覆蓋在林地表面,能有效地防止雨滴對土壤的沖刷。同時,枯枝落葉層又像一層“海綿”,有雨時吸水,無雨時又逐漸地散發水分,調節著地表土壤水分,避免土壤水分過干或過濕。

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                  ▲森林與水(劉世榮供圖)

                  據統計,每平方公里的森林可貯存5-10噸水。下雨天,茂密森林的樹冠能截留15%-40%的降水量。降雨強度越小,被樹冠截流的雨量也越多。其他的雨水經由樹木流到林地上,除5%-10%從林地表面蒸發外,有50%-80%的雨水進入森林后被林地上的植被和松軟的枯枝落葉層及腐殖質層吸收。據觀測統計,森林枯枝落葉層每年所能涵養的最大水量為186.5-223毫米(杉木林)和314.5-377.4毫米(混交林)??梢娚挚葜β淙~層的蓄水作用非常明顯。

                   

                   

                  森林涵養水源離不開土壤

                   

                  大氣降水在經過林冠層、林下活地被物及枯枝落葉層的再分配后,部分降水最終滲入到森林土壤層中。土壤的滲透性主要受非毛管孔隙發育狀況的影響,孔隙多、團粒結構好的土壤,滲透性較強。而森林可以改善土壤結構,促進土壤團粒結構的形成,提高降水在土壤中的蓄存和滲透性。

                  研究發現,森林調節水的作用受林冠層截持-林內灌草層截持-林地枯枝落葉層和苔蘚層攔蓄-森林土壤層涵蓄所構成的一個綜合復雜過程影響,而90%以上取決于森林長期演替所形成和發育良好的復雜土壤結構。這是我們研究團隊在岷江上游基于20多年的野外科學觀測和數據分析得出的最新研究結果。

                  岷江上游地處青藏高原東南緣,是成都平原乃至長江上游的重要水源地和生態屏障。為了弄清楚長江上游生態安全屏障帶構建的重大科技問題,闡釋森林對水源涵養的調控機制,團隊梳理總結了長期積累的觀測數據后發現,岷江冷杉是岷江上游亞高山森林的主要建群樹種,其樹體生物量大、葉面積指數高、蒸騰作用小等特性使得岷江冷杉林對水的涵蓄效果突出,尤其是岷江冷杉原始林對水源涵養作用最為顯著,主要原因在于岷江冷杉原始林長期自然演替形成了發達的海綿狀苔蘚層和枯枝落葉層以及具有非毛管孔隙度大、滲透性強的土壤團粒結構,有利于水分的蓄存和滲透。

                  數據顯示,岷江冷杉原始林苔蘚層和枯枝落葉層的蓄水量每公頃分別高達126.36噸和223.85噸,分別是人工云杉林、次生闊葉林和灌叢的3.41(2.59)、8.26(29.82)、5.55(4.60)倍。這在一定程度上證實了黃秉維院士在《確切地估計森林的作用》一文中提出的森林會降低土壤表面徑流這一觀點。但徑流減少的水并不是完全用于森林自身的蒸騰,而是通過森林土壤蓄存起來了,然后以土壤中潛流的形式緩慢地輸送到河流中。

                  據測算,每公頃林地比無林地最少能多蓄水300立方米,1萬公頃林地所含水量相當于一座300萬立方米的水庫,每公頃林地的泥沙流失量僅為50千克,而無林地則高達2200千克。在降雨量相同的條件下,采伐跡地小溝洪峰量大于未采伐森林小溝的2-3倍,匯流時間縮短10小時,而其枯水量卻比森林小溝小50%以上。由此可見,森林具有顯著的涵養水源的作用。

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                   ▲十堰竹溪壩溪河自然景觀(張靖川 攝)

                  森林涵養水源受樹種影響

                   

                  不是所有的樹都是涵養水源的“能手”。研究表明,森林冠層平均截留率變化為10%-40%,例如,7年生的油松林截留的雨量為降雨量的30.1%,5年生的刺槐林為27.5%,10年生的柞樹林為36.1%。另外,林地上的枯枝落葉的吸水量一般可達自身重量的40-260%,其中油松為40%、刺槐為120%、柞樹為180%。

                  我們在岷江上游的采伐跡地上研究發現,云冷杉原始林采伐之后灌木懸鉤子和先鋒樹種紅樺迅速“占領”跡地的生態位,形成大片單一低效的林分。這些灌木種類和紅樺繁殖和生長極快,樹齡又短,它們占據的地方,幾無其他樹種的生存空間,特別是抑制了地帶性亞高山森林的目的樹種云冷杉幼苗的天然更新。這種林分葉面蒸騰量大,土壤滲透性和持水能力低,待山雨一來,它們“束手無策”。

                  當年大面積采伐中“幸存”下來的一部分天然岷江冷杉個體,被稱為“保留木”,與樹下枯落物、灌草、苔蘚、微生物組成遺留群落,成為當今廣袤低效紅樺林中的“星火”。保留木群落中的生物,特別是微生物層都攜帶有大量“記憶片段”,這些片段蘊藏著其歷史上適應一次又一次自然災害、與水源保持最平衡關系的“基因”。

                  為了揭示這些“記憶片段”的科學奧秘,我們團隊首次運用穩定同位素示蹤技術,揭示了岷江上游典型集水區的降水、穿透水、樹干莖流、地被層水、土壤水、壤中流、河水和植物水氫氧穩定同位素組成及其各水體之間的遷移和轉化規律。首次發現并證實岷江冷杉是該區節水、調水和蓄水功能最佳的樹種,且岷江冷杉原始林比其他不同演替階段的次生林和人工林具有更高的水源涵養功能。

                  這一研究結果揭示了岷江上游森林植被水文調節功能的形成與演變機制,澄清了學術界關于長江上游亞高山地區林-水關系的爭議,系統構建了岷江上游退化水源涵養林恢復、人工林結構調整、干旱河谷植被重建等四大類15項配套關鍵技術體系,成功解決了岷江上游森林植被恢復配置模式、特殊生境植被恢復與水源涵養功能提升的關鍵技術難題,為岷江流域乃至整個長江上游天然林保護、退耕還林(草)工程的實施,以及長江上游生態安全屏障的構建提供了強有力的科技支撐。

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                  ▲岷江上游森林與水自然景觀(劉世榮供圖)

                  森林可以調節徑流、削洪補枯

                  森林依靠其涵養水源的能力能調節徑流、削減洪峰流量。森林在小流域上,可以削減降雨過程洪峰流量,并推遲洪峰到來,在枯水期,能增加枯水期流量,推遲枯水期到來時間,明顯減少洪枯比。研究表明,小流域森林覆蓋率每增加2%時,約可削減洪峰1%,當森林覆蓋率達到最大值100%時,可削減洪峰40%-50%。

                  有研究結果顯示,亞熱帶25個林分的森林土壤的平均初滲率為每分鐘14.41毫米,平均穩滲率為每分鐘9.20毫米。熱帶山地雨林土壤表現出很強的土壤水分滲透性,當每次降水量為10-30毫米,進入林地70厘米厚土層的降水量幾乎全部為土壤吸持;當每次降水量為50-100毫米,70厘米深的土壤層有36.5%-56.3%的降水入滲;當每次降水量在102-132毫米,70厘米土壤深處的滲透水量的雨水加權平均為54.6毫米。這就是說,在大雨、暴雨時,土壤的水文調節性能是以滯留貯存水分體現,這種特性延長了水分滲透到下層的時間,并在延續一段時間后再緩慢地補充河川流量,起到調蓄徑流的作用、緩解洪峰徑流。

                  天然林保護工程實施20多年以來,岷江上游地區的森林覆蓋率由1997年的38%上升到2017年的43%;森林水源涵養能力預期可以由21.88億噸提升至26.52億噸;衡量旱澇災害發生的重要指標洪枯比在岷江雜谷腦流域的監測數據由1982年的11.5下降到2006年的7.1,紫坪鋪的洪枯比由1983年的10.3下降到了2016年的4.95。這足以說明長江上游天然林保護工程的實施為岷江上游的水源生態安全作出了巨大貢獻,發揮了巨大的森林水源涵養和消洪濟枯的作用。

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                  ▲湖北巴東三峽自然景觀(張靖川 攝)

                  森林涵養水源的生態系統觀

                  當前,山水林田湖草沙是一個生命共同體的理念已經深入人心,但其真正的科學內涵卻并不清晰,導致貫徹這一思想理念的過程并不精準,在實踐應用中也不完全到位。在科學揭示山水林田湖草沙一體化的生態系統理念中,我們團隊還有了意外發現。

                  受海拔、地勢、光熱等因素影響,岷江上游的植被覆蓋類型自上而下多呈現出高山草甸、亞高山暗針葉林、中山常綠闊葉林并種植用材林及林下經濟作物、平原發展農田經濟的區域自然-經濟-社會復合系統。研究顯示,海拔3800米以上的高山草甸對降水具有低蒸散、高滲透的作用,但草甸土壤下滲形成的徑流水順勢流入亞高山暗針葉林,給森林土壤提供了水源補給。更重要的是,亞高山暗針葉林蒸發散的90%又以雨霧水的形式回降到了高山草甸,滋潤了草甸植被的穩定生長。水分在亞高山森林和高山草甸之間形成連續內循環,從亞高山森林中緩緩流出的水形成徑流,為林下經濟、平原農田灌溉、畜禽養殖提供源源不斷的水源供給,為人類清潔飲水和從事各類生產活動提供了保障。

                  森林改變了降水的分配形式。有了森林,森林就會對降水起到充分的蓄積和重新分配作用,將其大部分變為有效水,在原有區域內循環。森林蒸散出來的水分進入大氣中可以增加空氣濕度,還可以在流域內或流域外一定距離又以降水的形式回落地面去滋補農田。這一現象也很好詮釋了山水林田湖草沙是一個生命共同體的生態文明理念,更為人類系統認識自然、研究自然提供了現實案例。

                  山高水更高,只有山高林密,才有流水潺潺。人類要像珍惜水一樣珍惜森林,努力使萬千森林廣布江河中上游的千溝萬壑,讓森林更好地護衛江河的安瀾。


                  來源:中國綠色時報

                  作者:劉世榮(中國林科院院長,國際林業研究組織聯盟副主席)





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