摘要：水源涵養與生態系統過程和人類生產生活緊密相關，深入研究水源涵養對維持生態系統健康和人類社會可持續發展至關重要,對促進人與水和諧共生具有指導意義。隨著對水源涵養研究與應用的深入，水源涵養內涵逐漸豐富，評估方法愈加多樣，但以往的研究中水源涵養定義模糊，缺乏對各種評估方法的綜合性對比分析，因此急需明確界定水源涵養內涵，分析各種估算方法的適用性。采用文獻分析法系統梳理了水源涵養研究歷程，將其劃分為認識與萌芽期、理論發展期、定量計算階段和模型綜合評估4個階段;從定義、水量與功能3個方面明確界定了水源涵養內涵，從原理、時空尺度、適用范圍及優缺點方面對已有水源涵養量估算方法進行了對比和分析，并展望了水源涵養研究的未來發展方向。

　　關鍵詞：水源涵養;定義;功能;計算方法;模型

　　生態系統服務是指人們從生態系統中獲取的所有直接和間接收益[1-2]，與人類福祉和社會可持續性發展緊密相關，近年來在國內外備受關注。當前水環境惡化和氣候變暖造成了日益嚴峻的水資源問題，水資源需求量的增加則加劇了水資源短缺[3]，與水有關的生態系統服務受到高度重視。

　　由于水是連接各生態系統過程及人類活動的重要紐帶，水源涵養在眾多生態系統服務中占據中心地位，是表征生態系統狀況的關鍵指標。水源涵養的變化不僅直接影響流域內自然要素狀況與生態系統過程[4]，也會對下游地區的生態系統和水資源產生間接影響，引起新一輪的人水互動協同效應。

　　因此，研究我國生態系統的水源涵養功能，明確不同區域水源涵養功能與生態系統過程和人類活動的關系，識別水源涵養重要區，對當地生態屏障優化，應對氣候變化風險及下游地區水資源優化配置具有重要的現實意義，同時對緩解我國水資源問題，發展完善“人-土-水”最優布局，促進區域可持續性發展與生態文明建設具有重要指導意義。

　　自20世紀以來，學者在我國開展了廣泛的水源涵養功能研究，為水土綜合管理和新時代的全國生態文明建設做出了重要貢獻。但不同學者所界定的水源涵養內涵不同，缺乏統一的標準，實際工作中采用的研究方法多樣，致使水源涵養量的估算結果往往存在較大差異。因此，本文對水源涵養研究進行梳理與概括總結，闡明水源涵養內涵，分析已有估算方法的有效性與適用性，以規范水源涵養評估過程，為我國水源涵養研究與生態文明建設提供指導。

　　1.水源涵養研究歷程

　　1.1認識與萌芽期

　　人類從農牧時代對水源涵養就有所認識，我國有明確文字記載的水源涵養是清朝梅曾亮1823年在《書棚民事》中的記述：“每天雨，從樹至葉，從葉至土石，歷石罅，滴瀝成泉。水緩，故低田受之不為災，而半月不雨，高田猶受其浸溉。”該文分析了樹木水源涵養對降水的截流、洪水消峰、基流增加及灌溉作用，此時人們初步認識到樹木的水源涵養作用。水源涵養的研究起源于人們對森林與水關系的認識，可以追溯至19世紀。1864年，德國學者Ebmayer在巴伐利亞地區觀測林區地表的蒸發，首次探究影響蒸發的因素,1879年又在奧地利觀測森林對降水的截留量[5]。1900年，在瑞士BerneseEmmental山區開展了兩個集水區對比試驗，以探究植被對集水區徑流量的影響，揭開了試驗森林水文學的序幕[6]。

　　隨后，眾多國家開展了小流域對比試驗，研究有林地和無林地水源涵養的差異[7-8]。而我國的森林水文研究起步較晚，始于20世紀20年代，羅德民和李德毅在我國多地開展了森林對徑流和水土保持影響的觀測研究[9-10]。美國學者Kittredge在1948年提出“森林水文學”的概念，推動了森林水文過程的研究，也為森林水源涵養功能的研究奠定了基礎[11]。從19世紀初至20世紀50年代可以看作水源涵養的認識與萌芽階段，此時水源涵養的概念不明確，主要指森林對徑流的影響，研究方法單一，主要利用觀測數據來分析森林與水的關系。

　　1.2理論發展期

　　20世紀60年代，美國學者Bormann和Liken在小集水區范圍內研究森林生態系統與水文過程，首次將森林生態系統與水文學研究相結合[12]。在70年代，森林植被對河流水質的影響得到關注，國外開展了森林對改善水質的研究，將凈化水質視為水源涵養功能的一種表現形式[13]。

　　與此同時，森林水文過程的研究得到重視，開展了林冠截留、枯落物持水、土壤蓄水與林地蒸散發等森林水文過程的研究，積累了大量的實測資料，發展了Rutter[14]、Gash[15]林冠截留模型，出現了眾多計算枯落物持水量、土壤蓄水量、林地蒸散發量的經驗公式，森林水文過程研究的發展豐富了水源涵養研究的理論基礎。20世紀60、70年代可以看作水源涵養研究的理論發展階段，這一時期在森林水文學領域取得了眾多研究成果，對林冠截留、枯落物持水、土壤蓄水等水文過程的認識愈加明確。但是，這一階段的研究對象僅限于森林生態系統，仍將水源涵養視為森林水文過程的一部分，并未明確界定水源涵養概念[16]。

　　1.3定量計算階段

　　20世紀80年代以來，逐漸進入到水源涵養功能的定量評估階段。早期主要實地測量林區不同作用層的降水截留率、土壤入滲率及蒸散發，在實測數據的基礎上計算森林不同作用層的持水量[17]。1997年，Constanza定義了生態系統服務的概念，水源涵養開始作為生態系統的一項服務功能而受到關注[18]。研究者在實測數據的基礎上估算了眾多小流域范圍內生態系統的水源涵養量及價值[19-20]。

　　由于學者對水源內涵的理解不同，在實際工作中采取的估算方法多樣。典型方法有水量平衡法、降水貯存法、年徑流法、地下徑流增長法、林冠截留剩余法、土壤蓄水能力法、綜合蓄水能力法、多元回歸法以及影子工程法等。20世紀80年代至21世紀初可以看作水源涵養研究的緩慢增長期，此時森林生態系統的水源涵養概念逐漸明確，涌現出眾多水源涵養估算方法。但水源涵養量的估算主要集中在樣地尺度或小流域范圍，計算結果受觀測數據影響較大，不同計算方法得到的結果相差較大，缺乏可比性。

　　1.4模型綜合評估階段

　　近十余年來，國內外學者逐漸采用模型方法在區域范圍內綜合評估水源涵養功能，眾多水文模型、生態模型廣泛應用于水源涵養功能的研究中，如SWAT模型、InVEST模型、元胞自動機模型、SEBS和SCS模型、TerrainLab模型等。與此同時，水源涵養的尺度問題受到關注，王曉學等[21]從不同時空尺度探討了森林水源涵養功能的內涵，界定了不同時空尺度下的水源涵養功能。此外，水源涵養的內涵不斷豐富，其研究對象也由單一的森林生態系統向草地[22-23]、濕地[24]、都市農業[25]等其他生態系統擴展。 總的來看，人們對水源涵養的認識處于一個動態發展的過程中。

　　當前的水源涵養，研究內容更加綜合，不僅關注流域內部的生態水文過程(降水截留、蒸散發等)，并研究多個水文過程與生態系統產生的綜合效應(對降水的影響、調節氣溫等);研究對象由森林擴展到其他陸地生態系統，對比不同生態系統水源涵養能力的差異;研究范圍進一步擴大，在空間上由樣地尺度發展到流域、區域尺度，在時間上研究年、月、日不同時間尺度及不同時間序列下水源涵養功能的動態變化;相應的估算方法更加豐富，特別是采用眾多綜合模型評估水源涵養功能，對其進行更深層次的量化，同時注重結果的可視化表達，強調流域范圍內水源涵養功能的空間差異性。

　　2.水源涵養內涵界定

　　隨著研究的深入，水源涵養內涵逐漸豐富，不同學者的理解不同，尚未形成統一的定義。研究的早期將水源涵養視為森林對河流徑流量的影響[26]。隨著森林水文過程研究的逐漸成熟，水源涵養內涵擴展為森林生態系統通過林冠層、枯落物層及土壤層截留和貯存降水，表現出的補充地下水、調節河川徑流等功能[27-29]。慢慢地，森林對降水的影響、凈化水質的作用也視為水源涵養功能。這一時期水源涵養量定義為冠層截留、枯落物持水和土壤蓄水量三者之和，研究對象僅限于森林生態系統。而如今，水源涵養的研究對象由森林生態系統擴展到具備涵養水源能力的區域，水源涵養量定義為某區域在一定時段內收入與支出水量之差[30-34]。

　　總之，雖然不同學者界定的水源涵養內涵存在一定的重疊與差異，但基本都將水源涵養視為森林或草地、濕地生態系統對降水的截留貯存能力，以及在此過程中體現出的調節徑流、水源供給與凈化水質等功能。綜上所述，水源涵養可以從功能、對象、水量三個方面界定其內涵。水源涵養是指在一定時空范圍內，生態系統通過林冠層、枯落物層和土壤層、湖泊、水庫水體等對降水進行截留、下滲以及貯存等過程，將水分充分保持在系統中的過程和能力，不僅滿足系統內部對水源的需求，并且可以向外部及中下游地區提供水資源。

　　2.1水源涵養功能

　　水源涵養功能指生態系統在涵養水源的過程中參與流域水循環，調節水文過程并產生生態效益的能力，對維持生態系統平衡至關重要，同時可提供眾多調節和供給服務[35-36]。作為多時空尺度下生態系統與水文過程綜合作用的結果，水源涵養功能涉及的載體、生態水文過程及時間尺度特征眾多，而且表現形式多樣。從表現形式來看，水源涵養功能主要有水源供給、調節徑流、攔蓄洪水、凈化水質、水土保持和調節局地氣溫等。從水源涵養功能所涉及的載體、過程、表現形式及時間尺度特征來看，可以從狹義和廣義的角度進行區分。

　　狹義的水源涵養功能是指涵養水源過程中森林-草地-土壤所形成的生態系統與水的相互作用，包括攔蓄洪水、調節徑流、水源供給等;廣義的水源涵養功能則包含了水文過程對局地氣候、水土產生的綜合影響與生態效益，不僅考慮森林-草地-土壤所形成的生態系統，還加入湖泊-水庫-坑塘進行的水源涵養，不僅包括了水源供給、調節徑流及攔蓄洪水，還有凈化水質、水土保持和調節局地氣溫等。

　　2.2水源涵養量

　　水源涵養量是指某時段內生態系統存儲的水量，其大小常用來評估水源涵養功能，其實質是指生態系統在一定的時空范圍與條件下對降水的調蓄能力，即非雨期的蒸發與土壤產流量。在計算水源涵養量時應考慮時間尺度(場次降水、月、年)，對于場次降水，其水量是降水減雨期蒸發與產流;對于月、年大時間尺度，其水量是總降水量減雨期蒸發和地表產流。

　　水源涵養量可分為潛在水源涵養量與實際水源涵養量，前者指對生態系統充分供水情況下，生態系統對降水的最大調蓄能力;后者指實際降水與氣候條件下，生態系統對降水的實際調蓄能力。潛在水源涵養量是實際水源涵養量的最大值。水源涵養量最小值是0，出現在不透水地面情況，所有降水均被蒸發和地表產流;水源涵養量最大值是降水量，當地表植被覆蓋度足夠高或者直接降水到湖泊水庫中，降水雨強與雨量達不到地表產流條件，所有降水均被滯蓄在生態系統中。

　　3.基于概念模型的水源涵養定量評估方法

　　水源涵養量評估即定量計算生態系統內存儲的水量，與水源涵養內涵相適應。由于學者定義的水源涵養概念不同及研究區的差異性，實際工作中采取的計算方法多樣，主要有水量平衡法、降水貯存法、年徑流法、地下徑流增長法、林冠層截留剩余法、土壤蓄水能力法、綜合蓄水能力法及多元回歸法等，每種方法都存在一定的優勢、局限性與適用范圍。

　　上述方法大多從某一個維度來計算水源涵養量，不同方法所表征的水源涵養量有所差別，如土壤蓄水能力法將土壤中貯存的水量視為水源涵養量，綜合蓄水能力法將冠層截留量、枯落物持水量和土壤蓄水量三者之和視為水源涵養量，這使得不同方法得到的計算結果可比性差。綜合蓄水能力法考慮了不同作用層涵養的水量，與水源涵養內涵較為接近，并且可對比不同作用層對總水源涵養量的貢獻，應用范圍相對較廣[37-39]。

　　水量平衡法將某區域在一定時段內收入水量與支出水量之差視為水源涵養量，與水源涵養內涵最為匹配，時空尺度適用性較強，是目前應用最廣的方法[29,40]。聶億黃[41]等將地表徑流量視為水源涵養量，利用水量平衡法估算了青藏高原地區的水源涵養量，結果表明青藏高原地區多年(1982-2003年)平均水源涵養量為3.45129×1011m3，東南部水源涵養量大，而西北地區水源涵養能力很弱。龔詩涵等[4]將降水量與地表徑流量及蒸散發量的差視為水源涵養量，利用水量平衡法估算了全國生態系統的水源涵養量。結果表明2010年全國水源涵養總量為12224.33億m3，在空間上呈現東南高西北低、由東到西遞減的趨勢。

　　4.基于動力模型的水源涵養定量評估方法

　　隨著對水源涵養理解的深入，以水文循環過程為理論基礎，借助GIS、RS和計算機技術，發展了一系列水源涵養綜合評估模型。水源涵養評估逐漸由上述傳統計算方法發展到基于動力模型的綜合評估方法，這些模型能夠實現水源涵養功能的動態模擬分析，已成為定量評價水源涵養功能的主要途徑。模型可分為兩大類，一類是傳統的水文模型，以SWAT模型為代表，另一類是新興的生態系統服務評估模型，以InVEST模型為代表[54]。水文模型側重于水源涵養的驅動因素，更加關注水源涵養過程的模擬;新興的生態系統服務評估模型，關注最終的生態系統服務及評估結果在景觀尺度上的可視化表達。

　　5.水源涵養價值評估

　　水源涵養作為生態系統一項重要的服務功能，為人們提供眾多生態效益，是生態系統服務評估的一項重要內容。水源涵養價值評估就是從貨幣價值的角度出發，將生態系統的水源涵養能力進行價值化表達，常用于不同生態服務之間的權衡分析、生態系統服務總價值核算以及生態補償中。一般是在水源涵養物質量計算的基礎上，采用各種方法將生態系統涵養的水量換算為價值，用價值大小評價水源涵養功能[82-84]。目前多采用替代的方式間接計算水源涵養價值，影子工程法是應用最廣泛的方法。此外，姜文來從構成水資源價值因素的角度出發，提出了計算森林水源涵養價值的模糊數學模型[85]。

　　6.結論與展望

　　本文在分析水源涵養已有研究成果的基礎上，主要得出如下結論：

　　(1)水源涵養研究歷程可劃分為四個階段：①認識與萌芽期(1800s-1950s)，主要基于觀測數據分析森林與水的關系，將水源涵養視為森林對河流流量的影響;②理論發展期(1960s-1970s)，對林冠截留、枯落物持水、土壤蓄水等過程的認識逐漸深入;③定量化計算階段(1980s-2000s)，水源涵養概念逐漸明確，水源涵養量估算方法得到空前發展;④模型綜合評估階段(近十余年)，主要采用綜合模型評估區域范圍內的水源涵養功能。

　　(2)水源涵養是指在一定時空范圍內，生態系統通過植被層、枯落物層和土壤層、湖泊、水庫水體等對降水進行截留、下滲以及貯存等過程，將水分充分保持在系統中的過程與能力，不僅滿足系統內部對水源的需求，同時向外部及中下游地區提供水資源。

　　(3)水源涵養功能是一個動態發展中的概念，其內涵不斷豐富擴展，可以從狹義和廣義的角度進行區分。狹義的水源涵養功能是指涵養水源過程中森林-草地-土壤所形成的生態系統與水的相互作用，包括攔蓄洪水、調節徑流、水源供給等;廣義的水源涵養功能則包含了水文過程對局地氣候、水土產生的綜合影響與生態效益，不僅考慮森林-草地-土壤所形成的生態系統，還加入湖泊-水庫-坑塘進行的水源涵養，不僅包括了水源供給、調節徑流及攔蓄洪水，還有凈化水質、水土保持和調節局地氣溫等。

　　(4)水源涵養評估可以從物質量和價值量兩方面展開，相關的計算方法和評估模型眾多，每種方法都存在一定的優缺點、時空尺度、適用范圍等，實際應用中需靈活選擇評估方法。

　　已有研究存在如下幾條不足：

　　(1)水源涵養內涵不統一。不同的研究者，給出自己的水源涵養內涵，然后根據內涵給出水源涵養量的計算公式，所計算的結果即使在同一時段同一區域也會有很大的差異。

　　(2)水源涵養量計算對象不全。現有的計算僅僅考慮植被土壤的水源涵養量，而忽略了湖泊水庫坑塘在水源涵養中的貢獻。在青藏高原大量內陸湖區域會存在很大的計算不確定性。

　　(3)水源涵養量計算中水循環過程過于簡化。水源涵養量計算時多采用年與月尺度進行簡化計算，水量平衡考慮不足，導致各個水文要素計算存在很大的不確定性。水源涵養計算時很多是降水減蒸發與徑流。由于非雨期的蒸發與壤中流應該是水源涵養的部分水量，簡單重復計算很可能會出現負值，顯然不合理。針對以上的不足，水源涵養研究與應用的核心發展方向是：“統一標準，完善對象，加強水循環，耦合多模型，實現精準水源涵養計算”。

　　可從以下幾個方面開展進一步深入的研究：

　　(1)統一水源涵養的概念和內涵。基于水源涵養的發展與機理的研究，深挖水源涵養的內涵，給出合理的水源涵養定義，根據定義統一評價指標，規范水源涵養功能評估。

　　(2)完善水源涵養的研究對象。水源涵養不僅僅需要考慮植被、土壤，更應該考慮凍土、湖泊、坑塘和水庫的蓄水功能，所以在計算水源涵養時，需將研究區域中植被、土壤、凍土、湖泊、坑塘、水庫、河道作為研究對象，進行綜合考慮，從而減小水源涵養計算的不確定性。

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　　(3)加強水循環計算，實現多模型的耦合。利用最新的發展的分布式水文模型，精確計算研究區域(或流域)的水循環過程，為獲得更高精度的水源涵養提供準確的水文要素。生態模型、水文模型、湖泊模型、凍土模型的耦合能夠更加綜合地研究水源涵養，同時彌補單一模型的不足，以更加系統的視角看待水源涵養。

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　　作者：王云飛1，葉愛中1，喬飛2，李宗省3，繆馳遠1，狄振華1，龔偉1