摘要：水源涵養功能屬于生態學與水文學的交錯領域，是近年來的研究熱點。水源涵養功能包涵廣泛，水源涵養能力是針對不同區域特點和具體研究對象對水源涵養功能的量化評估。論文將水源涵養能力定義為一個區域的最大持水能力，與區域的氣候、土壤、植被等因素有關，并且由區域持或蓄的水量應能夠補給地表或地下水，為區域的工農業發展提供相對穩定的水源，討論了區域水源涵養能力的組成和影響因素，分析了變化環境下氣候條件和人類活動對水源涵養能力的影響。此外，水源涵養能力表征在干旱區和濕潤區有所不同。基于上述觀點，總結了水源涵養能力的評估方法及其適用條件與優缺點，并在此基礎上，進一步討論了水源涵養能力評估的研究方向;以期為生態水文學發展和環境治理提供科學參考。

　　關鍵詞：變化環境;水源涵養;影響因素;評價方法

　　聯合國政府間氣候變化專門委員會(IntergovernmentalPanelonClimateChange，IPCC)第六次評估報告明確指出，2010—2019年全球平均氣溫較1850—1900年升高1.07℃[0.8℃～1.3℃]，人類活動對氣候造成影響已是毋庸置疑的事實[12]。自工業革命以來，隨著科學技術不斷發展，人類對于生態環境的影響日趨顯著。我國改革開放以來，工業快速發展、城市持續擴張和生態用地減少給植被覆蓋和水資源儲量造成了嚴重的負面影響。如何應對人類活動和氣候變化共同影響下的變化環境已經成為當前生態、水文等多學科多領域的研究重點。

　　水源涵養功能屬于水文生態交叉學科——生態水文學的研究范疇，是近年來的研究熱點。不同生態系統對區域水源涵養的貢獻不同，其中植被生態系統對區域水循環有著不可或缺的作用，包括植被截留降雨、削減洪峰、調節空氣濕度和溫度、以及土壤和枯落物層涵養水源和營養物質等。森林、草地和濕地植被覆蓋良好，具有較強的水源涵養能力，對區域水源涵養有較大貢獻;相比而言，荒漠等無植被覆蓋區水源涵養能力則較差，在區域水源涵養能力評估中可以忽略。

　　由于水源涵養功能是一個動態的、不斷發展的概念[34]，不同學者基于對概念的不同理解在研究上各有側重，這就導致了水源涵養能力結論難以直接比較。同時，環境變化顯著改變了區域生態系統水源涵養能力時空分布。但由于大時空尺度資料獲取困難和水源涵養功能內涵的認識尚不夠充分，對水源涵養能力方面的研究更多地聚焦于同一流域不同林分對于水源涵養能力的貢獻差異，對大時空尺度水源涵養功能的綜合研究則相對欠缺[5]。因此，理清水源涵養能力的概念和內涵、系統分析影響水源涵養能力的驅動因素、科學認識水源涵養能力評價方法的適應條件，不僅是環境科學、生態科學和水文科學交叉研究的核心內容，而且對生態恢復措施建設、區域水土保持和水資源合理調配等方面均具有重要意義[68]。

　　1區域水源涵養能力的概念及影響因素

　　1.1概念

　　水源涵養功能是生態系統服務功能評價的重要內容，通常是指生態系統在特定時間、特定條件下的保水能力，包括攔蓄洪水、削減洪峰、凈化水質和調節徑流等[912]。水源涵養能力則是對區域水源涵養功能的定量評估，重點關注區域內各生態系統通過冠層、枯落物層和土壤層攔蓄降雨，保水蓄水的能力。針對不同區域和研究目標，水源涵養能力的表征有所不同。在降水豐沛的濕潤地區，水源涵養能力的評估與森林的生態水文過程關系密切，其核心為林冠層、枯枝落葉層以及土壤層對降雨的再分配作用。

　　而在干旱半干旱地區，由于水源涵養功能主要指維持系統、供給水源的能力，有時也將產水量近似為區域的水源涵養量。出于研究目的的差異和對概念的不同理解，學者們往往選取特定的一個或若干個生態水文效應作為研究對象對區域水源涵養能力進行評估。其中大部分學者認為水源涵養能力由土壤層、枯落物層和林冠層共同構成[1314];也有學者認為林冠層發揮作用較小，土壤層和枯落物層為主要表現層[15]。使用森林水文模型對水源涵養能力進行研究時，也有不少研究將產水量或徑流量看作水源涵養量[16]。

　　綜合已有研究，無論是干旱區還是濕潤區，水源涵養能力是指一個區域的最大持水能力，與區域的氣候、土壤、植被等因素有關，并且這些由區域持或蓄的水量應能夠補給地表或地下徑流，為區域工農業發展提供相對穩定的水源。水源涵養功能是植被生態系統的重要功能，水源涵養能力與植被水文過程密切相關，探究變化環境與水文過程的關聯是植被生態系統水源涵養能力大時空尺度評估的關鍵問題。研究分別從林冠層、枯落物層和土壤層3個層次入手，分析水源涵養量與水文過程之間的相互影響，為變化環境下水源涵養能力評估提供方向。

　　1.2林冠層

　　林冠層對降水的再分配作用是森林水文過程的核心環節之一。大氣層的水汽凝結后以降雨、降雪等形式落下，一部分被林冠層攔截，另一部分則穿透林冠層落下形成穿透雨。林冠層的截留作用在一定程度上減少了大氣降水的數量和能量[17]，這使得其在洪水發生時具有一定攔蓄洪水和削減洪峰的能力。同時，枝葉對雨水的阻礙作用能夠有效減少大氣降水的動能，降低降水對地面的直接沖刷，對于區域水土保持和水源涵養功能提升具有重要意義。

　　林冠層截留量大小主要取決于森林植被的組成、密度、林齡和郁閉度等[18]，這些因素同時也是森林水源涵養能力的控制因素。除此以外，林冠層對區域水源涵養能力的貢獻在干旱區還受到林地蒸散發的影響。干旱區常以產水量近似代替水源涵養量，林地冠層蒸散發的增加會造成產水量的減少，進而對區域水源涵養產生負面影響。程唱等[18]對半干旱干旱地區的研究表明，不少干旱區的降雨有90%最終通過蒸散發回歸大氣。因此，干旱地區的水源涵養需要種植受干旱脅迫影響較小的林分類型。

　　1.3枯落物層

　　枯落物層作為林冠層與土壤層的中間層主要起承接作用。透過林冠層的降水到達枯落物層后為枯落物攔蓄吸收，其動能在阻礙下減小，不至于直接沖刷土壤造成嚴重的水土流失。枯落物層與土壤層共同作為森林水源涵養量的主要貢獻層，攔蓄降水和蓄水的能力主要取決于枯落物的現存量和持水能力。其中，現存量通常與林分密度、林齡有關，持水能力則與枯落物層的厚度、分解程度、成分和濕度等因素有關[19]。在水源涵養能力研究中，常采用室內浸泡法計算的枯落物含水量、攔蓄量等作為反映枯落物層持水能力的評價指標。同時，大量研究表明枯落物層持水能力與枯落物層的分解狀況密切相關[20]，半分解層的持水能力通常強于未分解層。因此在對枯落物層持水能力分析時，不少學者也將分解程度作為定性指標[9]。

　　1.4土壤層

　　降落到地面的降水大部分由地面孔隙直接進入土壤。大量研究表明，土壤層的水源涵養是森林水源涵養的重要內容[13]。植被覆蓋率高的地區，由于土壤內部植物根系發達而存在大量空隙，具有較強的透水能力[21]。在各類土壤孔隙中，最受學者關注的是土壤非毛管孔隙。非毛管孔隙是指土壤中除毛管孔隙以外直徑較大的孔隙，這些大孔隙在為飽和土壤提供水分快速通道的同時，也是土壤最重要的儲水空間，是影響土壤儲存水量的關鍵因素。

　　由于其物理性質(密度、孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度等)和持水能力(自然含水量、最大含水量、有效持水量等)不同，不同類型土壤的水源涵養能力也有所差異。在對土壤水源涵養能力的研究中，傳統的方法是分層測定土壤非毛管孔隙度和厚度，將其乘積之和作為土壤蓄水量[17]。這種方法認為土壤非毛管孔隙度越高、厚度越大，其儲水空間越多，土壤蓄水能力也就越大。

　　近年來，隨著評價體系的多樣化，對土壤蓄水能力影響因素的考慮更加全面。主流的做法是選取影響較大的多個控制因子，如土壤孔隙度、非毛管孔隙度、密度和持水特性等共同作為反映土壤水源涵養能力的指標。雖然不同學者對于土壤水源涵養的評估方式不同，但均得出了土壤層是森林持水的主要場所，其水源涵養功能在森林生態系統服務功能中處于核心地位的統一結論[22]。

　　草地和濕地影響水源涵養的機制與森林相類似，主要與植被類型與土壤條件有關，冠層截留的影響則較小。稅偉等[22]在若蓋沙化草地研究中發現，影響草地生態系統水源涵養能力的主要因素是土壤質地和土壤pH。而影響濕地水源涵養能力的主要因素則是植被類型和土壤質地結構。森林、草地和濕地等主要生態系統共同決定了區域的水源涵養能力，其影響因素亦為水源涵養能力的控制因子。

　　2變化環境對水源涵養能力的影響

　　2.1氣候變化對水源涵養能力的影響

　　全球變暖是全球降水和蒸散格局變化的主要驅動因素，溫度變化對水文循環和水資源系統產生了不可估量的影響，水源涵養能力對氣候變化的響應是近年來的研究熱點[23]。溫度是水文循環改變的重要熱力驅動因子，溫度升高將導致植被蒸騰、土壤和水面蒸發增大，進而影響區域水源涵養能力。由于水源涵養能力在不同氣候區表現不同，溫度在不同地區的影響也有所差異。Wang等[24]在西林溝地區的研究表明，年平均氣溫對水源涵養量的影響在濕潤地區更為顯著，而在降水較少的地區則不甚突出。降水量是水源涵養功能最重要的影響因子之一，其在直接影響森林有效攔蓄量的同時，決定著森林土壤和植被的性質，間接控制著林冠層截留能力、枯落物層持水能力和土壤持水能力。

　　對于降水量這一主要驅動因素的研究，國內外學者在不同氣候區得到的結論亦有所不同。Hashino等[25]在濕潤地區的研究結果表明，因降水量增大而增加的森林面積會使土壤攔蓄的水量增多，而同時產生的消耗性蒸散發則對產水量造成了負面影響。由于濕潤地區的水源涵養量評估以林冠層、枯落物層和土壤層攔蓄的水量為主，產水量不作為主要指標，因而可以得出降雨量增加對濕潤地區水源涵養能力有促進作用的結論。崔景軒等[26]采用SCS模型對東北干旱區生態系統水源涵養功能的研究結果則表明，降雨在干旱、正常和濕潤年份都與水源涵養量呈現顯著正相關。

　　盡管森林覆蓋率的增加對徑流的影響還存在爭議，不可否認的是，降水量增加能在一定程度上提高森林的水源涵養能力。蒸散發是影響區域水源涵養能力的重要指標，在不同氣候分區的表現有所不同。在降水豐沛的濕潤地區，蒸散發對森林生態系統的林冠層截留和土壤持水量影響較大，林冠層截留的再蒸發決定了林冠截留量的大小，土壤蒸發加劇則會造成土壤有效持水量的降低。相應地，在干旱半干旱地區的產水量計算中，蒸散發的加劇會造成有效降雨量的減少，從而導致區域水源涵養能力的降低[25]。綜合干旱區和濕潤區的研究結果可以發現，蒸散發加劇在不同程度上削弱了區域的水源涵養能力。

　　2.2人類活動對水源涵養能力的影響

　　由于地表粗糙度，植被葉面積指數、土壤滲透性、持水能力等物理性質差異，不同土地利用類型在生態水文過程中的作用有所差別[27]。20世紀50年代以來，伴隨人口增加和經濟快速發展，我國耕地和建設用地顯著增加，其中大部分耕地由林草地轉換形成。作為影響區域水源涵養能力的主要因素，土地利用類型的變化對區域水源涵養功能的影響是當前研究的重點問題[28]。目前，關于土地利用類型對水源涵養影響的研究主要分為兩大類：

　　一類是研究不同水土保持類型相較于農耕地等對區域水源涵養能力的促進作用[29];另一類是研究土地利用類型變化對區域水源涵養能力的影響[3031]。大量研究表明，森林的水源涵養能力顯著強于農耕地和建設用地，控制建設用地增長范圍和速度、退耕還林、種植水土保持林是提高區域水源涵養能力的有效措施[30]。水利工程是人類為滿足調節洪水、水力發電等需求對河流水文形勢進行干涉的過程。水利工程對區域水源涵養能力的影響是多方面的。如水庫的修建攔蓄了徑流，為生物生長提供豐富的水源，進而提升了區域的水源涵養能力。但同時水庫的修建也可能改變土壤原有的結構和性質，間接對區域水源涵養產生負面影響。

　　此外，灌溉等取水用水工程由于對水量的直接消耗，在一定程度上削弱了區域實際的水源涵養能力。因此，在保持經濟高效的同時，維護生態系統穩定是當前生態水利工程的發展方向。為應對水利工程對生態環境造成的負面影響，一系列水土保持措施得以實施。其中，生態保護措施以種植人工林為主。人工林增加了枯落物層的厚度，同時發達的植物根系也為土壤增加了空隙含量，使枯落物層和土壤層攔水蓄水的能力得以提升。隨著可持續發展戰略的不斷推進，退耕還林、退耕還草計劃有效實行，森林草地等高水源涵養區面積重新得以擴大，為區域水源涵養能力的提升奠定了基礎。

　　3水源涵養能力的評估方法

　　有效評估水源涵養能力的大小和涵養量的多少是生態系統水源涵養功能研究的重點和熱點。典型的水源涵養能力評估方法主要有土壤蓄水能力法、綜合蓄水能力法、水量平衡法、林冠截留剩余量法、降水儲存法、年徑流量法、多因子回歸法和水文模型法等[2]。

　　近年來，隨著遙感和地理信息系統的不斷發展，針對不同研究目的、構建相應模型的森林水文模型法，逐步成為水源涵養能力評價的主流方法。目前，國內外學者常用的模型包括美國農業部水土保持局開發的SCS(SoilConservationService，SCS)模型、生態系統服務和權衡的綜合評估(IntegratedValuationofEcosystemServicesandTradeoffs，InVEST)模型、溫度植被干旱指數(TemperatureVegetationDrynessIndex，TVDI)模型和SWAT(SoilandWaterAssessmentTool)模型等。與傳統當量法比較，水文模型法具有可控性強、可重復性強和動態模擬等優點，在水源涵養能力的大時空尺度研究上具有顯著的優勢。基于模型結構和參數的差異，森林水文模型可分為經驗模型和物理模型分別分析。

　　經驗模型通常指將生態系統看做一個整體，不具體考慮其中的生態水文過程，以經驗關系進行計算和數據處理的模型。經驗模型的參數和輸入值常取平均值，結構簡單，所需資料數據相對易于獲取，可操作性強[15]。物理模型則具有更明確的物理基礎，能夠清晰體現水源涵養的各個水文過程，參數普遍具有物理意義，可反映水源涵養能力空間分布的差異。這種分類方式對于進一步討論不同模型的優缺點和適用條件有重要意義[34]。常用的經驗模型有SCS模型和TVDI模型。SCS模型計算的地表徑流量在區域水源涵養量計算中應用廣泛，是目前水源涵養能力評估的主要模型之一[3536]。

　　TVDI模型基于溫度植被干旱指數提出，與地表溫度和NDVI指數聯系緊密[37]。目前，對于TVDI模型的應用主要集中于土壤水源涵養的研究，以模型計算的土壤水分含量作為衡量水源涵養能力的重要指標[38]。以SCS模型和TDVI模型為代表的經驗模型雖具有結構簡單、操作方便等優點，但對物理過程的描述不甚清晰，常與其他技術手段結合以獲得更高的計算精度。常見的物理模型有InVEST模型、SWAT模型等，其中InVEST模型的應用最為廣泛。InVEST模型是由美國斯坦福大學、大自然保護協會與世界自然基金會聯合開發的生態系統服務與權衡的綜合評估模型，考慮了氣候和土地利用類型等因素對水源涵養功能的影響，但忽略了地下水的作用，計算結果存在一定的誤差[3941]。

　　SWAT模型是以日為時間步長的概念性模型，具有良好的物理基礎。SWAT模型開發的目的是方便大型流域產水、產沙和各類物理化學過程的管理和預測，因此，輸入處理好的資料數據即可滿足要求。模型操作方便，實用性較強[32]。SWAT模型將流域分為若干水文響應單元，分別計算徑流量，有利于水源涵養量空間差異的分析，但由于我國下墊面等自然條件與模型適應不理想，需要根據實際情況對模型進行參數本地化。目前SWAT模型在我國的應用仍有很大的探索空間。

　　近十余年來，國內外學者逐漸聚焦于森林水文模型與其他生態水文態過程模型的耦合，物理模型中的InVEST模型是其中的典型代表。除此之外，WaSSIC模型(WaterSupplyStressIndexCarbonmodel)和TerrainLab模型也是研究的重點內容。多模型集成在包含水源涵養模塊的同時，有效模擬森林的其他生態水文過程，解決了當前評估方法無法同時對多種形式的水源涵養能力進行評估比較的問題，為水源涵養能力評估研究開辟了新的方向[16]。水文模型法在大尺度水源涵養能力研究中優勢顯著。然而，由于模型包含的生態水文過程眾多，耦合復雜，所需數據面廣量大，模型的實際應用還存在一定困難。由于水源涵養功能的內涵包含生態水文過程的各個環節，與之對應的評估方法也各有側重。

　　針對不同的研究區域和研究目的，不同研究方法的適用條件必然有所不同。在側重于系統維持和水源供給的干旱半干旱區水源涵養功能研究中，以產水量、徑流量為主要評價指標的水量平衡法和年徑流量法具有顯著優勢;而在降水充足的地區，考慮全面的綜合蓄水能力法則更適合對攔蓄降水和削減洪峰的能力進行評估。不同評估方法采用的資料和技術手段不同，對水源涵養能力的評估也各有優劣。依據不同的研究目的選擇合適的方法，是水源涵養能力評估的關鍵。

　　4結語

　　由于水源涵養功能涵蓋廣泛，針對不同的研究目的，水源涵養能力評估的切入點有所區別。在干旱半干旱地區，水源涵養功能主要體現在維持系統和供給水源的能力，將產水量近似作為水源涵養量計算能有效體現水源供給能力，切合研究目標。在濕潤半濕潤地區，降水豐沛，森林生態系統在區域水源涵養中的貢獻突出，3層模式計算出的森林水源涵養量代表性強，能夠體現水源涵養功能的調節徑流和攔蓄洪峰的能力。無論是干旱區還是濕潤區，水源涵養能力是指一個區域的最大持水能力，與區域的氣候、土壤、植被等因素有關，并且這些由區域持或蓄的水量應能夠補給地表或地下徑流，為區域工農業發展提供相對穩定水源。

　　人類活動改變了土地利用類型，直接影響生態系統的水源涵養能力，通過影響氣候間接影響水源涵養的控制因子，對水源涵養的作用存在較大的時間空間差異。研究水源涵養能力對變化環境的響應需要能夠分析大尺度時空變化的評估模型，如何選擇適合的模型對水源涵養能力的評估結果進行尺度外推是當前研究亟待解決的難題。根據研究對象的尺度特征決定評估方法，是水源涵養能力評估系統統一定量化計算的基礎。由于水文模型法具有較強的可重復性，能夠很好地解決不同區域水源涵養能力對比困難的問題，其在區域水源涵養能力統一比較中優勢顯著。水文模型法和多模型集成是水源涵養能力評估研究的發展方向，為水源涵養能力評級體系的完善提供了新的思路。

　　參考文獻：

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　　作者：賈雨凡1,2,3，楊勤麗4，胡非池4，鞠琴1，王國慶2,3,5