土壤水库和森林植被对水资源的调节作用.doc

44 土壤与环境 Vol.10 No.1文章编号：1008-181X（2001）01-0042-03土壤水库和森林植被对水资源的调节作用何福红1，黄明斌1，李景保2（1：中国科学院、水利部水土保持研究所，陕西 杨凌 712100；2：湖南师范大学国土学院，湖南 长沙 410081）摘要：以湖南省土地、森林利用状况等有关资料为基础，从土壤和森林对降水形成径流的影响，调节水资源的数量和方式，防洪抗旱减灾方面的作用3个层次，详细地剖析了土壤水库和森林植被对水资源的调节作用。结果指出，土壤水库和森林植被能够调节水资源，其潜力非常大。合理利用土壤水库和森林植被可以蓄水保土减蚀，削减洪峰，减少自然灾害。关键词：土壤水库；森林植被；水资源中图分类号：X171.1 文献标识码：ARole of soil water reservoirs and forests in regulating water resources HE Fu-hong1，HUANG Ming-bin1，LI Jing-bao2（1: Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences, Yangling, Shaanxi 712100, China; 2: Territory Research College, Hunan Normal University, Changsha 410081, China）Abstract: Base on the relevant datum of the using condition of soil and forest in Hunan province, the role of regulation of soil and forest on water resource was analyzed in detail from three aspects in this paper, which are the effect of soil and forest on rain and runoff、quantity and manner of regulation on water resource、role of regulation of soil and forest on water resource. It showed that: Soil and forest can regulate water resource, and the potentiality is very large .If we have reasonably used the soil reservoirs and forest, it can conserve soil and water and decrease erosion, always can reduce the flood peak and decrease natural disasters. Key word: Soil reservoir; Forest; Water resource 由于受特定的自然地理环境和人文地理环境的影响，湖南省水旱灾害频繁。尤其是90年代以来，水旱灾害呈加剧趋势。其中1994、1995、1996、1998和1999年，湘、资、沅、澧四水流域及洞庭湖区相继发生大洪水，同期全省发生了5次较重的干旱，给社会、经济持续发展造成了严重影响。大灾过后，许多专家纷纷提出一系列科学对策，如“封山育林、退耕还林、加大森林建设力度”、“建库蓄洪、退田还湖、加大水利建设”16以及合理调用“土壤水库”7等以缓解湖南水旱灾情。本文试图从分析“土壤水库”和森林植被对水资源的调节作用入手，揭示“土壤水库”和森林植被与湖南省水旱灾害的关系，提出合理利用“土壤水库”和森林植被的措施和设想，以减轻湖南省水旱灾情，确保社会、经济、生态的协调持续发展。1 研究方法 在收集和整理湖南省目前的土地、森林利用状况等有关资料及其有关历史资料的基础上，从分析土壤和森林植被对降水及其形成地表径流和地下径流的影响入手，比较土壤、森林植被和工程水库调节水资源数量和方式等多方面的作用，剖析“土壤水库”、森林植被对水资源的调节及其在湖南省防洪抗旱减灾方面的作用。2 结果与讨论2.1 “土壤水库”及其对降雨产流等的调节作用 土壤中由于具有大量的孔隙，从而具有涵养水分的能力，且涵养水分的能力非常大。因此把土壤称为“土壤水库”。“土壤水库”的大小可用库容量来表示，它指整个土壤剖面的孔隙之和，各种土壤的库容量与土壤质地、孔隙性等土壤特性有关8。一般地，土壤质地由粘变砂，土壤孔隙度减少，土壤库容量也就减少。而土壤水库的有效库容是指具有调蓄功能的那一部分库容。例如第四纪红土发育不同熟化程度耕作土壤，1 m土壤中总贮水量平均为413 mm，总有效水量为215 mm9。如果有效库容按总库容50计算10，则湖南省“土壤水库”有效库容为5.4681010 m3（表1），是湖南省工程水库防洪库容（38.1108 m3）的14.4倍。 正因为土壤水库库容量大，“土壤水库”具有调蓄雨水的能力。如土壤体积质量以1.35 t/m3和含水量以20%计算，则1 m3 土壤可蓄水0.27 m3。那么在1 km2面积内1 m厚的土层可蓄水2.7104 m3。据研究，在蓄满产流情况下（土壤饱和持水率按50%计），当降水量小于300 mm时，0.51.0 m厚土层可全部蓄水于土，而不产生径流；当土层减至0.25 m，降水量为200 mm时，即产生径流11。2.2 森林植被及其对降雨产流等的调节作用 森林植被是陆地生态平衡的核心，在涵养水分、保持水土、改善生态环境等方面起主导作用，和土壤一起构成庞大的天然水库。据测算，每公顷幼龄人工林的蓄水量约为1500 m3，中龄人工林为4500 m3，天然次生阔叶林则高达8400 m33。湖南省现有林地9.333106 hm2，森林覆盖率达52.08%，近、过熟林面积占林业面积的10.4，中幼林面积占林业总面积的87.6，森林涵养水分约322.9108 m3。表1 湖南省“土壤水库”有效库容量土壤类型土壤面积/万hm2占全省面积比例/%平均厚度/cm孔隙度/蓄水量/亿m3有效库容/亿m3红壤853.640.312052.3535.8267.9黄壤372.717.69059.5199.699.8山地黄棕壤61.52.917566.130.515.23草甸土石灰土115.35.449045.246.923.45紫色土131.96.226548.741.720.9潮土48.12.271504834.617.3水稻土399.718.879056.8204.4102.2合计1982.893.611093.5546.8 森林是由乔木、灌木、草本、枯枝落叶层及庞大的根系构成的多层立体结构。实验证明，森林可截流雨水、有效减少地表径流和土壤冲刷。林冠能够截流雨水1030，林下灌木草本和枯枝落叶层能截流降水量的2030，林地的枯枝落叶层可吸收自身重的24倍水分12。因此，森林具有巨大的蓄水能力。一般地，有林地蓄水量为荒山的36倍。同时，森林具有巨大的蓄水保土截留作用，使径流明显减少。当降雨强度为每小时48 mm时，一般裸地地表径流为44.61 m3/hm2，冲刷量为1387 t/km2，而有林地分别为18.68 m3/hm2和212 t/km212。 与此同时，森林植被影响雨水下渗，也间接影响地表和地下径流。下渗是指水向土壤中的运动，当供水充分时，这个过程将受地表入渗、土层输水和土壤起始含水量的影响。森林通过这些因素的综合作用间接影响入渗。首先，森林深而密的根系和枯枝落叶层的腐殖质有利于土壤团粒结构的形成，使土层变得疏松，孔隙度增加；林冠和枯枝落叶层能有效减少雨滴对土粒的击溅，保护了大孔隙的畅通，从而有利于下渗。其次，植被和枯枝落叶层地表粗糙，截留雨水，减慢了坡地漫流，增加了雨水的停留时间，有利于下渗。2.3 “土壤水库”和森林植被功能衰退，对水资源的调蓄作用滞后 土壤和森林水库一起构成庞大的自然水库，其对水资源的调蓄作用与工程水库（又叫人工水库）相比，主要是通过对水的截流、影响水的入渗、影响地下径流、影响地下水及其影响地表蒸发等多种方式来调节水资源的再分布。湖南省水库的有效库容达到 869.7108 m3 ，是湖南省工程水库防洪库容的22.8倍。也就是说，土壤和森林在洪水期可以削减地表径流869.7108 m3，而枯水期则可提供869.7108m3 的水量，放大了工程水库的防洪抗旱的能力。 但是，由于利用不当等多种因素的影响，湖南省的“土壤水库”库容损失严重。目前，湖南省水土流失面积为4.7104 km2，占全省总面积的22.1，平均侵蚀模数为3811.8 t/(km2a)，年侵蚀量为1.79108 t。也就是说，在全省水土流失区相当于每年剥削2.8 mm的土层，每10 a就流失2.8 cm的土层。据研究，每5 cm中度侵蚀流失区的土层可吸持7.8 mm的雨水量7。则每2.8 cm的土层可吸持437 mm的雨水。也就是说，湖南省4.7104 km2的流失区，每10 a所剥蚀掉的2.8 cm的土层就减少了2.05108 m3的蓄水能力，相当于湖南省“工程水库”防洪总库容38.1108 m3的5.38。以此推算1951年至1999年间，湖南省因水土流失而损失的“土壤水库”库容总量为10108 m3，相当于全省防洪库容的26.3。 与此同时，由于近熟林、过熟林面积急剧减小，而中幼林涵养水分能力较低，且人工林面积比重不断增加（有林地中人工林占75以上），进行营运造成水土流失，人工林涵水保土能力较低等多方面的影响，使得湖南省的森林植被涵养水分能力急剧减少。与1957年（林业用地面积1396.7万hm2、森林蓄积量为58.05 m3/hm2）相比较，其涵养水分的能力降低了约127108 m3，从而滞后了土壤水库和森林植被对水资源的调节作用。3 合理利用“土壤水库”和森林植被的措施和设想3.1 建立完善的水保体系，尽快恢复“土壤水库”和森林植被功能 湖南现有水土流失面积4.7104 km2，全省年侵蚀量1.7108 t。因此，封山育林，退耕还林还草势在必行。在湘、资、沅、澧四水流域中上游地区应实施天然林保护及缓坡梯田改造，陡坡耕地退耕还林还草。而且在调整现有林种结构的基础上一定要考虑植树之后如何增加土壤的覆盖，提高土壤质量，疏通进入土壤水库的通道。在植树造林中应充分考虑乔、灌、草结合，营造以经济果林和薪炭林为主的水土保持林。达到尽快恢复土壤水库、森林植被调节水资源功能的目的。3.2 合理利用土壤水库和森林植被，发挥防洪抗旱减灾的整体功能 湖南省近数十年因森林减少、土层薄层化和泥沙淤积而损失的有效库容约137108 m3。如果建立完善的水保植被体系，拦沙冲淤，那么，在丰水期，在降雨量大致相近的条件下，地表径流量减少，江湖洪水位降低，减少了自然态洪水的能量，进而削弱了洪涝致灾能力。枯水期，在完善的水保区内土层含水量增加，在自然态干旱相似的条件下，缩短了干旱时间，减少了受旱面积，则缩小了干旱致灾能力。因此，随着水土保持的不断完善和发展，土壤侵蚀的影响日益减少，山洪、干旱、洪涝致灾因子的致灾能力日益减少。从而，土壤水库、森林植被与工程水库一道，发挥防洪抗减灾的整体功能。3.3 合理调用后的远景分析 根据湖南省的森林规划，至2010年，全省森林面积将达0.11108 hm2，森林覆盖率将由目前的52.08达到55，则可以增加保持水土和抗御灾害的能力，在蓄水保土的基础上，将取得显著的经济、生态环境和社会效益。第一，可以蓄水、保土、减蚀。经计算，至2010年规划实施后，每年可增加蓄水量33.13108 m3，保土减蚀8071104 t, 相当于建造33座1000104 m3的中型水库。第二，可以削减洪峰，减少自然灾害。根据湘江武水井头江站以上流域（面积165 km2）森林植被破坏前后及治理前后对比分析，规划实施后，一次暴雨可减少洪量12%15左右，削减洪峰18%22, 可使治理后的小流域防洪标准从由35 a一遇提高到1520 a一遇。同时随着规划的实施，草地植被和坡面蓄水保土工程措施增加，暴雨就地入渗及植被吸收、吸持作用增强。暴雨洪峰流量得以削减。山丘山洪、泥石流爆发的机率减少，暴雨成灾率得以降低，且可增强抗干旱能力。与此同时，随着水土流失减轻，进入溪、河、塘、坝、水库的泥沙大量减少，淤塞的河床将刷深下切，塘、库拦蓄调节洪水能力和河道行洪能力提高，抗御洪水能力进一步加强，可大大减轻洞庭湖及“湘、资、沅、澧四水”的抗洪压力。第三，合理利用土壤水库和森林植被，可基本达到抗旱的目的。合理利用土壤水库和森林植被， 每年可增加蓄水量33.13108 m3，那么也就说，丰水期时，可多削减洪峰流量33.13108 m3；枯水期时，相当于多蓄水33.13108 m3，如按每公顷11085 m3的需水量计算，则可增加旱涝保收面积约3105 hm2, 而1997年湖南易旱面积为1.6105 hm2，易涝面积为1.3106 hm2，所以基本达到抗旱的目的。参考文献：1 朱翔. 洞庭湖水灾机和减灾分析J. 自然灾