森林，最具價值的生態服務之一就是通過復雜的森林水文過程存儲、釋放和凈化水，“無償”為人類提供穩定的清潔水源。關于林水關系，主流觀點認為，“森林增加會引起徑流減少，森林減少則造成徑流增加”。但在電子科技大學資源與環境學院教授張明芳看來，二者關系遠非這么簡單。
近日，受《科學》雜志邀請，張明芳與加拿大英屬哥倫比亞大學流域生態首席教授魏曉華聯合發表觀點性文章。他們提出，要全面、系統、客觀地評估森林變化對水生態服務的影響，制定適應性森林經營措施，權衡協同多項水生態服務，這對變化環境下的全球流域森林和水資源適應性管理具有重要指導意義。相關成果發表于《科學》。
復雜的林水關系
全球森林正在面臨巨大變化。
根據聯合國糧農組織全球森林資源評估報告，全球森林面積自1990年以來總體呈下降趨勢。近年來，在巴西亞馬孫、澳大利亞、美國西部等地發生的大規模災難性森林火災，以及北美西部地區大范圍森林天牛蟲害，對區域森林生態系統造成了極大破壞。而在中國，受益于持續的人工造林和天然林保護工程，2015年全國森林面積較1990年增加了32.5%，中國成為全球森林資源增加的主要貢獻國。
“鑒于森林生態系統在整個水循環中的重要作用，大規模的森林變化對其水資源供給服務的潛在影響引起了廣泛擔憂和爭論。”論文第一作者兼通訊作者張明芳告訴《中國科學報》。
事實上，森林變化與水的關系一直是森林水文學領域的焦點問題。不同尺度流域森林變化可能造成的水文影響及其機制，仍存在諸多爭議。因此，全面系統揭示這一問題，統一對林水關系一致性和復雜性的認識，指出未來森林水文研究方向和藍圖，對于森林水文學發展，以及變化環境下的資源適應性管理十分必要。
魏曉華表示，過去研究表明，森林與水的關系的確存在一致性，但主要集中在較長時間尺度的年徑流量以及小流域尺度。同時，絕大多數配對流域實驗研究表明，采伐森林會增加年徑流量，在荒地上造林會減少年徑流量。而在較短時間內的洪峰徑流與枯水流量對森林變化的響應，則呈現較大的復雜性和難預估性。
“配對流域實驗是定量森林變化水文響應的經典方法。”張明芳說，但該方法僅適用于小流域，且無法有效評估森林、氣候、水和流域特點之間的相互作用和反饋機制。此外，即便近年來大流域研究發展出多種手段，但其僅能評價森林和氣候對水文的獨立影響，不能對二者交互影響和反饋機制進行研究。
張明芳表示，從生態系統觀點看，森林不僅影響水文，也通過改變水文情勢影響水生生態系統結構和功能。
2015年，其團隊曾對加拿大內陸貝克溪和柳樹河兩大流域進行了研究，系統評估了森林變化對徑流情勢的影響。結果表明，森林干擾顯著改變了兩大流域的徑流情勢。徑流情勢的改變一方面加劇流域洪水風險，威脅下游城市公共安全；另一方面對水生生物的生境和水生生態系統功能產生潛在負面影響，甚至造成重大生態災難。
“林水關系研究和管理中要注重水文功能整體性和系統性，徑流的五大特征參數（徑流量、出現時間、持續時間、頻率、變異率）表征了水文功能的整體性，同時也對水生生態系統功能起決定性作用。”張明芳說。
為評估設計系統框架
基于包括上述研究在內的一系列研究成果，在該文章中，張明芳全面分析了不同尺度流域森林變化對年徑流、枯水徑流及其時空變異性的影響因素，提出了未來研究森林—水復雜關系的系統框架設計。
按照系統框架設計，在未來森林水文研究中，應選取徑流的五大特征參數表征水文功能的整體性；在確定林水關系影響因素時，充分考慮氣候、流域特點、森林以及三者的交互和反饋作用；在流域水文過程方面，結合地表水和地下水過程進行關鍵帶水流路徑、流域儲水和持水的研究。
在研究手段方面，融合傳統定位觀測、同位素示蹤、智能遙測、模型模擬等多種技術手段；在研究尺度方面，基于長期地面觀測和遙感監測數據，采用機器學習、氣候—生態—水文耦合模型等方法，深入探究大空間尺度上的森林、氣候與水的作用與反饋機制。
“未來的流域管理也應遵循上述系統性框架設計。例如評估森林水生態服務與其他生態系統服務的權衡和協同效用時，應考慮多個代表性水文變量表征森林水生態服務的整體效應。”張明芳說。
強化適應性管理
魏曉華指出，研究森林與水的關系對造林或采伐規劃、流域水資源管理、河流生物多樣性及生境保護等，都有十分重要的意義。
研究人員坦承，研究中關注的水文變量多為年徑流量、洪峰流量、枯水流量等變量，對徑流情勢的完整性，包括徑流量、頻率、變異率、出現時間、持續時間則研究不足。而徑流的這些特征參數共同決定了徑流情勢、水生生態系統功能以及水資源供給等生態服務。
“有限的水文變量不足以反映森林水文整體功能。”張明芳說。過去評估中通常只考慮有限的水文變量，例如年徑流量，這種做法可能造成對水文整體功能改變的低估或誤判。未來要提高流域管理工具設計的系統性，并考慮整體效應。
她表示，“下一步，我們依托電子科技大學在電子信息技術方面的學科優勢，開展森林生態水文大數據挖掘、分析與建模，深入探究多個空間尺度上的氣候和流域特征對林水關系的作用與反饋機制。同時，開發設計森林生態水文智能遙測網絡與硬件設備，提高觀測數據采集效率，降低長期、大范圍觀測研究成本。”（韓揚眉）
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