摘"要：森林蒸散、土壤水分運移和土壤含水量動態(tài)變化等主要水文過程是森林生態(tài)系統(tǒng)水文循環(huán)的重要組成部分，對評價森林生態(tài)系統(tǒng)耗水、水土保持和水源涵養(yǎng)能力等有重要意義。筆者總結目前森林生態(tài)系統(tǒng)主要水文過程的研究進展，主要包括森林蒸散過程（林冠截留、林分蒸騰和林下蒸散）、土壤水分運移過程（土壤入滲、產(chǎn)流）和土壤含水量動態(tài)3個方面，同時對今后森林水文過程研究提出建議。

關鍵詞：森林蒸散; 土壤入滲; 產(chǎn)流; 土壤含水量

中圖分類號：S718.5 """""""文獻標識碼：A"""""文章編號：1002-204X（2023）08-0015-05

doi：10.3969/j.issn.1002-204x.2023.08.005

Research Progress on Main Hydrological Processes in Forest Ecosystems

Han Hong

（Xixia State-Owned Forest Farm， Guyuan， Ningxia 756400）

Abstract"The main hydrological processes in forest ecosystems， including forest evapotranspiration， soil water movement， and dynamic changes in soil moisture， are important components of the hydrological cycle in forest ecosystems. They play a significant role in evaluating water consumption， soil and water conservation， and water conservation capacity of forest ecosystems. This paper summarizes the research progress on the main hydrological processes in forest ecosystems， mainly including forest evapotranspiration processes （canopy interception， transpiration of the forest stand， and understory evaporation）， soil water movement processes （soil infiltration， runoff）， and dynamic changes in soil moisture. It also provides prospects for future research on forest hydrological processes.

Key words"Forest evapotranspiration; Soil infiltration; Runoff; Soil moisture

森林蒸散、土壤水分運移和土壤含水量動態(tài)變化是森林生態(tài)系統(tǒng)主要的水文過程。森林蒸散是森林水量平衡的主要分量^[1]，明確森林蒸散特征及其對環(huán)境和植被結構的響應對深入理解變化環(huán)境下森林植被耗水有重要意義;土壤入滲和產(chǎn)流等土壤水分運移的分布格局是決定土壤水循環(huán)的關鍵因子，也是評價林地水源涵養(yǎng)和水土保持能力的關鍵指標^[2];土壤含水量變化影響森林植被生長和分布，是森林水文循環(huán)的重要部分。因此，筆者在梳理國內(nèi)外已有研究的基礎上，重點綜述森林蒸散、土壤水分運移和土壤含水量動態(tài)等主要水文過程的研究進展，并展望未來應重點關注的研究內(nèi)容。

1 森林蒸散過程

1.1 林冠截留

林冠截留是一個復雜、動態(tài)的變化過程，受多種因素影響^[3]。目前，國內(nèi)外學者針對這一過程已開展大量研究，涉及不同森林類型降雨截留特征、林冠截留影響因素及林冠截留模型構建與完善等。

受樹木特征、林分結構及環(huán)境條件影響，不同氣候區(qū)和森林類型林冠截留存在較大差異^[3-5]。針葉林的林冠截留率一般大于闊葉林，針葉林林冠截留率變化范圍為14.5%～50.0%，而闊葉林的林冠截留率變化范圍為11.2%～26.17%^[6]。

氣象條件（如降雨量和降雨強度、降雨歷時、風速）和林冠結構（郁閉度、葉面積指數(shù)等）是影響林冠截留的主要因素。降雨量和降雨強度是林冠截留形成的基本條件，因而對林冠截留有重要影響^[7]。林冠截留效應在降雨量級和降雨強度較小時表現(xiàn)的尤為明顯，但隨著降雨量增加林冠截留率逐漸減少并最終趨于平穩(wěn)^[8-9]。降雨歷時也是決定林冠截留大小的關鍵因素^[8]。在降雨量較大的情況下，降雨歷時長可使林冠貯水量更多地滴落成穿透雨，間接降低林冠截留率^[9]。林分郁閉度是影響林冠截留的重要結構指標，林冠截留率隨林分郁閉度增加逐漸增大^[10]。風可增加林冠蒸發(fā)，降低林冠貯水能力，從而對林冠截留產(chǎn)生影響^[11-12]，但也有研究學者認為，風對林冠截留影響較小，如STAELENS J等^[13]研究發(fā)現(xiàn)，風對歐洲山毛櫸林（Fagus sylvatica）林冠截留無明顯影響。因此，風對林冠截留的影響可能依樹木本身的特性和局部地形而異。

林冠截留模型是估算和預測林冠截留的有效工具，構建和優(yōu)化林冠截留模型一直是森林生態(tài)水文研究的熱點^[14]。目前，國內(nèi)外學者已建立了諸多林冠截留模型，包括經(jīng)驗模型（如線性函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、指數(shù)函數(shù)等）、半經(jīng)驗半理論模型（如Rutter模型、Gash模型和Calder模型等）和理論模型等^[15]，但由于不同模型側重點不同，在應用上也有差異。MUZYLO A等^[16]對目前主流的15種林冠截留模型分析發(fā)現(xiàn)，Gash模型在林冠截留模擬中的應用最為廣泛，56.6%的研究使用了原始或者修正的Gash模型。近幾年，Gash模型在中國不同森林類型的林冠截留模擬研究中已得到廣泛應用，并有較好模擬精度^[17-18]。目前，盡管模型經(jīng)不斷檢驗和優(yōu)化已能較真實地反映林冠截留特征，但仍有許多需要改進的地方，如目前多數(shù)模型只考慮降雨期間的氣象因素和林冠結構等參數(shù)，未考慮植被生長過程中冠層結構的動態(tài)變化^[19]，因此，今后還需對林冠截留模型結構做不斷完善。

1.2 林分蒸騰

林分蒸騰是林地蒸散和水量平衡的重要組分，精確測量和評估林分蒸騰，掌握其變化規(guī)律及內(nèi)在機理是深入理解森林生態(tài)水文效應與進行林水精細化管理的基礎。在林分蒸騰研究中，熱平衡法^[20]、熱脈沖法^[21]、熱擴散法^[22]等均是評估林分蒸騰的有效方法，且對樹木的損傷少。目前，有關林分蒸騰的研究主要集中在單株—林分蒸騰尺度轉(zhuǎn)換、林分蒸騰與生物和環(huán)境條件關系等方面。

單株—林分蒸騰尺度轉(zhuǎn)換的可靠性直接影響對森林耗水的準確評價及林水綜合管理的決策。在以往研究中，研究學者主要以邊材面積或胸徑為唯一標量進行單株—林分蒸騰的尺度轉(zhuǎn)換^[23-24]，但樹木個體間有很大的形態(tài)差異。另外，樹冠重疊度、樹冠相對位置等不同，導致樹木個體接受的光照迥異，均會影響其蒸騰速率，而常用的基于邊材面積尺度上推結果，由于未考慮單株蒸騰的個體差異，將可能導致林分蒸騰估算有較大誤差^[25]。近年來，研究學者也嘗試改進單株—林分蒸騰尺度轉(zhuǎn)換，如李振華等^[25]基于優(yōu)勢度（相對樹高）與樹干液流速率的關系尺度上推得到的林分樹干液流速率值較常用方法低16%，該方法在一些密度較大、樹木個體存在光競爭的林分將有較高評估精度。林齡對樹木蒸騰也有重要影響。一般樹木在幼齡林階段生長快，耗水量也大，而到了成熟林階段，樹木生長出現(xiàn)下降，甚至出現(xiàn)冠層萎縮、枯立木增加等現(xiàn)象，蒸騰明顯降低^[26-27]。如ZALESNY J R R S等^[28]研究表明，在速生楊樹林幼齡階段，林分蒸騰隨樹木生長增大而快速增加，到成熟林后明顯減少。

林分蒸騰變化除受樹木生物學結構影響外，還受周圍生境環(huán)境條件制約。在短時間尺度（如日內(nèi)、日等）上，黃德衛(wèi)等^[29]發(fā)現(xiàn)，鼎湖山針闊葉混交林優(yōu)勢種樹干液流與環(huán)境因子關系有明顯的季節(jié)變化，濕季以光合有效輻射為主導因子，干季以氣溫為主導因子。楊芝歌等^[30]發(fā)現(xiàn)，太陽輻射對北京山區(qū)典型樹種樹干液流速率的影響最大。池波等^[31]研究發(fā)現(xiàn)，飽和水汽壓差對樹干液流速率的影響最大，其次為大氣溫度、太陽輻射和相對濕度。KIM D等^[32]指出風速也是影響樹干液流速率變化不可忽視的因素。另外，在極端干旱區(qū)土壤水分和地下水位變化對樹干液流及蒸騰的影響較大。如趙良菊等^[33]發(fā)現(xiàn)，黑河下游荒漠河岸林植被耗水主要依賴地下水和土壤水。在長時間尺度（如年際等）上，ZEPPEL M J B等^[34]發(fā)現(xiàn)年蒸騰量與年降雨量存在線性正相關。LLORENS P等^[35]發(fā)現(xiàn)，降雨是造成地中海山區(qū)蘇格蘭松（Pinus sylvestris）蒸騰年際變化的主要因素，莫康樂等^[27]在有關楊樹（Populus euramericana"cv.“74 / 76”）人工林蒸騰耗水的研究中也得到了同樣結論。

1.3 林下蒸散

林下蒸散通常包括草本蒸騰、枯落物蒸發(fā)和土壤蒸發(fā)等，占森林總蒸散的8%～65%，在旱區(qū)森林林下蒸散可達50%以上^[36]，因而是森林蒸散不可忽略的組分。但目前有關林下蒸散的研究還不多見，且主要集中在林下蒸散的環(huán)境影響機制方面。林下蒸散主要受氣象條件、土壤水分和溫度、枯落物覆蓋和植被結構的影響。LIU Z B等^[36]研究揭示了氣象條件、土壤含水量和葉面積指數(shù)對華北落葉松林下蒸散的影響;MAGLIANO P N等^[37]比較了枯落物覆蓋和林冠層遮蔭對土壤蒸發(fā)的抑制作用;FETZER T等^[38]揭示了土壤溫度對土壤蒸發(fā)有重要影響。但這些因子仍只能解釋林下蒸散的部分變化，未來還需詳細劃分林下蒸散組分并考慮主要因素影響，以充分理解林下蒸散的環(huán)境影響機理。

2 森林土壤水分運移過程

2.1 土壤入滲

土壤入滲性能是評價森林植被保持水土和水源涵養(yǎng)的重要指標。目前，用來反映土壤入滲性能的指標主要包括初滲率、平均滲透速率、穩(wěn)滲率以及飽和導水率等^[39]。研究者針對不同地區(qū)和森林類型土壤入滲性能開展了大量研究，得到中國各種森林土壤的平均初滲率為14.41 mm/min，平均穩(wěn)滲率為9.20 mm/min^[40]。

影響土壤入滲的因素有很多，如土壤結構、土壤質(zhì)地以及土壤有機質(zhì)等。土壤結構是影響土壤水分狀況的最重要因素，土壤機械組成以及水穩(wěn)性團粒含量對土壤滲透勢、持水能力有直接影響^[41]。而有關土壤有機質(zhì)對土壤入滲的影響國外也有大量報道，如STROOSNIJDER L^[42]認為有機物含量降低會減少土壤中的大孔隙量，導致穩(wěn)滲率變小;SAVADOGO P等^[43]認為土壤板結導致有機物含量降低減弱了土壤集聚有機團粒的能力，從而使土壤入滲降低。

土壤入滲是一個復雜的過程，研究者基于土壤水分運動機制和過程建立了大量土壤入滲模型，包括理論、半經(jīng)驗半理論模型以及經(jīng)驗模型等，其中應用較廣泛的模型有Philip入滲模型、Horton入滲模型、Kostiakov入滲模型、Smith-Parlange降雨入滲模型和Green-Ampt干土積水入滲模型等^[44]。這些模型目前僅能描述土壤入滲速率隨時間變化，且多為單點入滲，還不能很好地定量分析土壤入滲的時空變異規(guī)律^[45]。在今后研究中，應更多探索非均質(zhì)土壤入滲模型。另外，還需解決如何將單點入滲模型擴展到更大尺度等問題。

2.2 林地產(chǎn)流

在森林坡面上的地表徑流較少，因而壤中流和深層滲漏是林地產(chǎn)流的主要組分。深層滲漏量一般很難實測，多通過水量平衡方程計算，故而壤中流受到更多關注。壤中流主要受雨量、坡度、土壤結構和前期土壤含水量等多種因素影響^[46-47]，但很少被同時考慮，且壤中流多通過現(xiàn)有模型或室內(nèi)控制試驗模擬得到，如王榮嘉等^[48]基于人工模擬降雨系統(tǒng)和試驗鋼槽模擬比較了麻櫟林和荒草地壤中流變化特征;LIAO等^[49]應用HYDRUS-2D模型模擬了茶園和竹林地壤中流對降雨特征、土地利用和土壤質(zhì)地的響應。由于野外條件下壤中流多受土壤、地形和植被等多因素綜合影響，需在厘清單因素對壤中流影響的前提下，更多關注多因素綜合影響機制及其耦合關系，以確保模型模擬結果或室內(nèi)實驗接近于野外真實值。

3 森林土壤含水量動態(tài)

在土壤水文過程研究中，確定和預測土壤含水量的時空動態(tài)是一個熱點話題。目前，有關土壤水分空間異質(zhì)性和時間穩(wěn)定性的研究有大量研究成果。

受土壤、地形和植被等環(huán)境因素的影響，土壤含水量在空間上有明顯的空間異質(zhì)性。如王少昆等^[50]采用地統(tǒng)計學方法研究了科爾沁沙地小葉錦雞兒灌叢下土壤含水量對降雨響應的時空變化規(guī)律，認為表層（0～20 cm土層）土壤含水量的空間依賴性小于亞表層（20～40 cm土層）。左小安等^[51]研究表明，一定強度的降雨在短期內(nèi)能削弱處于干旱沙質(zhì)草場表層土壤含水量的空間變異性，使其破碎化程度、空間變異性減弱。

土壤含水量動態(tài)變化受多種因素共同影響，包括土壤屬性、地形因子、植被和氣候4個方面，且同一影響因素在不同研究區(qū)、林分的作用不同，土壤含水量的影響因素具有明顯的時間和尺度依賴性^[52]。由于土壤含水量有強烈的時空變異性，根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計理論掌握土壤含水量信息需收集大量的樣品，研究者通過土壤含水量時間穩(wěn)定性原理來尋找一個或多個代表性測點來精確預測研究區(qū)（或坡面）的平均土壤含水量。目前，研究土壤含水量時間穩(wěn)定性的方法主要包括Spearman秩相關系數(shù)法、相對差分方法和累計概率函數(shù)3種^[52]，其中Spearman秩相關系數(shù)和相對差分法被更加廣泛地用于土壤含水量時間穩(wěn)定性研究^[53-54]。近年來，有關土壤含水量時間穩(wěn)定性的研究涉及到不同的空間尺度^[55]、測量周期^[56]、植被類型^[57]、氣候區(qū)^[58]以及土層深度^[59]等方面。這些工作的開展為相關研究制定合適的采樣方案提供了有力支持。

4 森林生態(tài)系統(tǒng)主要水文過程研究展望

森林水文過程是森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)的關鍵過程，開展相關研究將有助于加深理解森林生態(tài)系統(tǒng)水循環(huán)動態(tài)和森林植被與水分的關系，可為旱區(qū)林水綜合管理提供科學依據(jù)和理論基礎。隨著對森林水文過程機制認識的不斷深入，今后應著重以下方面研究：①在森林蒸散方面，應從森林生態(tài)系統(tǒng)結構（喬木層、灌木層、草本層、枯落物層和根系層）的角度區(qū)分和量化蒸散組分（截留、蒸騰和蒸發(fā)），并探索各層蒸散組分對環(huán)境和植被分層結構變化的影響;②在森林土壤水分運移方面，應進一步考慮土壤、地形、植被、環(huán)境等多因素對林地入滲和產(chǎn)流的綜合影響及其數(shù)量關系，加深對森林土壤水分運移機制的理解;③在土壤含水量動態(tài)變化方面，除考慮立地環(huán)境影響外，還應進一步考慮坡面水分輸入和輸出對土壤含水量再分配的影響。

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責任編輯：李曉瑞