森林与水并非“此消彼长”！

科研人员提出全面系统评估框架，开展流域林水适应性管理

森林作为天然的水库和过滤器，其最具价值的生态服务之一就是通过复杂的森林水文过程存储、释放和净化水，“无偿”为人类提供稳定的和可预测的清洁水源。

关于林水关系，主流观点认为，“森林增加会引起径流减少，而森林减少则造成径流增加”。但在电子科技大学资源与环境学院教授张明芳看来，两者关系远非这么简单。

近日，受《科学》杂志邀请，张明芳与加拿大英属哥伦比亚大学流域生态首席教授魏晓华联合发表观点性文章。他们提出，要全面系统客观地评估森林变化对水生态服务的影响，制定适应性森林经营措施权衡协同多项水生态服务，对变化环境下的全球流域森林和水资源适应性管理具有重要指导意义。相关成果于近日发表于《科学》杂志。

“复杂”的林水关系

全球森林正在面临巨大变化。

根据联合国粮农组织全球森林资源评估报告，全球森林面积自1990年总体呈下降趋势。其中2015年全球天然林面积（以热带森林为主）较1990年减少了6.1%，人工林面积（以温带森林为主）则增加了65.5%。

近年来，在巴西亚马逊、澳大利亚、美国西部等地区发生的大规模灾难性森林火灾，以及北美西部地区大范围天牛虫森林虫害，对区域森林生态系统造成了极大的破坏。而在中国，受益于持续的人工造林和天然林保护工程，2015年全国森林面积（2.08亿公顷）较1990年（1.57亿公顷）提高了32.5%，中国成为全球森林资源增加的主要贡献国。

“鉴于森林生态系统在整个水循环中的重要作用，大规模的森林变化对森林生态系统的水资源供给服务的潜在影响引起了广泛的担忧和争论。”论文第一作者兼通讯作者张明芳告诉《中国科学报》。

事实上，森林变化与水的关系一直是森林水文学领域的焦点问题，对于不同尺度流域森林变化可能造成的水文影响及其影响机制仍存在诸多争议。

在张明芳看来，受气候，以及包括地形地貌、土壤、地质、植被等在内的流域特征和森林经营管理的影响，流域对森林变化的水文响应存在高度变异。至今尚不清楚这些因素如何在不同时空上影响林-水关系。

因此，全面系统揭示不同尺度流域森林变化可能造成的水文影响及其影响机制，统一对林-水关系的一致性和复杂性的认识，指出未来森林水文研究方向和蓝图，对于森林水文学的发展和变化环境下的流域森林资源和水资源适应性管理十分必要。

整体系统评估林水关系

魏晓华表示，我们过去的研究表明，“森林与水”的关系的确存在一致性，但主要集中在较长时间尺度的年径流量，以及小流域尺度。

同时，绝大多数的配对流域实验研究表明，采伐森林就会增加年径流量，在荒地上造林就会减少年径流量。而在较短时间内的洪峰径流与枯水流量对森林变化的响应则呈现较大的复杂性和难预估性。

配对流域实验相当于一种“对照试验”，通过邻近流域配对剔除气候对水文的影响，以便定量森林变化的水文响应。

“配对流域实验是定量森林变化的水文响应的经典方法。”张明芳说，但该方法的设计仅适用于小流域，且无法有效地评估森林、气候、水和流域特点之间的相互作用和反馈机制。

随着越来越多大流域的研究，森林变化对水文响应变异问题的复杂性更加突出。近年来不断发展了生态水文模型、水文图形法、敏感性分析等方法成为大流域研究的重要手段。但受各方法设计的限制，仅能够评价森林和气候对水文的独立影响，缺乏对二者交互影响和反馈机制的研究。

张明芳表示，从生态系统观点看，森林不仅影响水文，也通过改变水文情势影响水生生态系统结构和功能。

2015年，张明芳研究团队曾对加拿大内陆贝克溪和柳树河两大流域进行了研究，基于长期水文观测数据，选取径流量、出现时间、持续时间、频率、变异率这五大径流特征参数表征径流情势，系统评估了森林变化对径流情势的影响。

研究表明，森林干扰显著改变了两个流域的径流情势。径流情势的改变一方面加剧了流域洪水风险，威胁下游城市公共安全；另一方面也对水生生物的生境和水生生态系统功能产生潜在负面影响，甚至造成重大生态灾难。

“林水关系研究和管理中要注重水文功能整体性和系统性，径流的五大特征参数表征了水文功能的整体性，同时也对水生生态系统功能起决定性作用。”张明芳说。

为评估设计系统框架

基于包括上述研究在内的一系列研究成果，在该文章中，张明芳全面分析了不同尺度流域森林变化对年径流和枯水径流的影响及其时空变异性的影响因素，提出了未来研究森林-水的复杂关系的系统框架设计。

按照系统框架设计，在未来森林水文研究中，应选取径流的五大特征参数表征水文功能的整体性；在确定林水关系影响因素时，充分考虑气候、流域特点、森林以及三者的交互和反馈作用；在流域水文过程方面，结合地表水和地下水过程进行关键带水流路径、流域储水和持水的研究。

在研究手段方面，融合传统定位观测、同位素示踪、智能遥测、模型模拟等多种技术手段；在研究尺度方面，基于长期地面观测和遥感监测数据，采用机器学习、气候-生态-水文耦合模型等方法深入探究大空间尺度上的森林、气候与水的作用与反馈机制。

“未来的流域管理，也应遵循上述系统性框架设计。例如评估森林水生态服务与其他生态系统服务的权衡和协同效用以生态服务补偿时，应考虑多个代表性水文变量表征森林水生态服务的整体效应。”张明芳说。

强化适应性管理

魏晓华指出，研究森林与水的关系对造林或采伐规划、流域水资源管理、河流生物多样性及生境保护都有十分重要的作用。

研究人员坦承，研究中关注的水文变量多为年径流量、洪峰流量、枯水流量等变量，对径流情势的完整性，包括流量、频率、变异率、出现时间、持续时间研究不足。而径流的这些特征参数共同决定了径流情势、水生生态系统功能以及水资源供给等生态服务。

“有限的水文变量不足以反映森林水文整体功能。”张明芳说。过去的评估中通常只考虑有限的水文变量，例如年径流量，这种做法可能造成对水文整体功能改变的低估或者误判。

她提出，在未来变化的环境下，要开展流域适应性管理，提高生态服务补偿等流域管理工具设计的系统性，在评估森林水生态服务与其他生态系统服务的权衡和协同效时，应考虑多个代表性水文变量表征森林水生态服务的整体效应。

这将有助于全面系统地、客观地评估森林变化对水生态服务的影响，制定适应性森林资源经营措施权衡和协同多项生态服务，对变化环境下流域森林和水资源适应性管理和生态环境保护具有重要指导意义。

“下一步，我们依托电子科技大学在电子信息技术方面的学科优势，开展森林生态水文大数据挖掘、分析与建模，深入探究多个空间尺度上的气候和流域特征对林水关系的作用与反馈机制。同时，开发设计森林生态水文智能遥测网络与硬件设备，提高观测数据采集效率，降低长期、大范围观测研究成本。”张明芳说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.abe7821

https://doi.org/10.1002/eco.1687

张明芳

学生在进行野外实验

学生在进行野外实验观测。图片来源：电子科技大学新闻中心 电子科技大学资环学院 邝俊