森林生态水文学是生态水文学科独具特色也是发展历史比较长、相对成熟的一个分支，是森林生态学、水文学、景观生态学等的多学科交叉领域。它对我国生态文明建设和现代林业发展具有独特的理论指导价值和技术支撑作用，是需要重点关注和加快发展的热点领域。其突出特征是在考虑气候、地形、土壤、植被综合影响的背景下研究森林的空间格局和结构动态与水资源水环境的相互作用及生态过程与水文过程的多时空尺度耦合机制。

关键科学问题

森林生态水文学的突出特点是研究森林与水的复杂相互作用关系。一方面，水的数量和质量及其时空分布在很大程度上决定着森林的种类、数量、质量空间分布等特征；另一方面，森林上述特征又不同程度地影响着各时空尺度上的水文循环和水质特性，从而产生森林水文影响。要合理指导林水综合管理，就需要从多部门、多尺度、多专业、多过程、多指标的角度全面深入理解林水相互关系，加强能把时空动态、生态格局、系统结构、水文过程、过程耦合等有机关联起来的机理性研究。然而，由于历史原因及学科发展阶段性，森林生态水文学科的内容发展还非常不均衡，国内外很多学者关注和研究的关键科学问题如图所示。

图　森林生态水文未来研究的关键科学问题

①水分等环境驱动下的森林空间格局和系统结构动态；②森林水文影响的时空差异与作用机理和尺度效应；③森林群落内外环境差异的影响；④森林生态过程与水文过程的耦合

详细描述水文过程（及其他环境条件）对生态过程的影响，除了基于明确的物理机制描述水量传输、水量转化、产流汇流等过程以外，要着重刻画根系层内植被可利用的土壤水分数量和水分运动过程，包括水分的垂向运动和侧向运动过程，以及根系和冠层对土壤水分胁迫的响应及由此导致的土壤有效水分变化，因为土壤水才是连接水文过程和生态过程的关键；还要准确描述受水分条件影响下的植物水分吸收和散失过程、光合作用过程、碳循环和营养循环过程、光合产物分配（植被生长发育）过程、能量传输过程等。有些相关学科对这些过程已经取得长足进展，需要充分借鉴应用；但有些过程还缺乏研究，如水分驱动下的森林结构特征和空间分布格局变化、土壤水文物理性质变化、不同树种的水分生理特征和水分胁迫响应等，需要加强野外和室内控制研究。在深入和完整认识生态过程与水文过程耦合关系的基础上，发展完善或开发一些生态水文模型或模块，或结合应用已有森林植被生态模型，可以扩大生态水文模型的适用范围，同时提高解决生态与水文问题的能力。

未来优先重点发展方向

为推动我国森林生态水文学发展和提高林水协调管理能力，保障全国各区域生态安全和水安全及可持续发展，需要按分区分类、顶层设计、统一方法、长期研究、数据共享、统一分析的指导原则，在全国生态功能分区和水安全框架下，进行森林水文功能的多级详细分区，确定各分区内主要森林类型和水问题，进行森林水文影响现状、要求与不足的详细评价与问题诊断，提出解决问题的策略与发展建议。下面是未来需要优先和重点关注的研究方向。

森林水量影响与区域差异

按环境梯度统一布设相关研究

森林水量影响的研究历史虽已很长，但因存在忽视非植被因素和森林结构与格局的影响、研究尺度多偏小且考虑尺度效应不足、研究地区分布不均匀、尚未形成统一的理论认识和数量关系及管理决策支持能力等，未来很长时间内仍将是重点研究方向。需要分区分类地统一选定代表性地点，于样地、坡面、小流域、流域等不同空间尺度上，在考虑气候、地形、土壤等非植被因素影响的前提下，研究环境驱动下的森林结构与格局的动态变化及由此引起的对一系列水文过程的影响，并借助机理性生态水文模型，耦合生态过程和水文过程，形成变化环境下森林植被水量影响的再现和预测能力。

量化森林结构的水量影响

在样地尺度研究中，要重点理解森林结构的水文影响。为此，需要按环境和植被特征梯度选择一系列典型样地开展生态水文观测研究。对于给定立地特征的样地，需要先垂直分层［如林冠层、林下植被层、枯落物层、土壤根系层（及分层）等］，确定主要结构指标（如叶面积指数、冠层和枯落物层及土壤层的持水能力、土壤导水率等），同步监测各种非植被因素和植被结构特征的变化及水文过程，定量研究水、热、肥等环境条件及人工经营对各层植被结构特征的驱动作用（即生态过程），同时定量分析各种非植被因素和植被结构对一系列水文过程（如植被截持、土壤入渗、地表径流、壤中流、汇流、蒸腾、蒸发等）的影响，建立数量关系；基于土壤水分动态监测结果和水量平衡计算，得到样地产水量动态过程和其典型年份数值及多年均值。利用多样地研究结果，通过对比分析、统计分析、模型模拟等，定量分析变化环境下的森林结构特征的水量影响，以及其影响随多个环境因素梯度的变化规律。

量化森林水量影响的坡面变化规律

在坡面尺度开展研究，以便确定植被本身和其他各种因素的坡位差异和其水文影响。这在干旱地区格外突出和重要。需要按环境梯度和植被特征梯度，选择一系列的不同典型坡面，在不同坡位设立一系列样地（或连续样地），同步开展不同坡位样地的森林植被特征及其水文过程影响研究。通过不同坡位样地的水文影响对比，确定代表性坡位，以提高典型样地研究结果的坡面代表性；通过分析森林影响的坡面均值与不同坡位样地结果的数量关系，探寻将坡位样地研究结果上推到坡面的尺度转换方法，推动山坡生态水文学这个多年进展缓慢的分支学科的理论与技术发展。利用多个坡面研究结果，采用对比分析、统计分析、模型模拟等手段，在作为流域基本空间单元的坡面空间尺度上，定量分析变化环境下森林结构特征的水量影响及其影响随多个环境因素梯度的变化规律。

量化流域内环境与植被分布格局的水量影响

在小流域和流域尺度的研究中，需要重点关注气候、地形、土壤等非植被因素和植被特征本身及其水文影响的空间异质性和时间动态性，同时考虑植被结构动态和其分布格局的影响。为此，需要按环境梯度和植被特征梯度，选择一系列典型流域（最好设计为大小不一的系列研究流域及包括研究坡面和研究样地的嵌套研究流域），综合利用遥感和地面调查数据，分析气候、地形、土壤、植被因素的主要指标及水文特征的空间变化和时间动态。在通过对比分析和统计分析等研究后理解森林水量影响的同时，加强分布式研究，即把流域划分出许多内部差异相对较小的水文响应单元，综合运用在坡面和样地尺度获得的研究结果及各种数据，发展完善分布式生态水文模型的合理结构和优化确定模型参数；通过多流域联合研究，分析模型参数随环境与植被特征的变化规律，提高分布式模型的广泛适用性；通过设立各种情景，区分和预测给定环境下植被结构和格局变化的水量影响及其时空变化。

准确预测和评价森林对极端流量的影响

准确预测和评价森林结构特征与空间分布对洪峰流量和枯水流量的调控作用，对精细指导林业建设和森林管理、减免旱涝灾害都非常重要。影响洪水的因素很多，除暴雨特征外，还有流域地形、河槽特点及人为活动等，所以森林只能在一定程度上消减中小洪水和局部洪水，不能替代防洪工程。但从长时间尺度来看，森林仍可以通过减少土壤流失和水体淤塞而一定程度地影响大洪水。要有效减免洪水，就必须充分利用森林的减洪作用。这需要区分出林冠层、林下植被层、枯落物层、土壤层的结构变化对坡面产流、坡面汇流、河道产流、河道汇流等的作用，发展和完善分布式生态水文模型并进行多情景模拟分析，从不同时间尺度上量化森林结构特征、空间格局对各水文过程、径流总量和时间分配及洪峰流量的影响，准确预测和评价森林在不同类型与级别洪水中的削减洪峰作用及其随气候、地形、土壤、植被条件的变化。对于森林能否像很多人期盼的那样通过消减洪水径流而增加枯水期径流，现有研究结论非常不一致。这是由于森林增加入渗的降水能否转为在枯水季节补充河道流量的基流受很多其他条件影响，森林增加入渗形成基流和增大蒸散减少基流两个作用会互相抵消。例如，当土层深厚且林木蒸腾旺盛时，或降水量不足以使入渗雨水渗透到根系层以下时，储存在土壤中的水被用于蒸腾消耗的比例就会增加，形成基流比例就会减小。因此，要准确评价森林对枯水径流的作用，不但要研究气候、地形、土壤、植被对水文过程和产水量的影响，而且需要深入理解特定流域的完整水文循环特点，理解根系层与根系层以下的土壤和地质条件及蒸散耗水对基流形成的影响。

森林水质影响与调控应用

充分利用森林独特而重要的水质调控作用是治理水污染的措施之一，可以弥补常规治理措施的不足。然而，我国森林水质影响研究非常有限，缺乏系统性和完整性，限制着其主动和充分利用，非常需要加强这方面的基础与应用研究。

维持良好水质的森林结构与经营管理

林区径流一般水质优良。这是由于林区污染轻、人类活动少，所以一般增加和维持森林覆盖会利于维持和改善水质。但在经营不当（如大面积皆伐、过分扰动土壤、破坏地表覆盖）、经济林和用材林过度集约经营、发生森林自然灾害和进行病虫害防治等情况下，也可能产生不利的水质影响。为此，需要研究理解森林结构对水分和元素循环及水质的影响，探讨利于维持和改善水质的林分结构及配套经营措施；在流域尺度需要研究森林植被合理空间格局，提高森林水质服务功能；在干旱缺水地区，由于水质和水量关系更紧密，也需要格外关注森林水量影响，探讨同时满足水量和水质要求的森林合理结构和优化布局。

提高水质功能的植被过滤带优化结构

建设植被过滤带是防治农田面源水污染等的有效措施，可以有效补充工程措施，在欧美国家和地区已经相当普遍，美国1978 年就将其确定为流域管理的一种“最佳经营措施”，美国农业部1997 年出台了“国家保护缓冲带倡议”，英国和其他欧洲国家及加拿大、新西兰等也不同程度地提倡植被过滤带。但我国的相关研究才刚开始，缺少具体技术，未来需要格外加强。要选择河流、溪水、农田、果园、村落、道路等不同土地利用的排水路径，建立不同类型、结构、宽度的植被过滤带研究站点，从生物、土壤、化学、物理、水文等多学科角度，研究农田径流污染等的时空变化过程和运移特征，剖析植被减少径流污染和净化水质的过程与机理，研究典型植被过滤带及传统的农田防护林、农林混作、四旁植树和社区绿化等形式的林木结构和空间格局及其他立地因素和污染特点对拦截与减少地表径流、降低土壤侵蚀与污染物输出的影响，理解生长吸收、土壤吸附、微生物降解等净化水质机理，为植被过滤带的设计、经营和管理提供理论基础；从满足改善水质要求、提高单位土地面积的改善水质功能、降低治污成本、增加土地利用效益等多目标出发，提出不同地形、气候、土壤和污染条件下的植被过滤带合理结构，开发优化设计技术支持工具，形成成套的技术规范。

多尺度森林生态水文机理模型的研发

能真实反映森林的结构和格局的过程影响的生态水文模型，是进行森林、环境及水资源综合管理决策的重要支持工具。近几十年来，生态建设和环境保护综合管理要求不断提高，给生态水文模型的发展与应用不断提出新挑战，过分简化水文过程的生态学模型或过分简化生态过程的水文学模型都面临着很大限制，必然地走向了将生态- 水文过程紧密耦合的多尺度的生态水文模型发展阶段。

提高模型的多源数据利用能力

流域生态水文模型的发展趋势是不断融合生态、气候、水文、土壤等自然过程，最终形成一个复杂的地球模拟系统。这使模型的数据需求不断提高。要不断提高流域生态水文模型预测精度，除改进模型结构外，最重要的是不断提高对时空分辨率不同的多源数据的充分利用能力，包括各类遥感观测、定位监测和模型模拟数据。这就需要发展相应技术，融合不同来源数据，利用各自优点和克服不足，高效管理海量数据，得到高精度的时空连续覆盖数据，支持生态水文模拟。此外，还需要克服数据采集与管理方面的制约，引入“物联网”和“云平台”等技术，实现相关数据的高效采集、科学管理、有效分享与实时分析，促进及时、科学地管理决策。

加强对水分等环境驱动的详细刻画

森林的分布和生长及服务功能形成同时受到气候、地形、土壤、植被几类因素的复杂影响，若在模型模拟中将任意一个方面或过程过分简化或静态化处理，都可能造成模拟结果的严重偏差。相对生态模型而言，水文模型取得了长足进步，出现了一系列水文模型，为水资源、水污染、水环境、水灾害等的管理提供了重要支持，但其对生态过程及生态- 水文过程联系的描述缺乏或过分概化，如传统的集总式水文模型忽视水文要素的空间异质性；随遥感和信息技术进步而出现的分布式水文模型虽然可以考虑空间差异，但常将动态水文要素进行静态化处理，限制着模拟精度提高和模型广泛应用。因此，未来需要加强研究如何精细化描述水分等环境条件驱动下的森林植被结构等生态过程及其水文过程影响，如下渗、产流、汇流等水文过程导致的土壤水分和营养空间异质性对林木生长与演替的影响；土壤水肥条件或胁迫对林木根系数量和分布深度的影响；根系层土壤水分变化与运动受植被蒸腾、降水截持、地表覆盖的影响等。

促进对生态与水文过程耦合的详细模拟

森林生态过程与水文过程的耦合有很大时空差异，还需要很长的研究与发展历程才能在模型中准确反映。例如，在干旱地区，需要格外详细刻画土壤水分对植被生长的影响，湿润地区需要格外关注营养、光照等对植被生长的影响。这需要一方面加强研究和理解不同地区的主要生态过程与水文过程的耦合特点与数量关系，另一方面加强开发一系列专用模块或链接已有的考虑环境驱动的生态模型，依据数据基础或研究需求等合理地采用概念性、半物理性和物理性的模型耦合途径，从而形成能同步动态模拟植被结构特征的时空变化和其水文过程影响的分布式生态水文模型，提高对环境驱动下的森林结构动态预测能力和管理决策支持能力。在现有模型中，耦联生态过程与水文过程时最常用的植被结构参数就是叶面积指数，其同时参与或影响生态过程及水文过程，但同时还需要应用更多生态系统结构指标，以便更完整和准确地反映生态过程与水文过程的复杂耦合联系。例如，加强刻画伴随森林生长发生的土壤水文物理性质的缓慢变化，也需要把不断增强的森林与水土资源管理活动（如造林整地、水土保持、农业灌溉、地下水抽取、水库调度等）作为特殊生态过程引入流域生态水文模型中。

克服森林水文影响与模型模拟的尺度效应限制

森林水文影响有很大时空尺度效应或尺度限制，这在很大程度上限制了研究结果应用。因此，如何理解和克服尺度限制并实施尺度转换，是多年的研究热点与难点。产生尺度效应的主要原因可能包括水文要素的时空异质性及其导致的林水相互作用、主要生态水文过程的尺度依赖性、具体研究的时空局限性、研究中对真实系统与过程的简化。影响林水相互作用的重要因子在较大地理空间尺度上是气候，在景观尺度上是影响小气候、土壤特征、水分养分和植被生长空间差异的地形地貌，在林分尺度上是生态系统结构特征。特定过程具有特定的特征尺度，如超渗产流属于点过程，而蓄满产流过程在一定空间范围才能发生，坡面和沟道汇流过程更需要一定的空间范围。在小于特征尺度范围阈值的粒度上刻画这些生态过程或水文过程没有意义，还可能引入人为误差。因此，要合理描述流域内的生态水文过程及其相互作用，就需要深入理解生态水文要素与过程的时空异质性规律，量化各种过程的特征尺度及森林水文影响随尺度变化而变化的数量关系，避免不合理的时空离散化导致的过程特征尺度与模拟尺度的不匹配及由此引入的人为误差。未来需要加强研究林水相互作用的尺度效应和尺度转换，包括水文循环和生态水文过程研究的尺度等级划分、不同尺度的主要生态水文过程和影响因素及植被的参与程度、不同尺度的主要生态水文过程的机理模型、生态水文过程和森林植被水文影响的尺度转换、大规模植被建设的水文影响预测和评价的理论与技术等。产生尺度效应的根本原因在于时空异质性，所以研发和完善分布式流域生态水文模型可能是实现森林水文影响尺度转换的有效途径。

森林水文与其他服务的权衡关系和多功能优化管理

所有森林都同时具有包括水文调节在内的多种生态服务功能和生产功能，充分发挥我国有限面积森林的多种服务价值，为区域和全国可持续发展提供基础和支持，是生态文明观指导下的现代林业应该努力追求的目标，也是森林生态水文学努力的方向。

我国林业发展经历了单纯采伐利用、以木材为核心的永续利用、森林多效益永续利用、森林生态系统管理四个阶段，现正在进入多功能林业阶段，其突出特征是注意通过保护和改善森林生态系统的结构来维持和提高森林的多种服务功能，合理调控森林多种服务功能的竞争关系，从而使森林服务于国家、区域和局地可持续发展要求的整体功能得到优化。由于理论认识和实用技术缺乏，我国一些林业发展规划决策出现了较大问题。在北方干旱缺水地区，由于对森林降低流域产水的影响与其他服务功能的竞争关系认识不到位，往往过分追求森林覆盖率提高。面对不断增加的森林多功能需求，尤其在我国人多、林少、环境压力大的国情下，森林能自然提供的各种服务功能的数量和比例都不能满足发展要求，这就需要主动设计能满足多功能需求的森林分布格局和系统结构，并研究提出对应的管理和经营技术措施，合理调控各种功能间的关系，尤其是那些具有竞争限制的功能关系。

在我国未来水安全问题越来越突出的背景下，林业发展和森林管理必须在努力增加森林多种生产和服务的同时，尽量提高其解决当地各种水问题的能力与贡献。由于各地水安全问题及发展林业的自然环境和社会经济条件差别很大，林业发展政策和森林经营管理技术必须因地而异、因水而宜，必须分区分类地追求林水协调管理。

分区管理，是指在以往主要基于林木生长的林业建设分区外，还要考虑水安全问题的区域差异及其对林业发展的特殊要求。在降水稀少、难以满足林木生存需水的干旱地区，不能盲目造林，只能在有外来水源（河流、地下水）且林木生态用水能得到保障的局部区域，根据对林木功能的特殊要求适度造林。在降水不足、干旱缺水的半干旱和半湿润地区，林业发展规模（森林覆盖率）必须限制在区域（流域）水资源承载力以内，使林业发展兼顾生态安全和水安全，而不是过分追求林产品生产；必须合理选择适宜的造林地点和造林树种，追求节水、调水、净水的水文功能；必须设计和维持合理的森林植被结构，在不降低其服务功能的前提下尽量减少生态耗水，保证水量供给安全。在降水充足、水量限制不突出的湿润地区，森林水文调节功能首先是削减洪水、提高水质、减少侵蚀，同时努力追求林业的生产功能和其他生态服务功能。在水源区或水质问题突出的地方，必须把保障足量优质水源供给作为首要或重要森林功能，并以此来规划和指导林业发展和森林经营。

分类管理，是指进一步明确各类森林的主导功能，在满足主导功能的同时尽力发挥森林的水文功能和避免过度生态耗水、降低水质等不利作用。对于用材林，要防止经营不当降低地表覆盖造成土壤流失，尤其避免过度林下经营、林木密度过大耗水过多、过量施用化肥引起水质污染。对于干旱地区山地水源涵养林，主导功能就是水源涵养和水土保持，其林水协调管理需要基于水资源承载力，合理确定发展规模和经营模式，构建同时具有节水、净水、调水功能的高效水源涵养林。对于南方陡峭山地的水源涵养林，主导功能是保护土壤、涵养水源、削减洪水，因此严禁陡坡林地采伐造成水土流失。对于“三北”地区的防风固沙林和水土保持林，仍需要坚持其防风固沙、保持水土等主导功能，但在发展和管理中需要多考虑水分限制，依据不同立地的水分承载力，多采用乡土树种，恢复稳定高效的近自然植被，因地制宜地构建乔灌草有机组成的防护林体系。对于平原农田防护林，主导功能仍是改善农区环境、保障粮食生产，并兼顾木材等多种林产品生产，但以后还要结合植被过滤带建设发挥其拦截农田地表径流、削减农业面源污染的作用。对于各地不同类型的经济林，在注意生产丰富多样的林果产品的同时，要格外注意避免过分施用化肥、农药造成污染，还要结合植被过滤带建设发挥其拦截径流、降低污染的作用。

基于区域水热背景的森林生态水文学多尺度对比研究

森林生态水文规律受控于区域水热环境及各空间尺度下的地貌类型，在此前提下才有森林结构改变对水文过程的影响。因此，森林生态水文学研究必须同时着眼于不同层级的驱动因子，开展基于区域水热背景及集水区等各地貌尺度的森林生态水文对比研究。

为此，需要准确做出全国等湿润指数（降水/ 蒸散潜力）或等干燥指数（蒸散潜力/ 降水）的时空分布图。由于地形调节作用，等湿润指数或等干旱指数的空间分布将不会与区域性水热分布图重合；在地形复杂的区域，地形调节作用将使等湿润指数曲线在海拔、坡向、坡位上相差很大。同时，由于降水、气温的季节性，特别是降水的季节性差异，加之地形的影响等，等湿润指数或等干旱指数的时间分布将更显出区域和地形地貌的独特性。建议能最终制作和提供按月及年平均的等湿润指数或等干燥指数的时空分布图。

在此基础上，研究等湿润指数或等干燥指数的时空分布对森林恢复、人工造林等国家行为实施的指导作用，尤其是对比研究和量化森林对水资源的影响，以得到客观规律。

本文摘编自《生态水文学》（夏军，左其亭，王根绪 等著）第四章“生态水文学各分支学科的发展战略”，识别图中二维码或点击下面“阅读原文”可立即购书。也欢迎广大科研工作者投稿，聊聊你们的所见所闻、所感所思，投稿邮箱：houjunlin@mail.sciencep.com。

ISBN：978-7-03-064551-7

生态水文学是人类面对全球环境变化和可持续发展需求，从地球系统科学发展角度，聚集多尺度水文学与生态学相交叉的一门新兴的分支学科体系。生态水文学探索和揭示不同尺度生态系统格局和过程变化的水文学机理，也是一门将自然过程作为管理工具、加强生态服务的综合交叉学科，是我国生态文明建设和环境保护与绿色发展的重要需求。

本书系统分析了国内外生态水文学的发展历程，总结了学科的战略地位、学科体系的发展及其分支学科的联系，前瞻性地分析了生态水文学学科发展态势，凝练出学科前沿的重大科学技术问题和重大战略研究方向，提出了近期和中长期学科发展的战略布局与建议。本书适合高层次的战略和管理专家、相关领域的高等院校师生、研究机构的科研人员阅读与参考，也为社会公众了解生态水文学学科发展提供帮助。

（本文编辑：朱萍萍）

更多科学好书

创造有价值的阅读

科学人文在线（kxrw_kx）

科学出版社科学人文分社订阅号