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1、第 26 卷第 12 期自然资源学报Vol.26 No.122011 年 12 月JOURNAL OF NATURAL RESOURCESDec，2011收稿日期:20110420;修订日期:20110814。基金项目:国家重点基础研究发展计划(2007CB714105)。第一作者简介:司今(1987)，女，山西晋城人，硕士研究生，研究方向为生态服务价值。E-mail:skinyhappy163com*通信作者简介:韩鹏(1973)，男，山西临汾人，博士，副教授，硕士生导师，主要研究水资源水沙灾害、生态服务价值。E-mail:hanpeng iee pku edu cn森林水源涵养价值核算方法
2、评述与实例研究司今1，韩鹏1，赵春龙2(1 北京大学 环境工程系，水沙科学教育部重点实验室，北京 100871;2 北京市顺义区长青林场，北京 101300)摘要:针对森林水源涵养价值内涵理解不同，不同方法核算结果差异迥然的现象，总结现有方法深入分析其内涵，并选取 5 种方法进行实例计算。结果表明:黄土高原区两个小流域方法间核算结果差异显著，其中以纸坊沟为例，综合蓄水能力法、当量法、水量平衡法及降水储存量法所得价值最高可相差 1.5 106元，而南方女儿寨小流域同比相差最高为 2 105元，且三个流域利用水量平衡法计算所得结果皆出现反常现象。分析表明:降水储存量法与水量平衡法内涵接近，反映实际
3、水源涵养价值;综合蓄水能力法则反映潜在水源涵养价值，在干旱半干旱地区可能出现实际蓄水能力低于理论值，实际价值与潜在价值相差较大的情况;水量平衡法计算公式无法代表其所期望反映的内涵，建议选用土壤蓄水能力法替代。关键词:森林水源涵养价值;当量法;综合蓄水能力法;降水储存量法;水量平衡法;水量平衡法中图分类号:F062.2;S718.5文献标志码:A文章编号:10003037(2011)12210010森林凭借自身庞大的树冠、厚实的枯枝落叶层以及颇为发达的根系，能够起到良好的蓄水保水作用。普遍认为，在有森林的情况下，降水会被充分蓄积和重新分配，森林的林冠层、枯枝落叶层和地下土壤层等通过拦截、吸收、蓄
4、积降水，涵养了大量的水源1，这种形式的涵养是普遍认同的水源涵养。但也有学者从更广义的角度理解此概念，将森林的其他功能如调节径流、影响雨量、净化水质等一同视为森林水源涵养功能的表现形式2。学者们依据各自对水源涵养价值的理解，提出了相应的计算方法，常见的方法对比见表 1。其中，当量法采用专家打分的形式确定了我国林地每公顷水源涵养服务价值为 2 831.5 元，这一方法简便易行，在许多地区的生态服务价值计算中得到了应用，缺点是不能考虑地带的差异性及林木发育情况对水源涵养的影响。蓄水能力法则将重点放到了林地中储水空间的计算上，降水储存量法、林木发育度法与水量平衡法的计算公式结构相似，地下径流法未见明确
5、的计算公式。各方法中存在微妙差别:部分学者认为除去蒸散损失后的降水转化形式，包括产生的径流以及土壤或其他形式的水量储存为水源涵养量，正如降水储存量法、当量法以及林木发育度法中的涵养量定义;也有学者认为林冠层、枯枝落叶层或土壤层的涵养水量为真正的水源涵养量，如蓄水能力法、水量平衡法、水量平衡法、降水储存量法中的相关定义;还有学者直接将地下径流的增长量视为水源涵养量。12 期司今等:森林水源涵养价值核算方法评述与实例研究2101由于不同学者对于森林水源涵养价值内涵理解不同，采用的核算方法多种多样，因此有可能出现同一地区采用不同方法所得结果不一致、甚至数量级上差别巨大的现象3，甚至可能得出相悖的结论
6、，这势必给实际的评价工作造成不便。为对比不同计算方法所得结果间可能出现的差异，选取不同气候条件下的三个小流域，即黄土高原的纸坊沟流域与泥河沟流域以及长江流域的女儿寨小流域，分别利用表 1 中列出的当量法、综合蓄水能力法、降水储存量法、水量平衡法以及水量平衡法对其森林水源涵养价值进行计算。表 1森林水源涵养价值核算方法总结Table 1Valuation methods of water conservation function of forests方法概念内涵公式当量法4 利用学者打分，确定水源涵养价值当量因子森林水源涵养单位价值 k 为 2 831.5 元/hm2，价值核算:W=Ak，A
7、为区域森林面积，k 为当量因子。蓄水能力法综合蓄水能力法5-6 考虑三个层次水分截留，包括冠层、枯落物层以及土壤层的截留EW=Q，Q=Q1+Q2+Q3，Q1、Q2、Q3分别为冠层、枯落物层、土壤层蓄水量，为水库库容建设成本，取为 0.67 元/m3土壤蓄水能力7-8 只考虑土壤层的水分截留，认为土壤层涵养水量是最终涵养Q=Sihipi，Si、hi、pi分别为土壤的面积、深度、非毛管孔隙度;或 Q=PSi(1 Ii)10，P 为 研 究 区 域 的 年 降 雨 量(mm)，Si为第 i 类森林类型面积(hm2)，Ii为第 i 类森林的林冠截留率。EW价值计算同上。降水储存量法法1 对比林地与裸地
8、的径流减少量，认为其减少量为水源涵养量Q=AJR，J=J0K，R=R0 Rg，A为面积，J 为多年平均产流降雨量(J 20mm)，J0为多年平均降雨总量，K 为计算区域产流降雨总量的比例，R 为与裸地比较，森林生态系统减少径流的效益系数，R0和 Rg分别为裸地和林地产流降雨条件下产流径流率。EW价值计算同上。法9 利用特定区域多年统计数据进行计算，确定树冠和树干的蒸腾和扩散量占降水量的比例，剩余部分为涵养量Q=APf%，P 为研究区域的多年平均降雨量(mm)，A 为森林面积(hm2)，f 为森林的覆盖率，%为降水除去各类蒸散剩余比例。EW价值计算同上。林木发育度10 认为径流量为水源涵养量Q=
9、10AifikiPi，Pi为研究区域的多年平均降雨量(mm)，Ai为第i类森林类型的面积(hm2)，fi与 ki分别为该类型森林的覆盖率与发育度指数，为林地的径流系数。EW价值计算同上。水量平衡法法11 年平均降水量与蒸散量之差Q=(R E)A，R 为平均降雨量(mm/a)，A为区域森林面积(hm2)，E 为平均蒸散量(mm/a)。EW价值计算同上。法12-13 认为涵养量为土壤层的涵养量，所以在法的基础上除去径流量Q=(R E)A Ri=RA Ri，Ri为年平均径流量，其他字母含义同上。EW价值计算同上。地下径流法14 用林区与裸地比较，地下径流增长为森林涵养水源量未有具体公式2102自然资
10、源学报26 卷1实例研究1.1流域概况泥河沟流域为黄土高原沟壑区水土流失综合治理典型流域15，位于黄土高原南部陕西省咸阳市淳化县境内，流域面积 9.48 km2。区内气候属暖温带半湿润气候，多年平均气温9.8，太阳年辐射总量 504.35 kJ/cm2。多年平均降水量 600.6 mm15，干燥度 1.10 1.38，79 月降水量占全年的 50%以上，多形成暴雨，该流域所在淳化县平均径流深为58 mm16。当地自然植被存在于沟坡，多为草本、灌木，塬上基本为人工植被。纸坊沟流域为黄土丘陵沟壑区水土流失综合治理典型小流域，位于陕西省安塞县，流域面积为 8.39 km217。该流域海拔为 1 10
11、0 1 400 m，流域内地貌极为破碎，沟谷纵横，沟壑密度高达 8.1 km/km2，地面割裂度 63.2%。流域处于温暖带半干旱气候区，年平均日照总时数为 2 415.6 h，辐射量为 552.7 kJ/cm2，平均气温为 8.8，多年平均降水量为541.2 mm，降水分布不均，年内主要降水集中在 79 月，占年降雨量的 61.1%18，且多暴雨，强度非常大，成为该流域水土流失的主要原因。当地植被以刺槐为主，林地蒸散量多年平均值为 537.15 mm19。女儿寨小流域地处武陵山脉腹地，距慈利县城西北约 12 km，为澧水二级小支流，大致呈东西向，沟口海拔 210 m，最高峰 917.4 m，
12、主沟长约 112 km，流域面积 2.81 km2。气候特点为春季温湿多变、夏季酷热期长、秋季凉爽多旱、冬少严寒，属典型亚热带湿润季风气候。小流域内地形复杂，山峦起伏，沟壑纵横，沟壑密度约 2.6 km/km2，主沟纵比降约28.420。当 地 的 林 木 类 型 主 要 为 马 尾 松 和 杉 木，杉 木 的 蒸 散 量 为875.45 mm21。1.2计算方法各方法的水源涵养量公式见表 1 所示，其中综合蓄水能力法三部分蓄水量6 的具体公式如下所示:(1)冠层截留量Q1=(SiMi)(1)式中:Q1为冠层截留量(m3)，Si为第 i 种植被类型的面积(m2)，M 为该区平均年降水量(m)，
13、i为第 i 种植被类型的冠层截流率(%)。(2)枯枝落叶层持水量枯枝落叶层持水量的大小取决于枯枝落叶干重、枯枝落叶最大持水率、植被面积等因子，计算公式如下:Q2=(SiLii)(2)式中:Q2为生态系统枯枝落叶持水量(m3);Li为第 i 种植被类型单位面积枯枝落叶积累量(t/hm2);i为第 i 种植被类型枯枝落叶最大持水率(%)。(3)土壤层蓄水量土壤蓄水量主要取决于土壤非毛管孔隙度的大小和土层厚度。只有土层厚，土壤非毛管孔隙度高，贮存于土壤中的水量才多，计算公式如下:Q3=(SiHii)(3)式中:Q3为土壤层蓄水量(106m3);i为第 i 种植被类型下土壤的非毛管孔隙度(%);Hi为
14、12 期司今等:森林水源涵养价值核算方法评述与实例研究2103第 i 种植被类型下土层厚度(研究中取平均厚度 60 cm)。1.3使用数据由于泥河沟流域和纸坊沟流域有相似的林木类型，多为刺槐林，为温带山地落叶阔叶林，在综合蓄水能力法和降水储存量法中可以使用同一地带的参数值。对于综合蓄水能力法，由于该地区多为温带山地落叶阔叶林，冠层截流率 i取 17.85%，单位面积枯枝落叶积累量 Li取 16.5 t/hm2，枯枝落叶最大持水率 i取 342.3%，土壤的非毛管孔隙度 i取38.17%22。对于降水储存量法，多年平均降雨总量 J0可以根据各流域的实际情况取值，泥河沟流域取 700 mm，纸坊沟
15、流域取 500 mm，减少径流的效益系数 R 参照该地区属于温带、亚热带落叶阔叶林取0.28，产流降雨总量的比例 K 取北方区数值0.41。而对于水量平衡法，由于纸坊沟流域和泥河沟流域缺乏逐年降雨量数据，所以选取年平均年降雨量，而蒸散量取 537.15 mm。女儿寨流域由于地处南方，多为亚热带、热带东部山地常绿针叶林，所以冠层截流率 i取 23.45%，单位面积枯枝落叶积累量 Li取 28.81 t/hm2，枯枝落叶最大持水率 i取241.2%，土壤的非毛管孔隙度 i取 37.5%22。对于降水储存量法，多年平均降雨总量J0取值参考表 2，减少径流的效益系数参照该地区为温带亚热带、热带常绿针叶
16、林取 0.36，产流降雨总量的比例 K 取南方区数值 0.61。三个小流域森林面积、年平均降雨量以及年径流量数据见表 2。表 2研究流域森林水源涵养价值参数Table 2Factors for water conservation value of forests in different wartersheds流域年份森林面积/hm2年均降雨量/mm径流量/104m3泥河沟1986114.31990135.31995124.91997119.21999116.12004101.6600.6*6.637.857.246.916.735.89纸坊沟1938689.79719581.0851975
17、15.206197816.979549.10*62.650.101.381.541987562.107567.8230.631990576.2721991593.6821992599.3181993602.1271994606.42556.54*26.3827.1727.4327.5627.761995607.3111996606.8961997611.1361998618.0961999618.096415.42*4.064.064.094.134.13女儿寨2000138.111 417.178.742003182.611 598.0115.042007202.321 420.2112.5
18、3注:*为相应时段的多年平均降雨量数据。2104自然资源学报26 卷2结果分析与讨论2.1纸坊沟与泥河沟流域图 1、2 中，黄土高原两个小流域，利用不同方法计算所得价值大小存在显著差异。其中，当量法与综合蓄水能力法所得结果最高，降水储存量法与水量平衡法的所得结果较为接近，而水量平衡法得到的结果最小，甚至出现负值。图 1纸坊沟流域森林水源涵养价值对比Fig.1Comparisons of water conservation value of forests in Zhifanggou watershed图 2泥河沟流域森林水源涵养价值对比Fig.2Comparisons of water co
19、nservation value of forests in Nihegou watershed当量法中的当量因子是在对我国 200 位生态学者进行问卷调查的基础上得到的，反映的是全国平均状态的生态系统生态服务价值的单价，所以使用未矫正的因子，所得结果可能12 期司今等:森林水源涵养价值核算方法评述与实例研究2105偏高4。综合蓄水能力法则主要衡量森林对水分的最大涵养能力或静态涵养能力，而并非实际的水源涵养量，这一方法利用冠层的最大截留率衡量其水分截留，未充分考虑到林分巨大的蒸腾作用，在一定程度上可能高估了植被冠层对系统涵养水源所做出的贡献5，且利用枯枝落叶的最大持水率衡量其持水能力，在黄土高
20、原等降雨较少的地区可能会因为无水可储而高估。水量平衡法与降水储存量法中则主要利用流域实际降雨、径流及蒸发等数据，衡量在具体气候条件下的水源涵养量，因此，其数值应更接近于实际的水源涵养量。由于研究区域地处半干旱气候区，在降雨偏少的年份林地蒸发量有可能大于实际降雨量，林地发生土壤水分循环负平衡的现象23，因此个别年份利用水量平衡法会出现储水量变为负值的情况。而水量平衡法则对于纸坊沟流域基本计算得到的涵养量全部为负，泥河沟流域也接近于 0，具体原因将结合女儿寨流域的情况一同讨论。2.2女儿寨流域对于女儿寨小流域，除水量平衡法得到的结果明显偏小外，其余 4 种方法得到的结果相差不大，其顺序依次为:水量
21、平衡法、综合蓄水能力法、降水储存量法、当量法、水量平衡法，具体结果见图 3。与黄土高原两个小流域的结果不同的是，当量法较其他方法的计算结果偏小。这可能是由于当量法采用全国平均的当量因子在干旱地区使结果偏大，而在湿润地区在使结果偏小。在雨量充沛的地区，林地的储水空间可得到有效的利用，因此综合蓄水能力与利用实际降水资料得到的结果也基本一致。图 3女儿寨小流域森林水源涵养价值对比Fig.3Comparison of water conservation value of forests in Nerzhai watershed在研究选取的 3 个小流域中，无论是在半干旱的黄土高原还是在湿润的长江流域
22、，水量平衡法的计算结果与其他方法相比均明显偏小，甚至出现负值。这需要追溯水量平衡法的和两类公式的来源。一种源于侯元兆等14 的理论，他们认为森林的水源涵养量等于降雨量与蒸散量和快速地表径流(超渗产流)产生量之差，由于中国森林的降水强度一般低于森林土壤的渗透能力，因此森林土壤一般不会出现快速地表径流，则出现如今通用的水量平衡法。但在实际应用中，有学者认为森林中依然存在着快速地表径流，而由于其测量困难，所以可能选用年地表径流量进行代替，则出现水量平衡法的公式。另一种则源于水源涵养价值内涵的具体定义。有学者认为水源涵养价值包括地表径流以及土壤层蓄存水量两部分价值，如水量平衡法所诠释;而如果只定义为土
23、壤层蓄存水量的价值，则如水量平衡2106自然资源学报26 卷法的公式所示。对于水量平衡法的第一种来源，年径流量无疑会远大于降雨过程中出现的快速地表径流量，因此将导致计算结果偏低;而对于第二种来源，由于土壤层的蓄存水量在一定时间后可能会转化为河流的径流量，因此使用年降雨量与蒸散量及径流量的差也会导致计算结果偏低，建议可用土壤蓄水能力的计算方法来替代。2.3流域比较北方流域和南方流域可以进行一定程度的横向比较，可以发现北方两个小流域，水量平衡法两类公式计算结果易与其他三种方法相应结果出现较明显反差，以纸坊沟为例，综合蓄水能力法和当量法计算所得潜在水源涵养价值与水量平衡法和降水储存量法所得实际水源涵
24、养价值之间平均相差 1.5 106元;而南方的女儿寨小流域，利用实际水源涵养价值与潜在水源涵养价值差别不大，四种方法计算结果间差值小于 2 105元;南北方小流域利用水量平衡法计算结果则都出现明显不一致现象。该差异性主要与研究流域的气象条件以及下垫面状况有关，对于降雨分布不均、多暴雨的小流域，如实例研究中的北方小流域，水分容易以超渗产流的形式流失7，如果当地土层和林、灌、草植被结构成熟度相对较低，一部分水分还会通过蒸散而流失，最终能够真正被涵养的水量较少，容易造成实际水源涵养价值与潜在涵养价值较为明显的反差;而对于降水分布比较均衡、降水较为充沛的流域，如实例研究中的女儿寨小流域，其超渗产流的可
25、能性较小，而且如果当地土层结构、林、灌、草植被发育等各方面条件较为成熟时，水量会通过土壤层或枯枝落叶层得到充分涵养，实际水源涵养价值计算结果与潜在水源涵养价值计算结果则不会出现较为显著的差别。3结论通过对已有森林水源涵养价值方法的总结，并对各方法的内涵进行追溯，采用当量法、综合蓄水能力法、降水储存量法、水量平衡法以及水量平衡法对不同地区的 3 个小流域森林水源涵养价值进行了计算对比，得到如下结论:(1)森林水源涵养价值的不同计算方法所代表的水源涵养内涵有所不同，相应的计算结果可能出现较大差异，从文中案例的计算结果来看，这一差异在黄土高原半干旱气候条件下尤为明显;(2)当量法中，目前采用的当量因
26、子多选取了反映全国平均状态下的单价，将其应用到干旱地区时可能使结果偏大，而应用于湿润地区时则可能使结果偏小，因此在具体流域的应用中应依据当地实际气候条件给予修正;(3)降水储存量法与水量平衡法其概念内涵接近，相应的计算结果在不同流域也差别不大，因此，这两种方法的计算结果在不同区域或时间上可进行一定程度的类比;(4)综合蓄水能力法依据流域蓄水空间的大小来判断水源涵养价值，对于干旱半干旱地区而言，由于缺少充分的降雨，该方法的计算结果可能就实际蓄水而言偏大，而对于降雨充沛的地区，这一差别则不显著;(5)与其他方法相比，水量平衡法的计算结果明显偏小，其计算公式无法代表其所期望反映的水源涵养的内涵，在内
27、涵不变的情况下建议选用土壤蓄水能力法进行替代。参考文献(References):1李文华 生态系统服务功能价值评估的理论、方法与应用 M 北京:中国人民大学出版社，2008 LI Wen-hua The12 期司今等:森林水源涵养价值核算方法评述与实例研究2107Theories，Methods and Applications of Ecosystem Services Valuation Beijing:China Renmin University Press，2008 2张彪，李文华，谢高地，等 森林生态系统的水源涵养功能及其计量方法J 生态学杂志，2009，28(3):529-534
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44、原森林植被对陆地水循环影响的研究 J 自然资源学报，2001，16(5):427-432 LI Yu-shanEffects of forest on water circle on the Loess Plateau Journal of Natural Resources，2001，16(5):427-432 12 期司今等:森林水源涵养价值核算方法评述与实例研究2109Review of Water Conservation Value Evaluation Methods ofForest and Case StudySI Jin1，HAN Peng1，ZHAO Chun-long2(
45、1 Department of Environmental Engineering，Peking University;The Key Laboratory of Waterand Sediment Science，Ministry of Education，Beijing 100871，China;2 Changqing Forestry Center in Shunyi District，Beijing 101300，China)Abstract:In terms of various understanding of water conservation value of forests
46、 and dramaticdifferences with outcomes from different methods，the conceptions of methods have been analyzedbased on the summary of methods Comprehensive Water Storage Ability Method，PrecipitationStorage Method，Water Balance Method and Equivalence Method have been chosen to be appliedto Zhifanggou wa
47、tershed and Nihegou watershed of the Loess Plateau in northern China andNerzhai watershed in southern China It was shown that the results of different methods were in-consistent because of the difference of connotations of these methods The difference betweenmethods was significant especially in the
48、 two small watersheds in the Loess Plateau For Zhifang-gou watershed，the results from Comprehensive Water Storage Ability Method and EquivalenceMethod were higher，while the results from Water Balance Method I and Precipitation StorageMethod were lower，with the range of the four methods being around
49、1 5 million In contrast，theresults in Nerzhai watershed had no significant differences from each other The range of the re-sults from the methods above can be around 0 2 million But the result from Water Balance Meth-od has been shown abnormal in all watersheds studied Further analysis showed that C
50、ompre-hensive Water Storage Ability Method and Equivalence Method aim at the potential ability of waterstorage，while Precipitation Storage Method I and Water Balance Method I focus on the actualability of water storage In arid and semi-arid areas，the result by Comprehensive Water StorageAbility Meth