银杏海

【编者按】以通俗易懂的形式介绍学科专业，是帮助和引导学生了解各个学科领域的重要途径，也是鼓励和激发学生开展跨专业学习、在交叉融合中扩展学术视野、提升创新思维的重要方式。新闻中心开设了“学科博览”栏目，旨在以“科普”的方式，帮助读者领略学校各个学科专业或研究领域的魅力。本期，我们邀请资源与环境学院张明芳教授和她指导的博士研究生李鑫撰文介绍森林与水的复杂关系，希望能够为读者带来启发。非常期待和欢迎各学院、学科、专业、团队或课题组的教师们投稿，为广大读者提供雅俗共赏的“精神大餐”。来稿请投：450000791@qq.com 。

 在地球生态舞台上，无需钢筋水泥，森林仅凭天然构造，就成为了智能的“活体水库”。它既能当“巨型水库”储存海量水源，自动调节旱涝灾害，又能化身 “天然净水器” 净化水质，默默守护着全球人类的水安全。据联合国粮农组织统计，全球50%以上的人口75%的生产生活用水来自于森林水库。

绿水青山就是金山银山

中国林业科学研究院刘世荣院士指出，森林对水的调节作用，是林冠层、灌草层、枯枝落叶层与土壤层协同运作的复杂过程，其中 70%~90% 以上的调蓄能力源自森林长期“进化”形成的复杂土壤层结构。而电子科技大学张明芳教授研究发现，在更大的流域空间尺度上，气候、地形地貌、土壤、植被及森林经营管理等多种因素共同作用，让森林与水的关系充满变数，如同一场复杂的“生态舞蹈”。

一、森林与水的奇妙 “互动”

 在理解森林如何成为“活体水库”前，我们需要先破除一个常见误区，很多人简单地认为“森林生长需水量大于草地等其他植被类型，所以森林是抽水机而非水库”，但真实情况并非如此。森林的砍伐不仅会导致河川径流总量的增加，也会在一定程度上增加雨季洪水和泥沙含量，减少或者增加旱季径流量。大范围的森林砍伐甚至会改变区域降水和气温，影响降水形成，最终导致区域河川径流量下降。因此，森林的减少伴随着不仅仅是森林抽水能力的下降，更多的是森林调蓄能力的降低，森林水库功能的丧失。那这是不是意味着我们可以种植更多的树木，建立更多的“森林水库”呢？我们似乎也难以得到肯定的答案。在我国南方多雨地区，即使增加森林面积，对河川径流的影响也较小。不过，在西北干旱区，森林面积的增加反而会减少河川径流，威胁人类用水。就像不同性格的人在不同的环境下对同一件事反应不同，森林与水的关系因地域环境差异而变化多端。那么，森林究竟凭借怎样精妙的构造与机制，在不同环境下都能牢牢“锁住”水资源，成为当之无愧的“活体水库”呢？

二、森林如何化身 “活体水库”

森林如同一个精密的雨水处理器，通过三个天然关卡将每一滴水的价值发挥到极致。

林冠层：天空中的雨水调度师。

当雨滴落下时，森林的第一道防线是茂密的树冠层。树叶组成的“空中网兜”能巧妙拦截15%~40%的雨水，就像无数绿色手掌托住水滴。相关研究表明，森林覆盖率越高的区域林冠层覆盖面积越广，对降水的截留能力越强。研究发现，充分郁闭的针叶林平均截留率大致均在20％以上，阔叶林的平均截留率一般小于20％。最奇妙的是，被树叶吸附的水滴会缓慢蒸发返回大气，如同给空气加湿的小型加湿器。

地被物层：会呼吸的天然海绵

穿过树冠的雨水，会落在由枯枝落叶、地衣、苔藓组成的天然地毯上。这片看似不起眼的“海绵层”拥有惊人的蓄水能力——每平方公里森林可蓄水5~10吨（相当于 1~2 个标准家庭游泳池的蓄水量）。相关研究表明，各种类型森林地被物层平均最大持水量约为自身干重的3倍。在大兴安岭地区的实验结果显示，阔叶山杨林的地被物层最多可吸持自身重量6.99倍的降雨。当你踏进森林，脚下蓬松有弹性的触感，正是这座“隐形水库”在默默吸收水分的最佳证明。

土壤层：地下的超级蓄水库

雨水经过前两关后，最终渗入由树根和腐烂的枝叶塑造的特殊土壤。森林土壤就像“千层酥”般松软，树根在生长过程中创造出亿万条微型孔道，形成天然的输水网络。正是这种结构，让每公顷林地比无林地多蓄水300吨——相当于60万瓶500ml的矿泉水的惊人储量！其中又以亚热带山地常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林和南亚热带山地季风常绿阔叶林土壤蓄水量最高，并且天然形成的森林土壤层蓄水量通常也是高于人工造林。这些水被储存在“地下水库”中，在干旱时节缓缓释放，维持河流生生不息。

张明芳教授（左三）和同学们一起开展考察研究

 三、森林的水智慧：顶尖水资源调度大师

森林，这位运筹帷幄的水资源调度大师，凭借对洪峰和枯水的动态平衡、对水循环的精准调控、对水质的深度净化，以及对区域水节律的全局统筹，将“智能分配”的水智慧发挥到极致，在每一个环节都彰显着大自然的精妙设计。

洪枯调节：削洪补枯的“天然海绵”和“缓释胶囊”

在暴雨时，森林如巨型海绵，吸收和存储雨水；而干旱时，森林土壤又像缓释胶囊，释放雨季存水，补给干枯的河流。相关研究表明，在黑龙江海浪河流域，森林覆盖率高（75%）的区域比森林覆盖率低的区域（14%）的洪峰流量低29.2%~38.4%。在广东小良地区，林区的洪峰流量比无林区低29.2%~38.4%。在黄土高原，森林对洪峰的削减作用更明显，林区较无林区的洪峰流量低71.4%~94.3%。

蒸散发：动态调蓄的 “水脉循环器”

当雨水落下，林冠层吸附的水滴缓慢蒸发返回大气；穿过树冠的雨水被地被物这层 “天然海绵” 吸纳后，部分水分也随之蒸发；渗入土壤的水，则通过乔灌木根系吸收，经叶片蒸腾重返大气。林冠截留蒸发、地被物蒸发、土壤蒸发与植物蒸腾共同构成的蒸散发循环，恰似调度师手中的 “水脉调节器”，通过动态调节水分在地表与大气间的流转，让水资源分布更均衡。相关研究结果显示，林地蒸散发可占降雨量的40%~80%，北方针叶林日均蒸腾约1.24mm，温带阔叶林则在1.46mm~1.58mm，这种因时因地的“微调”，让水循环始终保持弹性。

水质净化：天然高效的“水过滤系统”

在调度水资源的同时，森林更化身 “水质管家”，通过多层级过滤保障水的洁净。雨水经林冠层时，叶片先拦截空气中的污染物；落到地被物层，“海绵地毯”通过滞缓径流、吸附沉降，进一步清除泥沙杂质；最终渗入土壤，树根塑造的多孔结构如同精密滤网，强效净化氮、磷、病原体等污染物，吸附效率远超人工设施，让每一滴水都经过自然的深度“净化处理”。相比无林地，完整的林冠、地被物层与疏松土壤团粒结构，让这套过滤系统更高效，确保调度的每一份水资源都洁净可用。相关研究表明，森林植被覆盖越好，森林水质净化能力越强。随着郁闭度和树木年龄的增加，森林对降雨的水质影响增强。

区域气候调节：广域联动的 “水分配网络”

森林这位调度师的智慧，更体现在对广域水资源的统筹上。蒸腾到空中的水汽，可随着盛行风输送至数千公里外，成为下风向区域的降水 “补给源”；而本地降水也可能包含远方森林提供的水汽。这种跨区域的陆气反馈，让水资源调度突破地域限制，通过调节蒸发与降水，联动更广阔区域的水量平衡。模拟研究表明我国绿化造林工程致使黄土高原和黄淮海平原北部区域的降水增加，而华南地区、长江中下游平原和云贵高原南部区域、四川盆地及周边地区的降水减少。造林或者绿化引起的降水改变会直接传导到地表水量上，影响区域地表可用水量。最新全球尺度研究表明2001至2018年间全球植被变绿以每年0.26mm的速率增加地表可用水量，约抵消了同期地表可用水减少量的15%。

四、科学家的探索之路与挑战

 世界上最早的林水问题研究始于1853年，法国学者Belgrand首次利用水文观测来评估森林对水文过程的影响。而第一个具有真正科学意义的集水区研究则是1909年在美国科罗拉多州南部的Wagon Wheel Gap流域开展的配对集水区实验。近百年来在美国、加拿大、澳大利亚、欧洲、非洲和亚洲诞生建立了一批以Coweeta，H. J. Andrew和Hubbard Brook等为代表的森林生态水文长期定位研究站点，将集水区观测技术和长期生态定位观测技术结合。我国林水问题研究尽管起步较晚，伴随着我国天然林保护、退耕还林还草等一系列生态林业工程的实施，我国森林覆盖率的大幅度提高，结合传统集水区观测和水文模型，森林植被建设对水资源的潜在影响相关研究取得长足发展。然而，随着研究范围的扩大，传统方法逐渐显露局限。20世纪90年代以来，计算机技术和遥感技术的发展为由小流域向更大尺度流域来破解林水关系提供了关键方法。

五、遥感技术助力揭秘林水关系密码?

空天地一体化监测森林水循环过程示意图

遥感技术的发展，让我们能从更全面的视角破解林水关系的密码。

光学遥感的 “精准画像”

Landsat、Sentinel-2 等光学遥感卫星，如同太空中的精密相机，可捕捉森林植被的光谱特征与水体的反射信息。通过分析其获取的影像，能清晰识别森林覆盖度变化、植被生长状况及地表水体分布，为探究森林与水资源的关联提供基础数据，及时掌握森林动态对水文状况的潜在影响。

雷达遥感的 “穿透观测”

雷达遥感不受云层、天气和昼夜影响，像穿透力极强的 “观测者”，可穿透厚厚的云层和茂密植被，探测森林的垂直结构和固碳量，还能监测地表土壤湿度与水体变化，即便在复杂气象条件下，也能为林水关系研究提供稳定、连续的数据支撑，揭示森林内部结构对水分循环的调节过程。

空天地一体化监测的 “协同洞察”

空天地一体化监测体系整合了卫星遥感的全局覆盖能力、航空遥感的灵活详查优势与地面观测的精准验证功能。卫星从太空俯瞰，捕捉大范围森林与水体的宏观动态；无人机等航空平台近距离探测，获取关键区域的精细数据；地面站点则实时记录植被蒸腾、土壤含水率等微观信息。三者协同，实现从森林冠层到地下水体、从局部变化到全局趋势的全方位监测，为解析林水关系的复杂机制提供了多维度、高精度的观测数据，助力更精准地揭秘林水关系的深层密码。

为了绿水青山，跋涉万水千山

结  语

尽管森林凭借天然的水循环智慧守护地球亿万年，但如今全球气候变暖加剧，极端高温干旱、暴雨洪水、森林火灾、病虫害频发，森林面临着前所未有的生存压力。林水关系研究虽已硕果累累，然而如何在气候变化中科学管理森林，最大限度发挥森林“天然水利工程”的功效？森林生态系统的变化又将如何重塑水质与水生态？这些未解之谜，亟待新一代科学家与工程师以创新技术和跨学科思维突破。相信通过更前沿的遥感监测、更精准的生态AI模型，以及更智慧的森林管理，我们终将揭开林水关系的深层密码，让森林这位 “水循环大师” 继续以自然之力，润泽万物，守护人类与地球的未来。

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