水源涵养内涵及估算方法综述

　　摘要：水源涵养与生态系统过程和人类生产生活紧密相关，深入研究水源涵养对维持生态系统健康和人类社会可持续发展至关重要,对促进人与水和谐共生具有指导意义。随着对水源涵养研究与应用的深入，水源涵养内涵逐渐丰富，评估方法愈加多样，但以往的研究中水源涵养定义模糊，缺乏对各种评估方法的综合性对比分析，因此急需明确界定水源涵养内涵，分析各种估算方法的适用性。采用文献分析法系统梳理了水源涵养研究历程，将其划分为认识与萌芽期、理论发展期、定量计算阶段和模型综合评估4个阶段;从定义、水量与功能3个方面明确界定了水源涵养内涵，从原理、时空尺度、适用范围及优缺点方面对已有水源涵养量估算方法进行了对比和分析，并展望了水源涵养研究的未来发展方向。

　　关键词：水源涵养;定义;功能;计算方法;模型

　　生态系统服务是指人们从生态系统中获取的所有直接和间接收益[1-2]，与人类福祉和社会可持续性发展紧密相关，近年来在国内外备受关注。当前水环境恶化和气候变暖造成了日益严峻的水资源问题，水资源需求量的增加则加剧了水资源短缺[3]，与水有关的生态系统服务受到高度重视。

　　由于水是连接各生态系统过程及人类活动的重要纽带，水源涵养在众多生态系统服务中占据中心地位，是表征生态系统状况的关键指标。水源涵养的变化不仅直接影响流域内自然要素状况与生态系统过程[4]，也会对下游地区的生态系统和水资源产生间接影响，引起新一轮的人水互动协同效应。

　　因此，研究我国生态系统的水源涵养功能，明确不同区域水源涵养功能与生态系统过程和人类活动的关系，识别水源涵养重要区，对当地生态屏障优化，应对气候变化风险及下游地区水资源优化配置具有重要的现实意义，同时对缓解我国水资源问题，发展完善“人-土-水”最优布局，促进区域可持续性发展与生态文明建设具有重要指导意义。

　　自20世纪以来，学者在我国开展了广泛的水源涵养功能研究，为水土综合管理和新时代的全国生态文明建设做出了重要贡献。但不同学者所界定的水源涵养内涵不同，缺乏统一的标准，实际工作中采用的研究方法多样，致使水源涵养量的估算结果往往存在较大差异。因此，本文对水源涵养研究进行梳理与概括总结，阐明水源涵养内涵，分析已有估算方法的有效性与适用性，以规范水源涵养评估过程，为我国水源涵养研究与生态文明建设提供指导。

　　1.水源涵养研究历程

　　1.1认识与萌芽期

　　人类从农牧时代对水源涵养就有所认识，我国有明确文字记载的水源涵养是清朝梅曾亮1823年在《书棚民事》中的记述：“每天雨，从树至叶，从叶至土石，历石罅，滴沥成泉。水缓，故低田受之不为灾，而半月不雨，高田犹受其浸溉。”该文分析了树木水源涵养对降水的截流、洪水消峰、基流增加及灌溉作用，此时人们初步认识到树木的水源涵养作用。水源涵养的研究起源于人们对森林与水关系的认识，可以追溯至19世纪。1864年，德国学者Ebmayer在巴伐利亚地区观测林区地表的蒸发，首次探究影响蒸发的因素,1879年又在奥地利观测森林对降水的截留量[5]。1900年，在瑞士BerneseEmmental山区开展了两个集水区对比试验，以探究植被对集水区径流量的影响，揭开了试验森林水文学的序幕[6]。

　　随后，众多国家开展了小流域对比试验，研究有林地和无林地水源涵养的差异[7-8]。而我国的森林水文研究起步较晚，始于20世纪20年代，罗德民和李德毅在我国多地开展了森林对径流和水土保持影响的观测研究[9-10]。美国学者Kittredge在1948年提出“森林水文学”的概念，推动了森林水文过程的研究，也为森林水源涵养功能的研究奠定了基础[11]。从19世纪初至20世纪50年代可以看作水源涵养的认识与萌芽阶段，此时水源涵养的概念不明确，主要指森林对径流的影响，研究方法单一，主要利用观测数据来分析森林与水的关系。

　　1.2理论发展期

　　20世纪60年代，美国学者Bormann和Liken在小集水区范围内研究森林生态系统与水文过程，首次将森林生态系统与水文学研究相结合[12]。在70年代，森林植被对河流水质的影响得到关注，国外开展了森林对改善水质的研究，将净化水质视为水源涵养功能的一种表现形式[13]。

　　与此同时，森林水文过程的研究得到重视，开展了林冠截留、枯落物持水、土壤蓄水与林地蒸散发等森林水文过程的研究，积累了大量的实测资料，发展了Rutter[14]、Gash[15]林冠截留模型，出现了众多计算枯落物持水量、土壤蓄水量、林地蒸散发量的经验公式，森林水文过程研究的发展丰富了水源涵养研究的理论基础。20世纪60、70年代可以看作水源涵养研究的理论发展阶段，这一时期在森林水文学领域取得了众多研究成果，对林冠截留、枯落物持水、土壤蓄水等水文过程的认识愈加明确。但是，这一阶段的研究对象仅限于森林生态系统，仍将水源涵养视为森林水文过程的一部分，并未明确界定水源涵养概念[16]。

　　1.3定量计算阶段

　　20世纪80年代以来，逐渐进入到水源涵养功能的定量评估阶段。早期主要实地测量林区不同作用层的降水截留率、土壤入渗率及蒸散发，在实测数据的基础上计算森林不同作用层的持水量[17]。1997年，Constanza定义了生态系统服务的概念，水源涵养开始作为生态系统的一项服务功能而受到关注[18]。研究者在实测数据的基础上估算了众多小流域范围内生态系统的水源涵养量及价值[19-20]。

　　由于学者对水源内涵的理解不同，在实际工作中采取的估算方法多样。典型方法有水量平衡法、降水贮存法、年径流法、地下径流增长法、林冠截留剩余法、土壤蓄水能力法、综合蓄水能力法、多元回归法以及影子工程法等。20世纪80年代至21世纪初可以看作水源涵养研究的缓慢增长期，此时森林生态系统的水源涵养概念逐渐明确，涌现出众多水源涵养估算方法。但水源涵养量的估算主要集中在样地尺度或小流域范围，计算结果受观测数据影响较大，不同计算方法得到的结果相差较大，缺乏可比性。

　　1.4模型综合评估阶段

　　近十余年来，国内外学者逐渐采用模型方法在区域范围内综合评估水源涵养功能，众多水文模型、生态模型广泛应用于水源涵养功能的研究中，如SWAT模型、InVEST模型、元胞自动机模型、SEBS和SCS模型、TerrainLab模型等。与此同时，水源涵养的尺度问题受到关注，王晓学等[21]从不同时空尺度探讨了森林水源涵养功能的内涵，界定了不同时空尺度下的水源涵养功能。此外，水源涵养的内涵不断丰富，其研究对象也由单一的森林生态系统向草地[22-23]、湿地[24]、都市农业[25]等其他生态系统扩展。 总的来看，人们对水源涵养的认识处于一个动态发展的过程中。

　　当前的水源涵养，研究内容更加综合，不仅关注流域内部的生态水文过程(降水截留、蒸散发等)，并研究多个水文过程与生态系统产生的综合效应(对降水的影响、调节气温等);研究对象由森林扩展到其他陆地生态系统，对比不同生态系统水源涵养能力的差异;研究范围进一步扩大，在空间上由样地尺度发展到流域、区域尺度，在时间上研究年、月、日不同时间尺度及不同时间序列下水源涵养功能的动态变化;相应的估算方法更加丰富，特别是采用众多综合模型评估水源涵养功能，对其进行更深层次的量化，同时注重结果的可视化表达，强调流域范围内水源涵养功能的空间差异性。

　　2.水源涵养内涵界定

　　随着研究的深入，水源涵养内涵逐渐丰富，不同学者的理解不同，尚未形成统一的定义。研究的早期将水源涵养视为森林对河流径流量的影响[26]。随着森林水文过程研究的逐渐成熟，水源涵养内涵扩展为森林生态系统通过林冠层、枯落物层及土壤层截留和贮存降水，表现出的补充地下水、调节河川径流等功能[27-29]。慢慢地，森林对降水的影响、净化水质的作用也视为水源涵养功能。这一时期水源涵养量定义为冠层截留、枯落物持水和土壤蓄水量三者之和，研究对象仅限于森林生态系统。而如今，水源涵养的研究对象由森林生态系统扩展到具备涵养水源能力的区域，水源涵养量定义为某区域在一定时段内收入与支出水量之差[30-34]。

　　总之，虽然不同学者界定的水源涵养内涵存在一定的重叠与差异，但基本都将水源涵养视为森林或草地、湿地生态系统对降水的截留贮存能力，以及在此过程中体现出的调节径流、水源供给与净化水质等功能。综上所述，水源涵养可以从功能、对象、水量三个方面界定其内涵。水源涵养是指在一定时空范围内，生态系统通过林冠层、枯落物层和土壤层、湖泊、水库水体等对降水进行截留、下渗以及贮存等过程，将水分充分保持在系统中的过程和能力，不仅满足系统内部对水源的需求，并且可以向外部及中下游地区提供水资源。

　　2.1水源涵养功能

　　水源涵养功能指生态系统在涵养水源的过程中参与流域水循环，调节水文过程并产生生态效益的能力，对维持生态系统平衡至关重要，同时可提供众多调节和供给服务[35-36]。作为多时空尺度下生态系统与水文过程综合作用的结果，水源涵养功能涉及的载体、生态水文过程及时间尺度特征众多，而且表现形式多样。从表现形式来看，水源涵养功能主要有水源供给、调节径流、拦蓄洪水、净化水质、水土保持和调节局地气温等。从水源涵养功能所涉及的载体、过程、表现形式及时间尺度特征来看，可以从狭义和广义的角度进行区分。

　　狭义的水源涵养功能是指涵养水源过程中森林-草地-土壤所形成的生态系统与水的相互作用，包括拦蓄洪水、调节径流、水源供给等;广义的水源涵养功能则包含了水文过程对局地气候、水土产生的综合影响与生态效益，不仅考虑森林-草地-土壤所形成的生态系统，还加入湖泊-水库-坑塘进行的水源涵养，不仅包括了水源供给、调节径流及拦蓄洪水，还有净化水质、水土保持和调节局地气温等。

　　2.2水源涵养量

　　水源涵养量是指某时段内生态系统存储的水量，其大小常用来评估水源涵养功能，其实质是指生态系统在一定的时空范围与条件下对降水的调蓄能力，即非雨期的蒸发与土壤产流量。在计算水源涵养量时应考虑时间尺度(场次降水、月、年)，对于场次降水，其水量是降水减雨期蒸发与产流;对于月、年大时间尺度，其水量是总降水量减雨期蒸发和地表产流。

　　水源涵养量可分为潜在水源涵养量与实际水源涵养量，前者指对生态系统充分供水情况下，生态系统对降水的最大调蓄能力;后者指实际降水与气候条件下，生态系统对降水的实际调蓄能力。潜在水源涵养量是实际水源涵养量的最大值。水源涵养量最小值是0，出现在不透水地面情况，所有降水均被蒸发和地表产流;水源涵养量最大值是降水量，当地表植被覆盖度足够高或者直接降水到湖泊水库中，降水雨强与雨量达不到地表产流条件，所有降水均被滞蓄在生态系统中。

　　3.基于概念模型的水源涵养定量评估方法

　　水源涵养量评估即定量计算生态系统内存储的水量，与水源涵养内涵相适应。由于学者定义的水源涵养概念不同及研究区的差异性，实际工作中采取的计算方法多样，主要有水量平衡法、降水贮存法、年径流法、地下径流增长法、林冠层截留剩余法、土壤蓄水能力法、综合蓄水能力法及多元回归法等，每种方法都存在一定的优势、局限性与适用范围。

　　上述方法大多从某一个维度来计算水源涵养量，不同方法所表征的水源涵养量有所差别，如土壤蓄水能力法将土壤中贮存的水量视为水源涵养量，综合蓄水能力法将冠层截留量、枯落物持水量和土壤蓄水量三者之和视为水源涵养量，这使得不同方法得到的计算结果可比性差。综合蓄水能力法考虑了不同作用层涵养的水量，与水源涵养内涵较为接近，并且可对比不同作用层对总水源涵养量的贡献，应用范围相对较广[37-39]。

　　水量平衡法将某区域在一定时段内收入水量与支出水量之差视为水源涵养量，与水源涵养内涵最为匹配，时空尺度适用性较强，是目前应用最广的方法[29,40]。聂亿黄[41]等将地表径流量视为水源涵养量，利用水量平衡法估算了青藏高原地区的水源涵养量，结果表明青藏高原地区多年(1982-2003年)平均水源涵养量为3.45129×1011m3，东南部水源涵养量大，而西北地区水源涵养能力很弱。龚诗涵等[4]将降水量与地表径流量及蒸散发量的差视为水源涵养量，利用水量平衡法估算了全国生态系统的水源涵养量。结果表明2010年全国水源涵养总量为12224.33亿m3，在空间上呈现东南高西北低、由东到西递减的趋势。

　　4.基于动力模型的水源涵养定量评估方法

　　随着对水源涵养理解的深入，以水文循环过程为理论基础，借助GIS、RS和计算机技术，发展了一系列水源涵养综合评估模型。水源涵养评估逐渐由上述传统计算方法发展到基于动力模型的综合评估方法，这些模型能够实现水源涵养功能的动态模拟分析，已成为定量评价水源涵养功能的主要途径。模型可分为两大类，一类是传统的水文模型，以SWAT模型为代表，另一类是新兴的生态系统服务评估模型，以InVEST模型为代表[54]。水文模型侧重于水源涵养的驱动因素，更加关注水源涵养过程的模拟;新兴的生态系统服务评估模型，关注最终的生态系统服务及评估结果在景观尺度上的可视化表达。

　　5.水源涵养价值评估

　　水源涵养作为生态系统一项重要的服务功能，为人们提供众多生态效益，是生态系统服务评估的一项重要内容。水源涵养价值评估就是从货币价值的角度出发，将生态系统的水源涵养能力进行价值化表达，常用于不同生态服务之间的权衡分析、生态系统服务总价值核算以及生态补偿中。一般是在水源涵养物质量计算的基础上，采用各种方法将生态系统涵养的水量换算为价值，用价值大小评价水源涵养功能[82-84]。目前多采用替代的方式间接计算水源涵养价值，影子工程法是应用最广泛的方法。此外，姜文来从构成水资源价值因素的角度出发，提出了计算森林水源涵养价值的模糊数学模型[85]。

　　6.结论与展望

　　本文在分析水源涵养已有研究成果的基础上，主要得出如下结论：

　　(1)水源涵养研究历程可划分为四个阶段：①认识与萌芽期(1800s-1950s)，主要基于观测数据分析森林与水的关系，将水源涵养视为森林对河流流量的影响;②理论发展期(1960s-1970s)，对林冠截留、枯落物持水、土壤蓄水等过程的认识逐渐深入;③定量化计算阶段(1980s-2000s)，水源涵养概念逐渐明确，水源涵养量估算方法得到空前发展;④模型综合评估阶段(近十余年)，主要采用综合模型评估区域范围内的水源涵养功能。

　　(2)水源涵养是指在一定时空范围内，生态系统通过植被层、枯落物层和土壤层、湖泊、水库水体等对降水进行截留、下渗以及贮存等过程，将水分充分保持在系统中的过程与能力，不仅满足系统内部对水源的需求，同时向外部及中下游地区提供水资源。

　　(3)水源涵养功能是一个动态发展中的概念，其内涵不断丰富扩展，可以从狭义和广义的角度进行区分。狭义的水源涵养功能是指涵养水源过程中森林-草地-土壤所形成的生态系统与水的相互作用，包括拦蓄洪水、调节径流、水源供给等;广义的水源涵养功能则包含了水文过程对局地气候、水土产生的综合影响与生态效益，不仅考虑森林-草地-土壤所形成的生态系统，还加入湖泊-水库-坑塘进行的水源涵养，不仅包括了水源供给、调节径流及拦蓄洪水，还有净化水质、水土保持和调节局地气温等。

　　(4)水源涵养评估可以从物质量和价值量两方面展开，相关的计算方法和评估模型众多，每种方法都存在一定的优缺点、时空尺度、适用范围等，实际应用中需灵活选择评估方法。

　　已有研究存在如下几条不足：

　　(1)水源涵养内涵不统一。不同的研究者，给出自己的水源涵养内涵，然后根据内涵给出水源涵养量的计算公式，所计算的结果即使在同一时段同一区域也会有很大的差异。

　　(2)水源涵养量计算对象不全。现有的计算仅仅考虑植被土壤的水源涵养量，而忽略了湖泊水库坑塘在水源涵养中的贡献。在青藏高原大量内陆湖区域会存在很大的计算不确定性。

　　(3)水源涵养量计算中水循环过程过于简化。水源涵养量计算时多采用年与月尺度进行简化计算，水量平衡考虑不足，导致各个水文要素计算存在很大的不确定性。水源涵养计算时很多是降水减蒸发与径流。由于非雨期的蒸发与壤中流应该是水源涵养的部分水量，简单重复计算很可能会出现负值，显然不合理。针对以上的不足，水源涵养研究与应用的核心发展方向是：“统一标准，完善对象，加强水循环，耦合多模型，实现精准水源涵养计算”。

　　可从以下几个方面开展进一步深入的研究：

　　(1)统一水源涵养的概念和内涵。基于水源涵养的发展与机理的研究，深挖水源涵养的内涵，给出合理的水源涵养定义，根据定义统一评价指标，规范水源涵养功能评估。

　　(2)完善水源涵养的研究对象。水源涵养不仅仅需要考虑植被、土壤，更应该考虑冻土、湖泊、坑塘和水库的蓄水功能，所以在计算水源涵养时，需将研究区域中植被、土壤、冻土、湖泊、坑塘、水库、河道作为研究对象，进行综合考虑，从而减小水源涵养计算的不确定性。

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　　(3)加强水循环计算，实现多模型的耦合。利用最新的发展的分布式水文模型，精确计算研究区域(或流域)的水循环过程，为获得更高精度的水源涵养提供准确的水文要素。生态模型、水文模型、湖泊模型、冻土模型的耦合能够更加综合地研究水源涵养，同时弥补单一模型的不足，以更加系统的视角看待水源涵养。

　　参考文献(references)：

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　　[3]姜文来.水资源价值论[M].北京：科学出版社,1998.(JIANGWL.Theoryofwaterresourcesvalue[M].Beijing：SciencePress,1998.(inChinese))

　　作者：王云飞1，叶爱中1，乔飞2，李宗省3，缪驰远1，狄振华1，龚伟1