探讨水资源与水环境管理的国家战略及相关科学问题，是21世纪各国政府的重点议题之一(刘昌明等, 2002; Vose et al., 2011)，也是当前中国推进国土绿化、生态文明建设及可持续发展进程中需特别关注的重大问题。中国面临水资源数量不足、时空分布不均与水环境恶化等生态环境问题，合理恢复和管理森林植被是解决水资源、水环境问题的重要途径(王彦辉等, 2004; Chen et al., 2015b)。然而，森林与水的关系复杂，正确认知森林覆盖变化对特定时空尺度上生态水文过程的影响对指导森林植被恢复实践具有重要意义。

森林植被不但通过根系吸水和气孔蒸腾直接产生水文影响，也通过其垂直方向的冠层结构和水平方向的群落分布对降水、下渗、产汇流以及蒸散等过程产生作用，形成了森林植被在不同时空尺度上对陆地水文过程的复杂调控作用(杨大文等, 2010; 余新晓, 2013)。此外，森林植被还具有重要的改良土壤水文物理性质(Bárcena et al., 2014; Toohey et al., 2018)、改善区域小气候环境(Peng et al., 2014)等重要生态功能。因此，森林植被的生态水文效应研究在陆地水循环与水资源研究中受到特别关注(Sun et al., 2006; 2011; Sweeney et al., 2014)。

森林集水区/流域试验是世界范围内普遍用来研究森林生态水文效应的传统方法(Zhou et al., 2015)，该方法把森林生态系统定义在一个相对封闭的小流域范围内，开展综合性的生态学、水文学和生物地球化学等方面的研究(黄志刚等, 2009; Bosch et al., 1982; Brown et al., 2005)。特别是基于自然因素(自然演替、火灾等)与人为调控(砍伐、造林等)下研究植被变化(变化前、变化后)对水文过程及产水量与水质的影响(Yan et al., 2015; Boggs et al., 2016)，在科学认知森林的水文效应及其生态服务功能以及合理利用植被管理策略调理区域水资源与水环境等方面起到了极为重要的作用。

经过一个多世纪的发展，森林生态水文学学科也从最初的专注于个别水文现象的测定分析及其水文效益评价，逐步发展为注重新技术、长期固定监测以及跨区域整合研究等来寻求解决区域水环境、水土流失以及水资源调控等现实问题的交叉性、实践性学科(程国栋等, 2011; 陈华等, 2016; Chang, 2012)。当前，人们普遍认可了森林生态系统净化水环境、控制水土流失等水文服务功能(Millennium Ecosystem Assessment, 2005; Sweeney et al., 2014; Fu et al., 2017)，然而长期以来在与森林-径流关系有关的“碳水平衡”认识上一直存在较大争议(Zhou et al., 2015)，分布于世界各地的大量集水区试验由于其所处气候区、土壤、植被及集水区特征(面积、形状、坡度等)的差异而呈现出明显不一致的观测结果，即：森林与径流之间的负相关、无关系甚至正相关关系(Wang et al., 2011; Zhou et al., 2015; Zhang et al., 2017)。

本文通过梳理世界不同地区广泛开展的基于森林集水区/流域试验(尤其是单独集水区法和配对集水区法)的森林与径流关系研究结果，结合近年来该方面研究的重要进展，重点围绕森林与径流关系的争论观点、争议来源以及未来森林生态水文研究需加强的方面等进行分析探讨，以期服务于森林与径流关系的未来研究，同时对指导区域森林经营管理、生态公益林建设等具体实践亦具有重要意义。

1 集水区试验方法

鉴于集水区的天然条件和特定研究目的考虑，目前采用的集水区观测方法主要包括以下4种(中野秀章, 1983)：1)单独集水区法即单独集水区的处理前、后水文特征对比监测研究(Lewis et al., 2000; Zhang et al., 2012b)；2)控制集水区法即配对集水区对比试验研究(Huang et al., 2003; Boggs et al., 2016)；3)平行集水区法(Yan et al., 2015)；4)多数并列集水区法(Hibbert, 1965)。其中，尤以单独集水区试验和配对集水区试验的监测研究在世界范围内广泛开展(图 1)(魏晓华等, 2005; Zhou et al., 2015)。在前人工作的基础上，Zhou等(2015)对遍布全世界的集水区试验平台的观测数据进行了系统的整合分析，全球800多个集水区试验平台的区域分布情况如图 1所示。

1.1 单个集水区长期观测试验

长期定位观测是生态学研究的基本试验方法(傅伯杰等, 2002)，因此，单个集水区长期观测试验研究被世界各国学者普遍采用(Lewis et al., 2000; Ceballos-Barbancho et al., 2008; Zhang et al., 2012b)。与配对集水区试验不同，单个集水区/流域试验注重通过长时期监测来研究气候和土地覆盖变化对森林生态系统的影响。然而，该试验方法不能通过直接观测来量化森林变化对产流量等水文特征的作用，因为无法剔除气候因子改变导致的水文变异影响(李峰平等, 2013)。因此，目前多数基于单个集水区/流域的监测研究需借助相关数学分析及水文模型法来剔除气候变化的影响(Wei et al., 2013)，如双累计曲线法(Double Mass Curve Method)(Chen et al., 2015a)、敏感性分析法(Sensitivity Analysis Method)(Zhou et al., 2015)、水文模型法(SWAT模型、DHSVM模型及MIKE-SHE模型等)(Cuo et al., 2011; Zhang et al., 2012a; Du et al., 2014)等。

1.2 配对集水区对比试验

配对集水区试验的目的主要是用来衡量森林的间伐、火烧、补植等经营管理措施对河川径流的影响。早在1909年，美国农业部便在科罗拉多州南部的Wagon Wheel Gap建立了世界上第一个严格意义上的配对集水区观测试验，开展森林水文学的长期监测与研究(魏晓华等, 2005)。该方法首先要求科学、合理地选定两个或以上数量的且在面积、形态、地形、地质及植被等方面都较为近似的集水试验区，选择其中一个作为控制集水区，其余为处理集水区。在校准期，获取各对比集水区的降雨、径流等水文监测数据，并建立集水区相关因子间的回归关系。在试验期进行林分的间伐、皆伐等处理措施，从而研究森林经营措施对产水量的影响(李广毅, 1987; Boggs et al., 2016)。这是配对集水区试验方法的起源。相对于单个集水区观测试验，配对集水区对比试验可有效排除森林干扰前后的气象因子差异以及气候变化等因素的影响，因此，长期以来被认为是能有效评估植被变化对产水量影响的重要方法之一(Huang et al., 2003; Boggs et al., 2016)。近一个世纪以来，美国、澳大利亚、德国、日本等国家纷纷建立了集水区生态观测站来开展森林水文学相关研究，其中配对集水区观测试验达250个之多(Zhou et al., 2015)。

2 森林与径流关系的争论 2.1 森林对径流负作用的观点

森林对径流量存在负作用观点主要包括森林减少会增加产水量或森林增加会减少产水量两个方面，这是目前森林生态水文学界大多数学者持有的观点。作为第一个严格意义上的配对集水区，Wagon Wheel Gap早期开展的相关研究便证明了砍伐森林会增加产水量(王礼先等, 1998)。随后，诸多学者围绕森林的经营管理如何影响流域水文过程及径流量开展了大量研究(Andréassian, 2004)，主要包括：1)森林面积改变对产水量的影响，如植树造林、砍伐、火烧等；2)森林类型改变对产水量的影响，如林地与草地、灌木、农田等土地利用方式的转变或不同类型森林的转换等；3)森林结构改变对产水量的影响。

随着世界范围内集水区观测试验的广泛开展，国内外学者进行了大量综述性研究。Hibbert(1965)曾综合分析了全球39个集水区的观测结果，指出：1)森林减少可增加产水量；2)在原无植被覆盖的地区造林会减少产水量；3)植被对处理方式的响应是多方面的，并且往往难以预测。Bosch等(1982)整合分析了世界上94个集水区的观测结果，进一步证实了上述Hibbert的前两条结论。尤其是美国北卡罗来纳州的Coweeta 17号集水区，在裸地上全部种植松树(Pinus strobus)后导致年径流量减少660 mm。Stednick(1996)系统总结了美国95个集水区的观测试验结果后指出，森林皆伐增加年径流量可高达750 mm。Sahin等(1996)对全球145个集水区的相关试验结果进行模糊线性回归分析后指出，在皆伐情况下，针叶林、硬木-针叶混交林、灌木、草本对产水量的负效应大致呈依次递减趋势。其中，针叶林皆伐后年产流增加量可达330 mm，灌木可达92 mm。随后Andréassian(2004)、Brown等(2005)、Salemi等(2012)和Li等(2017)对全球大量集水区观测与报道结果进行了不同视角的综述，得出的结论也几近相似。我国在干旱、半干旱地区(如黄土高原地区)的研究也普遍认为大面积植被恢复显著减少了河川径流量，甚至加剧了区域干旱(Wang et al., 2011; Chen et al., 2015b; Fu et al., 2017)。

2.2 森林对径流无显著作用的观点

前苏联学者在西北部和上伏尔加河流域等集水区的观测研究发现，森林覆盖率增加对小流域年径流量无明显影响，或无明显规律性(孙惠南, 2001)。王金叶等(1998)及李昌哲等(1986)分别在我国西北地区祁连山北坡后山地带、华北地区永定河支流开展的相关研究也发现：森林增加不会减少河川径流量。我国海南岛万泉河乘坡水文站和昌化江毛枝水文站的观测资料同样表明，森林植被变化引起的河川径流量变化并不明显(李文华等, 2001)。Hornbeck等(1997)在美国Hubbard Brook Experimental Forest集水区的研究表明，当考虑年或生长季的径流时，森林采伐对径流量有一定影响，而当仅考虑休眠季节的径流时，森林采伐对径流量几乎没有影响。Lewis等(2000)对美国加利福尼亚州一个橡树(Quercus douglasii)林流域进行14%面积的砍伐处理后发现，流域产水量几乎没有改变。Buttle等(2000)在加拿大Ontario对流域森林进行5%~25%的采伐处理，发现其对流域径流量的影响极为有限。Wilk等(2001)通过对泰国Nan Pong流域(> 1 000 km²)在1957—1995年期间森林覆盖面积显著减少的3个阶段的长期研究发现，没有任何一个阶段的森林面积减少导致了河川径流明显增加。Ceballos-Barbancho等(2008)在西班牙Duero河流域(13 250 km²)的相关研究也表明，1966—1996年间的森林组成与结构改变并没有对流域径流造成显著影响。Peña-Arancibia等(2012)在Queensland的Upper Burdekin集水区(17 299 km²)开展的相关研究指出，1998—2009年间森林覆盖度从83%减少到58%，流域年径流量并没发生明显变化。Zhang等(2017)对全球大量集水区(＜1 000 km²)多年监测数据的整合分析也指出，森林覆盖增加(如荒山造林、自然更新)导致的流域年径流量变化并不显著(P=0.80)。

2.3 森林对径流正作用的观点

中野秀章(1983)在《森林水文学》一书中对前苏联森林水文学相关研究进行了总结，发现诸多研究表明森林覆盖率增加能提高河川流量，火烧或砍伐森林会造成河川径流量减少，甚至导致河流水位下降以及区域干旱(李文华等, 2001; 刘昌明等, 2002)。自20世纪50—60年代以来，我国学者也曾就长江上中游、西南地区米亚罗高山林区、东北地区黑龙江与松花江水系以及西北地区秦岭北坡的石头河和黑河流域等大尺度上的森林植被变化对河川径流量的影响加以研究，多数观测表明森林覆盖率增加会不同程度地增加河川径流量(石培礼等, 2001)。Wang等(2011)对中国东北地区的相关研究进行了综合分析，发现该地区森林覆盖率和径流系数呈显著正相关，其线性回归方程的决定系数高达0.77(P＜0.05)。于静洁等(1989)基于华北石质山区3组对比流域的研究表明，森林覆盖率每增加1%，流域年径流量增加0.4~1.1 mm。我国长江中游(包括岷江流域)5组多林和少林流域(674~5 322 km²)的对比分析也表明，多林流域的年径流量比少林流域的大，多林流域的年径流系数比少林流域增大33%~218%(孙惠南, 2001)。Zhou等(2010)分析了华南地区广东省主要河流的径流量长期监测数据，指出1955—2006年的50多年间，广东省森林覆盖率从21.7%(1955—1961年)增加到56.6%(1995—2006年)，但区域产水量并没有减少，相反干季(10月—3月)径流量却随森林覆盖度增加而显著增加。

3 森林与径流关系的争议来源

森林和水是森林生态系统的重要组成成分，前者是生态系统的主分，后者是生态系统中能量流动和物质循环的主要载体，二者关系密切(周国逸, 1997)。森林植被的特定结构、组成及其时空动态通过影响林冠与林下层降水截留、地表与地下产汇流以及生态系统蒸散(包括植被蒸腾、土壤蒸发)等过程而对集水区液态水分输出产生深刻影响。一个多世纪以来，森林与径流的关系一直是森林生态水文学研究的难点和争论的热点。

从基于流域试验观测开展森林与径流关系研究的大量报道可以发现，森林植被变化对产水量的影响存在不同结论，代表性的观点是：1)造林或砍伐对森林产水量的影响与试验地区的降水量有关。在高降雨量地区，植被减少和植被恢复引起径流量变化较大。然而，由植被变化而引起的径流变化的持久性要低于降雨量低的地区。干旱地区实际蒸散远小于潜在蒸散力(即水分限制)，森林植被相对较高的林木蒸腾对土壤水分消耗大，尤其是深层土壤。此外，森林覆盖增加还会显著增加林冠降雨截留量，增大总蒸散(石培礼等, 2001; Mcvicar et al., 2007)。在气候较湿润地区，其实际蒸散与潜在蒸散力较接近(即热量限制)。在这种气候条件下，森林覆盖增加可能并不会显著影响实际蒸散，主要原因在于森林覆盖大幅增加会显著降低区域近地面空间的大气温度(Peng et al., 2014)，导致潜在蒸散力下降，从而限制实际蒸散(Zhou et al., 2015)。2)在小面积集水区的研究更倾向于森林覆盖增加会显著减少产水量，而在大流域这种现象不明显，且更倾向于河川径流量随森林覆盖增加而增加(Wei et al., 2010)。整体来看，全世界广泛开展的配对集水区试验的集水区面积多小于100 hm²(Bosch et al., 1982; Wei et al., 2010)。集水区面积是影响森林对产水量作用的重要影响因子之一。当前以小面积集水区试验观测为主的森林-径流关系研究(Li et al., 2017)，只能得到该尺度的研究结果，很难直接推演到大空间尺度去，更无法合理解释多尺度情况下的森林与水作用机理(张志强等, 2003; Zhang et al., 2017)。Zhou等(2015)研究更进一步指出：集水区森林覆盖变化导致的产水量变化，除受区域水热大环境的影响外，集水区的下垫面特征(如面积、形状、坡度及土壤特征等)也是重要因素。3)虽然大多数集水区试验研究表明森林间伐会短期内增加年径流量(Boggs et al., 2016; Salemi et al., 2012)，但对森林间伐影响径流的长期效应关注较少(Liu et al., 2018)。反之，森林覆盖增加尤其是自然演替驱动下的森林生物量增加对年径流量影响更为复杂(Wang et al., 2011; Yan et al., 2015; Zhang et al., 2017)。荒山造林、封山育林或森林自然演替过程中植被组成与结构的变化对土壤水文物理特征(如导水率、持水能力与保水能力等)的改良作用(刘效东等, 2011; Bárcena et al., 2014)以及改变区域小气候环境(Peng et al., 2014)导致的潜在蒸散变化，均在一定程度上影响着降水再分配、水分下渗、产汇流及蒸散等过程，并最终体现于径流量的变化。

森林与水关系的争论，其实质是对两者间作用机理认知的缺乏。不同自然地理环境或相同自然地理环境下不同类型的森林对大气降水的截留过程、再分配过程、地表与地下产汇流过程及对蒸散和其组分产生的影响不尽相同，由此造成了系统水分循环及水量平衡的时空格局与过程的差异(李文华等, 2001)。由于森林与水作用关系的复杂性，尽管集水区试验方法被公认为是有效的研究手段，但其在正确揭示两者作用机理上具有局限性(魏晓华等, 2005; 孙阁等, 2007; Brown et al., 2005)，这也是造成森林与水的关系存在较大争议的重要原因。单个集水区/流域试验注重通过长时期监测来研究气候和土地覆盖变化的影响，该方法不能通过直接观测来量化森林覆盖变化对产流量的作用，因其无法剔除来自气候因子改变造成的水文变异影响(李文华等, 2001; Zhang et al., 2017)。而配对集水区试验虽然排除了气候因子对产水量的影响，但由于不同集水区不仅在植被覆盖方面具有差异，在坡度、面积、形状、土壤特征等方面也不尽相同，也就是说配对集水区试验观测认为的来自植被覆盖变化对产水量的影响，实际上难以排除流域本身的物理特征及其作用下的产汇流过程与产水量的影响(Zhou et al., 2015)。因此，配对集水区试验结果可能会高估了土地覆盖变化(包括森林植被变化)对产水量的影响程度。

当前，全球广泛基于集水区试验方法来评估森林与水的关系研究，仍具有一定的设计缺陷(魏晓华等, 2005; 周国逸等, 2017)。由于监测手段与研究方法所限，大多研究将集水区视为“黑箱”，这也使得我们难以全面地诠释系统内部水分过程以及输出径流的水分来源及组分状况，从而造成观测结果的一定程度的不确定性。森林与径流关系的复杂性要求我们在探究森林与水的关系问题上架构系统观的思想，必须整合考虑植被、径流与其他因子(地质、地形、土壤等因子)及过程(气候变化、人为干扰等)的相互作用。

4 问题与展望

森林与径流的关系虽历经长期探讨，但至今仍争论不休，研究方法是一个关键。近年来，人们逐渐从对“流域试验方法”标准的深信不疑，转向对该方法在流域严格配对的定义上的“预先假定”问题以及流域试验平台设计上的缺陷等的思索(周国逸等, 2017)。此外，本质上而言，森林与径流的关系的争议性也反映出我们在以植物与水分关系为理论基础、以地球关键带(Earth’s Critical Zone)(NRC, 2001)不同界面层(大气层、植被层、土壤层与岩石层)之间的水分生物物理过程为通径、以特定时空尺度上与不同时空尺度间水分通量关系推演为关键等的相关议题上的认知所限。为此，笔者认为，要正确认知森林与水的关系，未来研究需着重关注以下几个方向的问题：

1) 开展大尺度、多尺度耦合与精细化研究生态水文过程具有高度的尺度依赖性(程国栋等, 2011)。流域面积是影响森林与水作用关系的天然因子(Wang et al., 2011; Zhou et al., 2015)，小尺度的研究结果无法外推到大尺度空间(Li et al., 2017)。此背景下，十分有必要开展大尺度、多尺度耦合以及基于精细控制试验平台的系统化(刘菊秀等, 2013)生态水文学研究。

2) 开展跨站点、跨气候区整合研究干旱和湿润气候区流域的森林与水关系的差异，让我们意识到开展单个地区的森林水文试验研究具有一定的局限性，无法深入认知气候差异引入的不确定问题。因此，未来有必要强化不同气候区的集水区监测数据的整合分析研究，利用大数据挖掘技术来揭示森林覆盖变化与径流变化间的定量化关系。

3) 注重过程、机理及模型模拟研究流域产水量不仅受气候水热条件(降雨及潜在蒸散力)和植被特征的影响，还受到下垫面参数的影响，如流域面积、形状、坡度以及土壤特征等。未来研究尚需进一步构建流域下垫面特征与系统“保水性”综合因子之间的定量化关系(Zhou et al., 2015)，以期深入认知森林与径流的关系及其内在机制。

4) 加强多学科交叉、多种方法比较的系统性研究植被生态系统的水文过程是涉及“气孔—叶片—个体—冠层—生态系统—流域”等多个尺度的界面过程，且影响各界面过程的因子众多(余新晓, 2013)。因此，应加强不同学科、不同界面层、不同研究方法的整合、比较研究，以期全面揭示森林与水的关系。