在干旱缺水、环境恶劣的黄土高原，由于植被稀少、夏天多侵蚀性暴雨等，水土流失极为严重。为此，从20世纪50年代起，国家在该区实施了大规模造林等植被恢复活动，使森林覆盖率明显增加^[1]；而且，为充分发挥森林在积极应对全球气候变化中的独特作用^[2]，该区还将进一步加大森林植被恢复和造林活动。但最近一系列研究表明，森林覆盖率的增加在改善环境的同时也导致了径流的明显减少^[3-7]，危及区域水资源安全和可持续发展。因此，需准确理解和定量评价森林覆盖率变化对该区域流域径流和水资源安全的影响，以便科学指导该区的人工造林等植被恢复活动。

在以往定量评价黄土高原森林覆盖率变化的流域水文影响时，大多是分析其多年均值的变化^{[4, 6-7]}，未能分析不同降水年份和不同季节对水文影响的差异^[8-9]；因此，笔者将在黄土高原选择典型性流域，重点评价森林覆盖率变化的水文影响在不同降水年份和不同季节的差异。具体研究流域为位于黄土高原腹地的泾河干流上游，这里属于黄河中游地区的重要水源地之一，自2000年实施大规模退耕还林工程以来，流域森林覆盖率迅速增加；虽然年降水量仅有轻微降低，但流域年径流量大幅减少^[10]，是具有代表性的黄土高原流域。笔者基于率定和检验过的SWIM模型^[10]，利用1997—2003年的气象和水文数据，制定多种森林覆盖率变化情景，定量模拟和评价了森林覆盖率变化的流域水文影响。

泾河干流上游(E 106°11′~107°21′，N 35°15′~35°45′，即泾川水文站控制的流域范围)位于黄土高原腹地，总面积3 102 km²，其中石质山区、黄土区面积分别为1 202和1 900 km²。研究区内泾河干流长度约120 km，汇入其中的支流主要有颉河、暖水河、大路河、小路河等。年均降水量676 mm，空间分布不均^[11]，自西向东逐渐减少。石质山区土壤以灰褐土为主，土层较薄，森林土壤的总孔隙度＞60%；黄土区土层深厚，一般在50~80 m不等，主要是中壤土，一般总孔隙度＜60%。

在泾河干流上游流域内，草地和耕地面积较大，其中石质山区草地的面积比例为11.3%、黄土草地面积为18.2%；石质山区的草地覆盖度多为50%~70%，而黄土区较低，为40%~50%；农田面积比例约为42.2%，主要分布于黄土塬地及丘陵，以种植冬小麦为主，玉米次之；森林则主要分布在石质山区，石质山区和黄土区的森林占流域总面积的比例分别为20.5%和6.3%(表 1)。

表 1(Table 1)

表 1 泾河干流上游土地利用面积比例 Table 1 Area ratio of each landuse type in the upstream of Jinghe River 土地利用 Landuse type 水域 Water 居民 地Town 黄土耕地 Loesscropland 黄土林地 Loessforestland 黄土草地 Loessgrassland 石质耕地 Rockeycropland 石质林地 Rockeyforestland 石质草地 Rockeygrassland 玉米地 Cornfield 面积比例 Area ratio/% 1 0.6 29.9 6.3 18.2 5.7 20.5 11.3 6.6 注：解译自2000年的遥感数据。Notes: Interpreted from the remote sensing data of 2000.

表 1 泾河干流上游土地利用面积比例 Table 1 Area ratio of each landuse type in the upstream of Jinghe River

SWIM模型由Valentina Krysanova等^[12-15]将MATSALU与SWAT模型进一步整合改进而来。模型通过划分流域(basin)、亚流域(subbasin)和水文单元(hydrotope)，把气候数据和农业管理数据作为外部输入数据，并整合了流域尺度上的水文、土壤侵蚀、植被和氮/磷动态模块。其中基于水量平衡方程的水文模块，考虑了降水，蒸散，渗流，地表径流，并把土壤剖面分割成不同层次的地下径流。模拟流域径流过程分为2部分：水循环的陆面部分(即产流和坡面汇流部分)和水循环的水面部分(即河网汇流部分)。前者控制每个子流域内主河道的水量输入量，后者决定水量从河网向流域出口的输移过程。径流模拟主要由地表径流、蒸散发、土壤水和地下水4个部分组成。其中地表径流采用径流曲线数法(SCS法)计算，侧向壤中流采用对整个土壤剖面的质量连续方程计算，潜在蒸散采用Priestley-Taylor公式求得，土壤水分的实际蒸发量由土壤厚度和含水量的指数关系式计算，潜在土壤水蒸发用潜在蒸散发和叶面指数估算，植物蒸腾由潜在蒸散发和叶面指数的线性关系式计算。具体水文分量计算方法见参考文献[16]。模型的数据收集处理及率定、检验等见张淑兰等^[17]论文。

流域森林覆盖率的情景制定既要符合自然规律，也要考虑实际情况。在本研究中，情景制定时遵循以下原则：1)依据《农田基本保护法》(1998年)等法律法规，基本农田必须得到保护，不能转变为林地；2)依据适地适树等林学原则。具体操作方法如下。

基于以往的植被分布和黄土高原立地划分研究成果，在泾河干流上游划分出不同立地类型，根据立地质量确定造林的优先性。本研究把草地转化为林地分析其水文影响，借助Arcgis将草地划分为不同立地类型，依据其造林优先性顺序，依次扩大森林覆盖率，形成多种森林覆盖率增加的变化情景。为简化计算，在这些情景中，将石质山区的草地均恢复为当地的最主要造林树种华北落叶松，在黄土区则把草地均恢复为当地最主要造林树种刺槐，草地和林地的参数见表 2。

表 2(Table 2)

表 2 模型中草地、林地主要参数 Table 2 Parameters of each land use type in the model 土地利用 Landuse type 最大叶面积指数 Maximum of leaf area index 根深 Root depth/cm 土厚 Soilthickness/cm 土壤密度 Bulk density/(g·cm-3) 孔隙度 Porosity/% 田间持水量 Fieldcapacity/% 导水率 Soilconductivity/(mm·h-1) 黄土草地Loess grassland 1.2 40 60 1.36 45.68 36.83 65.57 刺槐林Black locust plantation 2.5 100 200 1.31 52.6 44.15 48.4 华北落叶松林Larch plantation 2.7 55 80 1.15 53.67 42.16 70.52 山地草地Mountain grassland 2.0 20 20 0.96 72.50 51.80 50.37

表 2 模型中草地、林地主要参数 Table 2 Parameters of each land use type in the model

共制定了9个情景(表 3)，其中以2000年土地利用现状为对照(情景0)。不同情景下的各种土地利用类型占整个流域面积的比例见表 4。依据这些情景，草地可恢复为森林的面积占整个流域面积的比例在石质山区为8.32%，在黄土区为9.75%。

表 3(Table 3)

表 3 草地转变为林地的森林覆盖率增加情景 Table 3 Scenarios of incresed forest coverage by converting grassland into forestland 情景 Scenario 情景说明 Scenario description 变化面积 Area change/km2 累积森林覆盖率 Accumulated forest cover/% 0 土地利用现状 Current situation of landuse 0 26.48 1 在情景0基础上，仅将石质山区沟底、坡麓及海拔2 300~2 700 m范围内坡度 < 40°阴坡的草地转为华北落叶松林 Based on the scenario 0, converting the grassland in ditchs, footslopes, and shady-slope with a gradient < 40° and an altitude range of 2 300-2 700 m in rocky mountain region into larch plantation 35.05 27.61 2 在情景1基础上，仅将石质山区海拔2 000~2 300 m范围内坡度 > 40°的阴坡草地转为华北落叶松林 Based on the scenario 1, converting the shady-slope grassland with a gradient > 40°and an altitude range of 2 000-2 300 m in rocky mountain region into larch plantation 59.87 28.41 3 在情景2的基础上，仅将石质山区海拔2 300~2 700 m范围内坡度 < 40°的半阴坡以及海拔1 750~2 000 m范围内坡度 < 40°的阴坡的草地变为华北落叶松林 Based on the scenario 2, converting the grassland in semi-shady slope with a gradient < 40° and an altitude range of 2 300-2 700 m, and in shady slope with a gradient < 40° and an altitude range of 1 750-2 000 m in rocky mountain region into larch plantation 142.69 31.08 4 在情景3的基础上，仅将分布在黄土区沟谷底以及降水量 > 550 mm的阴坡、半阴坡，坡度 < 25°的坡下和坡中的草地变为刺槐林 Based on the scenario 3, converting the grassland in ditchs, shady and semi-shady slopes with a precipitation > 550 mm, as well as in down-and mid-slope with a gradient < 25° in loess region into black locust plantation 224.58 33.72 5 在情景4的基础上，仅将分布在黄土区降水量 > 550 mm的阳坡、半阳坡，坡度 < 25°以及降雨450~550 mm阴坡的草地变为刺槐林 Based on the scenario 4, converting the grassland in sunny, semi-sunny slopes with a precipitation > 550 mm and shady slope with a gradient < 25°and a precipitaion range of 450-550 mm in loess region into black locust plantation 262.43 34.94 6 在情景5的基础上，仅将石质山区海拔2 000~2 300 m半阳坡和海拔1 750~2 000 m半阴坡(坡度均 < 40°)草地变为华北落叶松林 Based on the scenario 5, converting the grassland in semi-sunny slopes with an altitude range in 2 000-2 300 m and semi-shady slope with an altitude in 1 750-2 000 m (the gradient of all above areas < 40°) in rocky mountain region into larch plantation 337.50 37.36 7 在情景6的基础上，仅将黄土区坡度在25°~45°，以及降雨量 < 550 mm、坡度在15°~25°的草地变为刺槐林 Based on the scenario 6, converting the grassland with a gradient range of 25°-45°, and grassland with a precipitation < 550 mm and a gradient range of 15°-25° in loess region into black locust plantation 520.21 43.25 8 在情景7的基础上，仅将石质山区海拔2 000~2 700 m范围内坡度 > 40°，以及2 000~2 300 m坡度 < 40°的阳坡的石质草地变为华北落叶松林 Based on the scenario 7, converting the grassland with a gradient > 40° and an altitude range of 2 000-2 700 m, and sunny rocky grassland with a gradient < 40° and an altitude range of 2 000-2 300 m in rocky mountain region into larch plantation 560.53 44.55

表 3 草地转变为林地的森林覆盖率增加情景 Table 3 Scenarios of incresed forest coverage by converting grassland into forestland

表 4(Table 4)

表 4 不同情景下各土地利用方式占流域的面积比例 Table 4 Area ratio of each landuse type in different scenarios % 情景 Scenario 乔木林 Arbor forests 灌木林 Shrubwood 草地 Grassland 耕地 Cropland 其他 Other 增加的森林覆盖率 Increased forest coverage 0 16.06 10.42 29.83 42.15 1.54 0 1 17.19 10.42 28.67 42.15 1.54 1.14 2 17.99 10.42 27.84 42.15 1.54 1.95 3 20.66 10.42 25.11 42.15 1.54 4.64 4 23.30 10.42 22.33 42.15 1.54 7.43 5 24.52 10.42 21.08 42.15 1.54 8.57 6 26.94 10.42 18.65 42.15 1.54 10.99 7 32.83 10.42 12.80 42.15 1.54 16.85 8 34.13 10.42 11.50 42.15 1.54 18.13

表 4 不同情景下各土地利用方式占流域的面积比例 Table 4 Area ratio of each landuse type in different scenarios

利用1997—2003年泾河干流上游的气象数据和上文制定的9种森林覆盖率变化情景，模拟得到草地变为森林后的年均径流和总蒸散的响应(图 1)。可知，年均径流与年总蒸散均与森林覆盖率具有强烈线性关系，其中年均径流随森林覆盖率增加而减少，年总蒸散随森林覆盖率增加而增大。平均森林覆盖率每增加10%，年均径流减少6.53 mm，年总蒸散增加8.98 mm。这是由于森林比草地有更大的叶面积指数和根系深度，同时森林土壤水文物理性质(如土壤密度、孔隙度、导水率、田间持水量等)也优于草地，导致草地变为森林后的截持蒸发、植被蒸腾增大，使得总蒸散增加，形成的径流减少。

图 1(Figure 1)

图 1 泾河干流上游年均蒸散和径流深随森林覆盖率的变化 Figure 1 Annual evapotranspiration and runoff depth change with the forest coverage in the upstream of Jinghe River

从表 5可看出，1997—2003年的年均降水量为548 mm，但不同年份差异较大，最少年份1997年仅330 mm，最多年份2003年达796 mm。将1997、2000(429 mm)视为枯水年，将1998(584 mm)、1999 (501 mm)和2002年(570 mm)视为平水年，将2001(629 mm)和2003年(796 mm)视为丰水年，用以评价森林覆盖率水文影响的年度差异。

表 5(Table 5)

表 5 1997—2003年年降水量 Table 5 Yearly precipitation in 1997—2003 年份 Year 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 平均值Mean 降水量 Precipitation/mm 330 584 501 429 629 570 796 548

表 5 1997—2003年年降水量 Table 5 Yearly precipitation in 1997—2003

不同情景蒸散和径流深模拟值在不同降雨年份均表现为丰水年＞平水年＞枯水年，如丰水年蒸散和径流深年均值分别为493.83和60.17 mm，大于平水年的472.10和31.06 mm和枯水年的404.33和16.30 mm。进一步分析不同年份的年总蒸散和径流随森林覆盖率增加的变化量关系发现：不同降水年份蒸散随森林覆盖率的增加呈线性增大关系，其增大速率可用线性回归系数来评价。结果表明：线性回归系数为枯水年(1.01)＞平水年(0.86)＞丰水年(0.85)，即森林覆盖率增加10%时年蒸散增加量分别为10.1、8.6和8.5 mm；不同年份的年径流均随森林覆盖率增加呈线性减少关系，其线性系数总的来说为枯水年(0.90)＞平水年(0.56)＞丰水年(0.51)，即森林覆盖率增加10%时年径流减少量分别为9.0、5.6和5.1 mm，其中当森林覆盖率增加＜10%时，年径流变化量的绝对值排序为：枯水年＞丰水年＞平水年(图 2)。

图 2(Figure 2)

图 2 泾河上游森林覆盖率变化对流域不同年份蒸散和年均径流的影响 Figure 2 Impact of forest coverage on the evapotranspiration and runoff in the upstream of Jinghe River

从表 6和表 7可以看出，随森林覆盖率增加，蒸散在春季(3—5月)和初夏(6月)明显增加，其中春季具有线性关系式y=0.67x(R²=0.998 7)，夏季和秋季(7—10月)呈降低趋势，秋末和冬季(1、2月和11、12月)呈微弱增加。森林覆盖率每增加流域面积的10%时，春季蒸散增加6.7 mm，初夏增加2.1 mm，夏季和秋季共减少1.6 mm，秋末和冬季增加不明显；随着森林覆盖率的增加，区域径流的减少在夏季最大(4.7 mm)，基本呈线性，春季次之(1.5 mm)，冬季最小(＜0.2 mm)，而秋季(除11月呈微弱减少外)则呈增加趋势。

表 6(Table 6)

表 6 不同情景不同月份泾河上游总蒸散模拟数据 Table 6 Total simulated monthly evapotranspiration under different scenarios in the upstream of Jinghe River 情景 Scenario 森林覆盖率 Forest coverage/% 蒸散 Evapotranspiration/mm 1月 January 2月 February 3月 March 4月 April 5月 May 6月 June 7月 July 8月 August 9月 September 10月 October 11月 November 12月 December 0 26.48 7.54 8.35 21.74 38.55 62.16 75.68 76.77 65.09 47.31 28.52 14.55 9.19 1 27.61 7.54 8.35 21.74 38.55 62.16 75.68 76.77 65.09 47.31 28.52 14.55 9.19 2 28.41 7.54 8.35 21.74 38.57 62.47 75.92 76.77 65.06 47.3 28.5 14.57 9.20 3 31.08 7.55 8.36 21.75 38.64 63.44 76.61 76.72 64.92 47.27 28.42 14.62 9.21 4 33.72 7.55 8.36 21.78 38.82 64.24 77.29 76.54 64.67 47.25 28.42 14.68 9.22 5 34.94 7.56 8.36 21.8 38.89 64.61 77.59 76.46 64.55 47.25 28.43 14.7 9.23 6 37.36 7.56 8.37 21.8 38.96 65.28 78.01 76.39 64.44 47.22 28.37 14.74 9.24 7 43.25 7.57 8.38 21.86 39.31 67.02 79.33 75.92 63.90 47.22 28.38 14.86 9.27 8 44.55 7.57 8.38 21.86 39.32 67.36 79.56 75.90 63.84 47.22 28.35 14.88 9.27 情景8-情景0 (Scenario 8-Scenario 0) 0.03 0.03 0.12 0.77 5.2 3.88 -0.87 -1.25 -0.09 -0.17 0.33 0.08 (情景8-0)/(情景0×100) (Scenario 8-0)/(Scenario 0×100) 0.40% 0.36% 0.55% 2.00% 8.37% 5.13% -1.13% -1.92% -0.19% -0.60% 2.27% 0.87%

表 6 不同情景不同月份泾河上游总蒸散模拟数据 Table 6 Total simulated monthly evapotranspiration under different scenarios in the upstream of Jinghe River

表 7(Table 7)

表 7 不同情景不同月份泾河干流上游径流模拟数据 Table 7 Simulated monthly runoff under different scenarios in the upstream of Jinghe River 情景 Scenario 森林覆盖率 Forest coverage/% 径流 Runoff/mm 1月 January 2月 February 3月 March 4月 April 5月 May 6月 June 7月 July 8月 August 9月 September 10月 October 11月 November 12月 December 0 26.48 1.18 0.89 0.9 1.05 1.94 2.35 5.75 6.00 7.22 4.84 2.26 2.03 1 27.61 1.18 0.89 0.9 1.05 1.94 2.35 5.75 6.00 7.22 4.84 2.26 2.03 2 28.41 1.16 0.88 0.88 1.04 1.91 2.30 5.66 5.95 7.23 4.84 2.25 2.01 3 31.08 1.14 0.86 0.84 1 1.84 2.15 5.43 5.84 7.29 4.88 2.24 2.00 4 33.72 1.12 0.84 0.82 0.98 1.8 2.09 5.31 5.78 7.28 4.87 2.22 1.97 5 34.94 1.11 0.83 0.81 0.97 1.78 2.07 5.25 5.76 7.27 4.86 2.21 1.96 6 37.36 1.1 0.82 0.79 0.95 1.73 1.96 5.1 5.70 7.35 4.94 2.24 1.97 7 43.25 1.07 0.79 0.75 0.92 1.67 1.86 4.88 5.60 7.37 4.92 2.21 1.93 8 44.55 1.07 0.78 0.74 0.9 1.64 1.8 4.79 5.58 7.43 4.98 2.23 1.93 情景8-情景0 (Scenario 8-Scenario 0) -0.11 -0.11 -0.16 -0.15 -0.30 -0.55 -0.96 -0.42 0.21 0.14 -0.03 -0.10 (情景8-0)/(情景0×100)(Scenario 8-0)/(Scenario 0×100) -9.32% -12.36% -17.78% -14.29% -15.46% -23.40% -16.70% -7.00% 2.91% 2.89% -1.33% -4.93%

表 7 不同情景不同月份泾河干流上游径流模拟数据 Table 7 Simulated monthly runoff under different scenarios in the upstream of Jinghe River

森林覆盖率增加使得年均蒸散增大和径流减少。Yu等^[6]在六盘山香水河小流域(石质山区)的研究表明，流域10%的面积造林后，因立地的差异，流域年径流减少量从3.5 mm到19.3 mm不等；Wang等^[1]利用黄土高原黄土区57个流域(面积>10 km²)研究表明，森林覆盖率每增加10%，流域径流减少1.5 mm；王礼先等^[18]在山西省清水河流域研究表明，该流域森林覆盖率从20世纪60年代的25.13%升高至20世纪80年代的57.88%，年均径流量由55 mm降低至23 mm即森林覆盖率每增加10%，径流减少10 mm。以上研究表明：黄土高原不同研究区域造林后对径流的影响不同，但都会导致年径流量的减少，按增加森林覆盖率10%计算，径流减少量范围为1.5~19.3 mm，笔者研究区包括石质山区和黄土区，径流研究结果在此范围内。

森林覆盖率增加导致的蒸散升高和径流减少具有年度差异。这与潘帅^[19]在本区的研究结果(在泾河上游恢复森林植被，会导致年径流深、枯水季径流深显著下降)一致。但是，当森林覆盖率增加＜10%时，年径流变化量的绝对值排序为：枯水年＞丰水年＞平水年，这主要是因为笔者研究中森林覆盖率的增加是根据造林立地条件的“优先”顺序确定的，流域水文性状除了受森林覆盖率变化影响外还受森林增加的立地条件的影响，从而导致这种现象。如张淑兰等^[20]在泾河流域上游土石山区和黄土区森林覆盖率变化的水文影响模拟认为：在泾河干流上游的黄土区造林和土石山区分别造林时，流域水文影响是不同的；Yu等^[6]在六盘山石质山区的研究也表明不同立地条件下造林对径流的影响不同，流域10%的面积造林后，因立地的差异，流域年径流减少量从3.5~19.3 mm不等。

森林覆盖率增加导致的蒸散升高和径流减少还具有明显的季节差异。这主要是因为春季生长季开始，植物蒸腾耗水加强，植物消耗土壤中的水分，森林的蒸散发强于草地，故在3—6月时随森林覆盖率增加，蒸散增大；7月份进入雨季，蒸散受到抑制，草地蒸散可能略强于森林，从而导致7—10时，森林覆盖率增加，蒸散反而减少；非生长季(11—翌年2月)植物停止生长，故该时段内森林覆盖率变化对区域蒸散的影响不大；森林覆盖率对区域径流影响的研究表明：随着森林覆盖率增加径流在春季和夏季明显减少，而秋季(9、10月)则呈增加趋势，冬季(11—翌年2月)变化不明显。不难理解，在生长季植物(3—8月)植被开始生长，植被结构发生显著变化，森林植被的截持降水能力强于草地故在该时段内森林覆盖率增加，径流减少；9—10月径流随森林覆盖率呈增加趋势说明森林对径流具有调节作用，增加森林覆盖率可以使得流域基流增加。国外多项研究表明，造林对枯水季径流量的影响幅度比年径流量更大^[21]。例如：Smith等^[22]运用对比流域法评价了种植桉树林和松树林对枯水季径流量的影响结果表明，造林对枯水季径流量有显著影响，部分流域的枯水季径流减少量高达100%；Wilcox等^[23]在美国Edwrads Plateau的研究表明，木本植物的恢复导致流域基流量显著增加。在我国黄土高原地区也观察到类似的现象，在祁连山地区，森林增加枯水期径流量的效果非常明显^[18]，而在黄土高原腹地子午岭典型森林流域与非林流域研究结果^[24]表明，森林流域汛期总径流量减少7.1~8.9 mm，而枯水期的径流增加量仅为0.5~1.69 mm，森林对枯水季径流量的调节作用有限；在山西吉县蔡家川流域对比试验表明^[25]，同为森林流域，人工林流域的年基流量为0，即渗入地表的水分尚未进入地下水便被蒸发、林木蒸散所消耗，即其径流量全部来源于暴雨导致产生的洪峰径流量，而次生林流域的基流量占年总径流量的比例高达84%。以上分析说明森林对枯水季径流量的影响受植被结构特征与流域地理环境综合影响，对具有不同特性的流域和不同地区的研究结果不能简单的用于其他地区。