量化中国亚热带流域森林砍伐对径流响应的时空不一致性：解锁流域水文奥秘

全球森林变化影响水文过程，但流域空间异质性使评估森林砍伐影响面临挑战。研究人员利用 SWAT 模型，对中国亚热带乐安河流域开展森林砍伐情景研究。结果表明砍伐比例增加会增强生态水文敏感性，且时空存在差异。该研究为森林管理提供依据。

　　在地球的生态系统中，森林宛如巨大的 “绿色卫士”，对维持生态平衡和稳定水文过程起着至关重要的作用。然而，随着人类活动的加剧，如大规模的森林砍伐、农业扩张以及城市化进程的加速，全球森林覆盖正经历着显著的变化。这些变化不仅破坏了生态环境，还对水文过程产生了深远的影响。森林砍伐会改变植被的截留和蒸腾作用，影响土壤的入渗能力，进而改变径流的产生和分布。在不同的季节，森林砍伐对径流的影响差异巨大。在雨季，森林砍伐可能导致径流迅速增加，引发洪水灾害；而在旱季，它又可能减少基流，增加干旱风险，破坏水生生物的栖息地。

此外，流域本身具有复杂的空间异质性，不同区域的地形、土壤、植被等因素各不相同，这使得水文过程变得更加复杂。传统的森林水文研究方法在面对这些复杂问题时，往往显得力不从心。比如，传统的配对流域实验难以准确识别具有相似属性的流域，无法有效量化空间变异性对水资源的影响。许多统计回归和水文图形方法，由于假设水文变量和参数在整个流域内是均匀的，忽略了空间异质性，导致对水文过程的解释不够深入。

为了深入了解森林砍伐对水文过程的影响，来自国内的研究人员针对中国亚热带的乐安河流域（5837 km2）展开了一系列研究。该流域位于江西省鄱阳湖盆地的上游，属于亚热带季风气候区，森林覆盖变化显著。从 20 世纪 60 年代到 80 年代的大规模森林砍伐，以及 2015 年以来的密集采矿活动，使得该地区生态环境恶化，水安全风险增加。研究人员希望通过对该流域的研究，揭示不同森林砍伐比例下的水文响应特征，量化空间异质性导致的尺度效应，并探究砍伐后的响应机制，完善影响评估框架。

这项研究成果发表在《Forest Ecosystems》上，为理解森林砍伐与水文过程之间的关系提供了重要依据，有助于制定更加科学合理的森林管理策略，对保护生态环境和保障水资源安全具有重要意义 。

研究人员在此次研究中主要运用了以下关键技术方法：

1. SWAT 模型应用：采用土壤和水评估工具（SWAT）模型，对乐安河流域的水文过程进行模拟分析。利用该模型整合气候、植被、土壤等多因素的能力，构建了适用于该流域的模型。
2. 数据收集与处理：收集了包括土地利用 / 土地覆盖（LULC）、土壤属性、气象、径流记录和数字高程模型（DEM）等多方面的数据，并对这些数据进行了相应的处理和分析，为模型的运行提供了准确的数据支持。
3. 情景设置与模拟：设计了多种森林砍伐情景，通过 ArcGIS 10.2 处理土地利用数据，确定砍伐区域，利用校准后的 SWAT 模型对每个情景进行独立模拟，得到相应的水文响应输出。

研究结果

1. 模型性能：SWAT 模型在不同时空尺度上表现良好，能够准确模拟研究区域的出口径流动态，有效捕捉降水 - 径流关系。在校准和验证阶段，各水文站的相关系数（R2）、纳什效率系数（NSE）和百分比偏差（PBIAS）等指标均达到较高水平。
2. 森林砍伐对径流时间变化模式的影响：森林砍伐比例从 1.54% 增加到 9.25% 时，年径流波动范围为 2.13±0.79 至 13.34±4.55 mm。雨季径流变化范围为 1.87±0.52 至 11.58±2.98 mm，旱季变化较小，为 0.08±0.24 至 0.64±1.29 mm。同时，生态水文敏感性指数随砍伐比例增加而升高，雨季敏感性最高，旱季最低。
3. 森林砍伐对径流空间变化模式的影响：在不同区域进行森林砍伐，上游、中游和下游的径流响应存在差异。随着砍伐比例增加，中游地区的生态水文敏感性指数变化最为显著，其次是下游和上游地区，这表明不同区域对森林砍伐的敏感性不同。
4. 尺度效应：随着砍伐比例增加，尺度效应在所有时间尺度上均呈负趋势。整个流域对森林砍伐的水文响应比上游地区弱，表明空间异质性减轻了砍伐的影响。尺度效应在旱季最为明显，与砍伐强度呈正相关。

研究结论和讨论

研究表明，森林砍伐会导致径流在不同时间尺度上增加，且径流大小与砍伐强度呈正相关。雨季和旱季的水文响应机制存在显著差异。雨季时，植被截留和蒸腾能力下降、土壤入渗减少以及地下水补给降低，导致径流增加；旱季时，蒸散（ET）的变化对径流产生了相反的影响，同时森林砍伐导致的地下水动态变化在旱季对水文响应影响更大。

生态水文敏感性指数在时空上也存在差异。这与植被的水分利用效率机制、森林特征以及径流生成机制有关。例如，人工林在雨季截留效率低，旱季蒸腾作用强，导致不同季节水文响应不同。同时，不同区域的生态水文敏感性也不同，中游地区敏感性最高，这与海拔梯度、地形和植被分布等因素有关。

尺度效应在不同时间尺度上也有所不同，旱季比雨季和年度尺度更明显。这是因为雨季土壤湿润，对干扰的抵抗力弱，而旱季干燥的土壤能增强流域对干扰的抵抗力。此外，研究还存在一些局限性，如研究结果的普适性有限，模型参数化可能引入不确定性，对森林生态系统的模拟不够详细等。

总体而言，该研究通过对乐安河流域的研究，深入探讨了森林砍伐对水文过程的影响，揭示了时空不一致性和尺度效应，为森林管理提供了重要的科学依据。未来的研究可以进一步改进模型，考虑更多森林生态系统的细节，提高研究结果的准确性和普适性，为保护生态环境和水资源提供更有力的支持。