科技日报记者 马爱平
在生态学专家眼里，“自然”有着另一个概念：生态系统。他们乐于研究系统中的相互关系和规律，为自然代言。中国林业科学研究院院长、森林生态学首席专家刘世荣研究员认为，尊重自然最好的方式就是科学的认识自然，顺应其内在的运行规律，用自然自己的方法保护自然。
森林涵养水源离不开土壤
森林被称为“绿色水库”。既没有拦水堤坝，也没有水闸开关的森林，如何实现对水的时空调节，一直是森林生态学家们想探索的奥秘。在近期获得2019年度四川省科技进步一等奖的“岷江上游森林植被恢复与生态功能提升关键技术与应用”项目中，森林为什么可以涵养水源、如何涵养水源取得重要研究进展。项目成果第一完成人刘世荣表示，森林调节水的作用受林冠层截持-林内灌草层截持-林地枯枝落叶层和苔藓层拦蓄-森林土壤层含蓄所构成的一个综合复杂过程影响，90%以上取决于森林长期演替形成的复杂土壤结构。
1998年的特大洪水给长江两岸人民造成生命和财产的重大损失。随之，国家立即成立应急项目，专题研究长江上游森林植被破坏对洪水暴发的可能影响。紧接着又推进“天然林保护工程”和“退耕还林工程”加大对长江上游重要水源发源地、重要水源涵养区的生态保护。岷江上游地处青藏高原东南缘，是成都平原乃至长江上游的重要水源地和生态屏障。为了弄清楚长江上游生态安全屏障带构建的重大科技问题，阐释森林对水源涵养的调控机制，中国林科院以国家重大战略需求为目标，积极承担“973”国家重点基础研究计划等系列重大攻关项目。在前人研究基础上，刘世荣带领团队扎根岷江，历经20多年的集中联合攻关，并梳理总结了长期积累的观测数据，在森林植被水文调节机制和退化森林恢复与水源涵养功能提升关键技术方面取得了创新性成果。
刘世荣表示，森林的水文作用总体来说是好的，但要看具体条件，不能绝对化一般概念。项目采用多尺度观测和跨尺度分布式数值模拟技术研究发现岷江冷杉是岷江上游的主要建群树种，其树体生物量大、叶面积指数高、蒸腾作用小等特性使得岷江冷杉林对水的含蓄作用效果突出，尤其是岷江冷杉的原始林对水源的涵养作用更为显著。主要原因在于岷江冷杉原始林长期自然演替形成了发达的海绵状苔藓层和枯枝落叶层以及具有非毛管孔隙度大、密度高、渗透性强的土壤团粒结构，有利于非重力水的垂直渗透。数据显示，岷江冷杉原始林苔藓层和枯枝落叶层的蓄水量每公顷分别高达126.36吨和223.85吨，分别是人工云杉林、次生阔叶林和灌丛的3.41（2.59）、8.26（29.82）、5.55（4.60）倍。这在一定程度上证实了黄秉维院士在《确切地估计森林的作用》一文中提出的森林会降低土壤表面径流这一观点。但径流减少的水并不是完全用于森林自身的蒸发散，而是通过森林土壤蓄存起来了。刘世荣强调，不同的森林类型涵养水源的作用大小不一，不同的树种对水分的利用规律也大同小异，森林土壤让森林成为真正的“绿色水库”。
山水林田湖草一体化的岷江样板实践
受海拔、地势、光热等因素影响，岷江上游的植被覆盖类型呈现出高山草甸、亚高山暗针叶林、中下部常绿阔叶林并种植用材林以及林下经济作物、平原发展农田经济的区域社会-经济-自然复合系统。在流域水分循环过程的长期观测研究中，研究团队意外得到一个重要发现，水在不同植被类型中的循环利用而串起的这个系统，恰好诠释了山水林田湖草一体化的自然生态系统理念。
刘世荣说，海拔3800米以上的高山草甸对降水具有低蒸散、高渗透的作用，但从草甸土壤中渗透出来形成的径流水顺势流入亚高山区域的云杉针叶林，给该区域的森林土壤提供了水源补给；更重要的是，亚高山暗针叶林自身的蒸发散90%又以雨雾水的形式回降到了高山草甸，滋润了草甸植被的稳定生长。与此同时，从亚高山森林中缓缓流出的水形成的径流可以为山下的林下经济、平原的农田灌溉、畜禽养殖提供源源不断的水源供给，为人类清洁饮水和从事各类生产活动提供了保障。这一现象不仅很好诠释了山水林田湖草是一个生命共同体的生态文明理念，更为人类系统认识自然、研究自然提供了现实案例。
为了系统阐明亚高山暗针叶林、川滇高山栎灌丛和高山草甸对降水分配过程的调控机理和优势植物的水分利用格局，科学诠释山水林田湖草系统化治理理念，团队首次运用稳定同位素示踪技术，揭示了岷江上游典型集水区的降水、穿透水、树干茎流、地被层水、土壤水、壤中流、河水和植物水氢氧稳定同位素组成及其各水体之间的迁移和转化规律。首次发现了岷江冷杉是该区节水、调水和蓄水功能最佳的树种，且岷江冷杉原始林比其它不同演替阶段的次生林和人工林具有更高的水源涵养功能。首次发现并揭示了亚高山暗针叶林－高山草甸之间的完整局地水循环过程与形成机制，定量阐明了岷江上游高山草甸与亚高山暗针叶林之间的水分关系及其在水分平衡与水文循环中的重要作用。这一研究结果为岷江流域森林水源涵养功能的正确认识提供了科学依据，为岷江上游水源涵养林构建及其空间规划提供了技术支持与决策咨询。
不要试图轻易“改变自然”，发挥人类智慧的助推作用
1998年的特大洪水给人类过度采伐森林上了一堂自然警示课，大规模集中连片种植的人工纯林背后潜藏的外来物种入侵、病虫害爆发、生态系统健康问题越来越凸显，气候变化导致的全球增温、降水格局变化和极端气候事件等也正加速影响着森林的更新和生态系统功能。为了科学评估人类干扰采伐、生态恢复和气候变化对森林水分调节功能的影响，项目团队创新性提出了采用等效采伐/恢复面积的水文效应指数与流域径流双质量曲线之间长期时间序列关系的分析方法，量化区分了气候变化和森林采伐干扰对流域径流影响的贡献率，辨识了长期、趋势性的森林植被活动增强对岷江上游流域径流的影响，改变了国际上认为森林植被突变20-30%以上才能检测出引起流域径流显著变化的定识。
研究指出，在岷江上游地区的天然林保护工程建设中，应首先保护好现存的天然林植被，包括原始暗针叶林、天然灌丛、草地和高山草甸等；植被建设要以天然更新和自然生态恢复或人工促进天然更新为主，不应一味强调大规模营造人工造林，特别是人工针叶纯林。大面积的人工植被覆盖会加重区域生态用水从而降低流域产水量，减少下游可利用的水资源。随着气候变暖，冰川消退和降雪减少，岷江流域面临基流补给减少的威胁，可能引发岷江流域的水生态安全问题。研究结果为成都平原乃至长江中下游地区用水安全提出了预警。
刘世荣说，天然林保护工程实施20年多以来，岷江上游地区的森林覆盖率由1997年的38%上升到2017年的43%；森林水源涵养能力预期可以由21.88亿吨提升至26.52亿吨；衡量旱涝灾害发生的重要指标洪枯比在岷江杂谷脑流域的监测数据由1982年的11.5下降到2006年的7.1，紫坪铺的洪枯比由1983年的10.3下降到了2016年的4.95。这足以说明长江上游天然林保护工程的实施为岷江上游的水源生态安全做出了巨大贡献。
他补充强调，岷江上游的天然林保护修复工作，应充分利用残留的保留木或老龄林片段促进川西亚高山退化天然次生林加速恢复与水源涵养功能提升；对前期大面积栽植人工林的基础上，通过开林窗、带状疏伐等模拟自然干扰的方式，逐渐恢复以岷江冷杉为建群种的原始林，以更好发挥森林涵养水源的服务功能，保障水资源和生态安全。这是自然委托我们科学向人类传达的“自然语言”。
