1 森林水文学导论
L.布伦（L. Bren）*
1.1 什么是森林水文学？
森林水文学研究的对象是流域的结构和功能，及其对水分运移和储存的影响。“纯粹”的森林水文学是一门定量科学，其基础是连续介质的质量守恒和能量守恒。但构成流域的物质特性与输入项的时空变化使得这种“纯粹”理论的应用变得十分困难，而这些变化正是森林水文学的研究内容。
在撰写该学科概述时，笔者对“森林水文学”相关出版物的数量之多感到震惊，包括理论、观察、方法、物理过程、结果和政治主张等方方面面。研究的尺度从分子一直到全球。也有人对土地利用管理方面的科学、经济学或政治学感兴趣。森林水文学涉及气象学、地质学、水文学、森林学、土壤科学和植物生理学等学科内容。全球已有大量关于森林水文学的各类文献。
人们对森林水文学的兴趣可以追溯到三个方面：第一，对整个世界运行方式的好奇。第二，观察土地所有者的行为，诸如砍伐森林之类的行动通常会在水流和泥沙负荷方面产生一致、可观察（至少在事后看来）和可预测的结果。第三，对土地利用，尤其是降雨“可持续性”的长期关注。当然，无论过去还是现在，河川径流对于社会经济都十分重要，尤其是当降雨和随之而来的径流极少或极多时，会带来恶劣的影响。
1.2 森林水文学的发展
1.2.1 历史前身
实际上，水文学的历史可以追溯到古罗马等早期文明。这些文明确实具有观测水流以及利用运河、排水隧道和水坝来管理水的能力。科学史学家认为水文学的发展已经历了几个世纪，通常认为法国人皮埃尔 佩罗（Pierre Perrault）（1608—1680）和埃德姆 马里奥特（Edme Marriotte）（1620—1684）在1670—1680年的研究工作是这门学科的起点。这项研究表明塞纳河流域的降雨完全足以维持河流的流量（Biswas，1970）。1700年左右，英国天文学家埃德蒙 哈利（Edmond Halley）提供了我们现在称为水文循环的第一个定量估算，这进一步推动了这一领域的发展（Hubbart，2011）。可惜，很少有资料表明谁首先提出了“流域”这一与降雨有关的重要概念。McCulloch和Robinson（1993）认为这个概念已经被使用了数千年。著名科学家Cayley（1859）因改进了等高线和示坡线的概念，被认为可能是科学界较早使用“流域”这一概念的人。澳大利亚早期的水坝建设项目表明，水坝的大小通常是基于水坝上游河流的大小，而确定流域大小和性质的时间则要晚得多。
森林水文学作为水文学子学科的出现，在很大程度上应归功于法国大革命中被不幸推上断头台的受害者们（Andreassian，2004）。随着“国王森林”被清理成居住地，法国的开荒达到了史无前例的规模。土地所有者随后遇到了许多如今发展中国家所遇到的问题—土壤侵蚀、洪水、河川干涸、滑坡或其他形式的大规模侵蚀以及沉积。法国在当时可能是全球技术*先进的国家。革命后法国知识界对这些顽疾和可能的补救措施进行了很多讨论，虽然按照现代标准，他们讨论的是哲学而不是科学。他们所得出的观点是，森林流域类似于“海绵”[在多斯（Dausse）之后有时被称为“多斯定律”，1842]，目前许多非技术人员仍持这种过分简化的观点。
Dausse（1842）指出，“雨是在温暖潮湿的风与冷空气层接触时形成的；而且由于森林的空气比野外的空气更冷、更潮湿，所以那里的雨水必定更多”。还有人认为，森林成为了一个“巨大的冷凝器”。这个信息被解释为“树木带来雨水”，该观点在一个世纪前十分流行。有趣的是，近十年来人们通过卫星对气温的观测，至少证实了由于热量散失与蒸腾作用，森林的空气比周围农地的空气更冷（Mildrexler et al.，2011），但难以确认这与凝结和降雨增多的联系。随着现代技术的发展，这一问题在未来仍有巨大的研究潜力。在此之后有更多的现代科学被应用于这一领域。本书的后续章节将继续讨论其中的一些概念。
1.2.2 水文迷思时代
在19世纪下半叶，人们开始接受关于森林在水文循环中的作用的观点，并且这些观点被视为“传统智慧”。其中包括“树木带来雨水”、森林改变洪水、森林提供“更健康的水”、森林提供更多的旱季径流以及森林减少土壤侵蚀。一个半世纪后，这些言论被认为是“部分正确”、“泛泛而谈”、“一概而论”或“未经证实的”，但仍被媒体普遍引用。在此期间，人们开始收集数据以“证明”此类言论。森林水文学界尚无实验设计、严格观测和假设检验方面的概念。
到20世纪初，人们对森林在保护流域中的作用和一些观测技术有了更深入的思考，但是这些思考在现在看来几乎是不“科学”的。一些学者（Marsh，1864；Zon，1912）在研究大片森林的存在对河川径流的有益影响方面，远远领先于他们的时代。回顾起来，他们的工作对森林水文学和流域科学的发展做出了开创性的贡献。随着林学的发展、稳定的森林管理组织以及成熟可靠的仪器（例如，水位、降水、气温和太阳辐射记录仪）的出现，该学科的发展趋向于成熟。
1.2.3 小流域观测时代
在19世纪中叶，水文数据的价值得到了体现。一般情况下，水文数据来自于对主要河流水位的定期观测。尽管已经有了大量信息，但人们很快意识到，除非就*粗略的意义而言，否则采用这种方法不可能将降雨和河川径流相联系，而且大型河流不但难以观测径流，对于简单的水量平衡研究而言又过于复杂。在1906 年才在瑞士的伯尔尼爱蒙塔尔地区（Bernese Emmental region）首次出现了真正的“流域研究”。该研究比较了两个0.6 km2流域的水文响应，而且这些流域的土地利用类型分布不同，通过比较分析了流域坡度对水文过程的影响。总体而言，研究结果表明森林可以调节洪峰流量、减缓夏季退水速率（表明森林流域的坡面储水量更大）。伯尔尼爱蒙塔尔地区的观测仍在继续，数据集对于气候变化研究人员而言十分宝贵；Hegg等（2006）对该项目进行了概述。
按照当代标准，伯尔尼爱蒙塔尔地区开展的早期研究远非完美。该项目依赖的是土地利用与产水量之间的相关性，而不是控制性实验，其数据有时是不连续的，并且该项目似乎未引起政界的关注。但是，我们不得不钦佩这项久远的工作和完成这项工作的人们。他们骑马或步行前往野外，在潮湿和寒冷的条件下进行观测，使用手动计算器、对数表或计算尺进行长时间的烦琐计算，不辞劳苦手绘出各种图表，努力维护和升级设备，同时行政人员还会不断询问“这些新的数据能告诉你什么你以前不知道的信息吗？”。但该项目确实为森林水文学配对流域实验的展开奠定了基础。
1.2.4 巨大的进步：配对流域实验
移民美国的欧洲人根据欧洲的经验，付出了巨大的努力来控制大型河流。1891年美国农业部林务局的成立明确认可了森林在保护流域方面的价值。但在Marsh（1864）的早期观察之前，没有任何明确的观测记录。对于早期的林学家而言，这种缺陷十分明显。
1910年，美国农业部林务局在科罗拉多州的瓦根惠尔加普（Wagon Wheel Gap）进行了实验（Bates and Henry，1921，1928）。这是人们首次针对森林砍伐对径流与输沙量的影响进行正式研究。这项研究一直持续到1926年，是全球数百个配对流域实验的原型。可以说，配对流域实验是*成功的森林水文学技术。这种方法的基本思路是：首先，将“实验流域”的径流数据参照“对照流域”径流进行“校准”；然后，变更第一个流域的森林条件，并通过与“对照流域”径流进行比较来确定森林变化对径流的影响。他们的结论主要是针对径流均值的变化，而缺乏对年际变化的统计分析。
Van Haveren（1988）重新审视了Bates和Henry（1928）的数据集，从而确定了更复杂的“现代化”方法（包括协方差和回归分析）是否会得出与早期工作相同的结果。表1.1总结了他的发现。
分析结果表明，Bates和Henry（1928）提出的许多原始结论都可以得到统计学的支持，但另一些结论却不能。早期研究者在计算机时代之前所从事的这些工作，如今被视为“计算密集型”工作。Bates和Henry（1928）的工作反映了“水文过程线分析”中的初步试验，即将流量记录的特定特征与土地利用或土地利用变化相关联。如今，这依然是森林水文学领域的一个专业领域。
表1.1 Van Haveren（1988）瓦根惠尔加普实验结论与Bates和Henry（1928）的结论之NS表示不显著。
1.2.5 迅速增加的配对流域实验
瓦根惠尔加普实验的成功使得全球配对流域项目大量增加；这些项目一般可以被归类为研究森林采伐影响的“伐林实验”或评估人工造林影响的“造林实验”。图1.1是此类项目的一个示例。在该项目中，澳大利亚原始森林被砍伐并转变成辐射松林。该项目目前仍在继续。Brown等（2005）给出了世界各地项目的汇总清单。总体而言，所匹配的径流和降雨记录数据集在数学建模、特定假设的检验以及气候变化影响评估方面具有不可估量的价值。
这项技术已积累了丰富的经验。此外，这还表明：
①实验人员正在迅速积累水文知识，并取得了许多实验的主要目标之外的成果（Hewlett et al.，1969；有关定量研究的示例，请参见Bren and Lane，2014）。
图1.1 配对流域项目示例
1980年，在澳大利亚维多利亚州东北部的一个配对流域项目中，一个小流域从原生桉树林被改造成辐射松林。该流域现在正在进行第二次松林轮作，观测工作仍在继续。
②这些项目为森林水文学者提供了很好的“教学工具”（通常是自我教育）（Hewlett and Pienaar，1973）。
③实验结果通常被法院和类似机构视为“值得信赖”的结果，通常不会在法院受到质疑。笔者认为其原因之一是实验的“可视性、有形性”—人们可以看到和参观这些区域，而且可以理解正在探索的概念。
④这些实验的完成需要大量资金成本和机构的支持。实验场地在建立后的维护成本相对较低。这种维护非常适合作为研究机构的日常工作（Bren and McGuire，2012）。
⑤为反映森林的特性，这些项目可能需要数十年才能完成。在一个不断调整土地管理机构（或者根本没有）的社会中，长期管理可能会十分困难。
该方法的主要缺点之一是实验流域通常很小，从而很难将结果“升尺度”到区域性的大流域。
配对流域实验与实验科学？
鉴于森林水文学是一门科学，因此应该可以对概念进行量化，并且可以通过实验检验假设。配对流域项目是一种特殊的实验，在实验中相对于参考状态（“控制组”）观测时变效应。从科学的角度来看，这种观测存在一些困难：
①就经济或地理角度而言，重复实验几乎是不可行的。通常各流域之间存在许多差异，这些差异在某种程度上属于不可控的差异。无论如何，很少有组织能够负担得起重复实验的费用。
②很少有人针对该实验设计中“双盲实验”的概念（分析人员事先不知晓实验对象的信息）进行过研究。这部分反映在*终研究人员对结果需要进行必要的分析。
③由于许多模型的残差非正态性，很难对数据进行统计分析，从而限制了相关测试。Hewlett和Pienaar（1973）指出，水文学家对这一点的重要性持分歧态度，而且这一分歧在今天仍然存在。
④除了零假设（森林对径流没有影响）之外，很难建立可检验的假设。迄今为止，许多配对流域实验都是“探索性”的，用于检测径流特征与“正常”状态的偏差。
尽管该设计并不完美，但多年来的发展显示配对流域实验的严谨性和成熟度不断提高，在测试中使用了处理数据残差非正态性的新方法，并且使用逐时、逐日或逐月数据取代了逐年数据，提高了数据的自由度（以自相关为代价）；Watson等（2001）非常清晰地研究了这些方面的内容。
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