森林植被变化的水文生态效应研究进展

森林植被变化的水文生态效应研究进展
王礼先　张志强
(北京林业大学水土保持学院,北京100083)
摘要　从森林植被变化对水量、径流泥沙和水质的影响等方面介绍了国内外森
林植被变化水文生态效应研究进展。

从世界各国的研究来看,普遍的研究结论认
为森林减少可以增加流域年产水量;森林植被可以较大幅度地减少径流泥沙含
量;森林植被参与生物地球化学循环,可以有效地改善溪流水质状况。

由于影响
森林水文生态效益的环境异质性的普遍存在,森林植被变化水文生态效应影响
程度在不同水文生态区差别很大,因此,要想将一个地区森林植被水文生态效应
研究结果可靠地外推到其他地区其他流域,必须重视森林水文生态过程动力学
机制的研究。

关键词　森林植被变化　流域水量　径流泥沙　水质
随着人类对自身生存来自环境的压力与日俱增的认识逐渐加深,森林作为工业社会的主要材料来源之一的生态学后果的突现,人们对森林与林业对人类生存与发展显示的重要作用产生了新的认识,使得林业经营与发展进入更为注重生态与社会效益的经营利用观。

森林生态效益的产生与其对生物地球化学循环动力(能量)与介质(水文循环与大气循环)的影响密切相关,揭示森林植被变化(森林采伐、森林火灾、开垦、造林等)的水文生态效应,可以为森林经营、流域管理、景观管理、自然保护、山地防灾、水资源利用和土地利用规划等提供科学依据。

本文拟从森林植被变化对水量、径流泥沙和水质的影响等方面介绍国内外森林植被变化的水文生态效应研究进展。

1　森林植被变化对水量的影响
集水区具有特定的系统边界是水文循环和水量平衡研究的天然场所,在森林水文生态效应研究中占有非常重要的位置。

另一方面,从森林植被对降水—汇流过程的影响出发,森林植被对水量的影响又可分为林冠截流、枯枝落叶层截持水、林地土壤水分入渗及贮水、林地蒸发散等方面。

1.1　流域试验研究
森林与水的关系的科学研究始于本世纪初,森林水文研究从其早期发展阶段来看,主1998 世　界　林　业　研　究 WO RL D F OR EST RY RESEA RCH
N o .6a 收稿日期:1998-10-12
要集中在森林变化(主要是森林砍伐而不是造林)对流域产水量的影响。

开始于1900年的瑞士Emmental 山区两个小流域对比试验是这类研究的开端,也是现代实验森林水文学开端的标志。

Em mental 的流域对比实验包括两个流域,一个为森林流域,森林覆被率达99%,另一个流域以草本为主,占69%,森林占31%。

自1927年到1956年的观测资料表明,森林流域年径流量比以草本植物为主的流域小11%,洪峰流量也较以草本为主流域低,50次最大降雨洪峰流量森林流域为0.37m 3/(s ・km 2),以草本植物为主流域为1.75m 3/(s ・km 2),造成这一现象的原因是,森林流域具有较大的土壤入渗能力和较慢的融雪速率。

美国开始于1909年的W ag on Wheel Gap 的试验研究是严格意义上的对比流域实验,经过8年的校核观测后将其中一个流域的森林全部砍伐掉,又经过7年的对比观测实验,结果显示砍伐灌丛山杨和针叶树的81hm 2
流域每年大约增加产水量30mm 。

从此以后,通过流域研究评价植被清除或植被类型变化对流域产水量的影响日渐增多。

除对比流域实验外,流域自身对比法也被较为广泛采用,但流域自身对比由于难以将气候条件变化对流域产水量的影响从植被变化的影响中区分出来而影响评价值的准确性。

Stednick 将美国的95个流域实验进行了系统的总结,他将流域位置、流域名称、流域面积、海拔高度、坡向、土壤类型、植被状况、年平均产水量、年平均降雨量、流域采伐面积比例、增加的流域产水量以及实验流域所处的水文区域进行了对比。

结果表明,当采伐达100%时,年增加的流域产水量最大可达750mm ,最低的仅为117m m,导致不同水文区以及同一水文区森林采伐对流域产水量变化影响的差异是由多种原因引起的,其中包括:采伐方式、气候条件、土壤地质条件、地形条件、水文测验在采伐后进行的时间等等[1]。

在其他因素都相同的条件下,森林采伐后降雨径流响应在很大程度依赖于森林植被恢复的过程,在采取控制措施比如使用除草剂来控制植被恢复的情况下,流域产水量增加的趋势将长期持续下去。

但当让植被进行自然恢复,流域产水量对森林砍伐的响应在降雨量大的地区变化较大,这些地区植被恢复速度快,持续的时间较短,因此流域产水量增加的趋势在湿润地区通常在3～10年消失[2]。

可以预料,在较为干旱的地区,由于植被恢复速度较慢,流域产水量增加的趋势可望持续更长的时间,因为流域产水量的变化是森林恢复或叶面积指数的函数[3～5],较长时间的水文反应则与植被恢复的树种组成和气候变化有关[2]。

对比流域实验研究在美国于1965年左右达到了顶峰,这一情形与当时对森林生态系统进行全面系统研究的需要[6]相吻合。

从研究的内容来看,也从传统的森林植被变化对水量的影响研究扩展到水文循环过程以及与此相关的森林生态地球化学元素循环,特别是养分循环的研究。

在1960年之前,英国官方鼓励在水库上游流域进行造林以对水库进行保护,60年代后,英国在威尔士中部开展了Plynlimo n 流域试验,旨在对比森林流域与牧草流域的河川流量。

他们的研究结论认为,森林流域的洪峰流量低于牧草流域,而在特大暴雨条件下二者没有显著的差别。

森林流域的蒸发高于牧草流域。

近年来,他们又在北苏格兰的Coal-burn 流域建立了旨在研究针叶树种造林对水文循环影响的试验站,在苏格兰建立了Balquhidder 流域试验站,主要目的在于研究森林经营措施对水资源的影响。

研究结果指出,森林植被可以减少产水量,因而采取短轮伐期的森林经营措施来减少森林对低水流的不利影响。

日本由于其特殊的地理环境,开展森林水文研究也较早,1923年在茨城县太田试验15
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流域集中进行了阔叶树皆伐对流量影响的试验。

1924年在爱知县实验林场设置4个流域试验地,开始进行流域径流量随林相变化的比较试验以及不同树种林木蒸腾量的比较研究。

他们的研究结果表明,森林采伐可增加直接径流15%～100%,森林完全采伐年径流量增加300m m 左右。

原联邦德国在U pper Har z 山脉从1948年开始的两个对比实验流域的结果表明,Lang e Br am ke 流域的森林恢复减少年径流量,而Wintertal 流域的森林采伐增加了年径流量。

在Kr ofdorf 森林水文研究站,采用了校核观测的办法来剔除其他因素对森林采伐实验的影响,研究结果表明,分段采伐流域96%的山毛榉林,采伐后的第二年流域年产水量增加86mm ,比根据10年校核观测计算的流域产水量高出39%,采伐实验对生物化学元素的输出没有显著的影响[7]。

我国从60年代以后也开展了森林水文生态作用的集水区研究。

流域面积从零点几平方公里到几千平方公里。

研究的内容主要集中在探讨森林植被覆盖率变化与流域径流量变化的关系,其中包括植被盖度变化对年径流量及其季节分配、洪水量、洪水过程、径流组合变化等方面。

刘世荣等对我国森林水文生态作用集水区研究做了比较全面细致的总结和对比[8]。

从地跨我国寒温带、温带、亚热带、热带的小集水区试验以及黄河流域、长江流域等较大集水区的研究结果来看,多数结论认为:森林覆盖率的减少会不同程度地增加河川年径流量。

但是在四川省西部米亚罗高山林区、岷江上游冷杉林小集水区以及长江流域4对大流域的对比研究指出,森林流域年径流量较无林或少林流域大[9～11]。

森林流域与无林或少林流域径流量随时间动态变化的研究,对于合理调节和利用水资源,确定合理的森林经营措施都是十分重要的。

国内多数研究得出较为一致的结论,但是也有相反的研究结果:¹森林可以调节径流的分配,增加旱季枯水流量。

但在黑龙江省松花江水系冀克图河上游陡嘴子河的天然阔叶林中进行的研究表明,森林覆盖率与枯水径流量呈显著的负相关关系;º森林可以减少洪水流量、削弱洪峰流量,推迟或延长产汇流时间。

但周光益等的研究结果认为,森林对洪水特性并无显著影响[12]。

从森林对径流组分分配的影响看,皆伐使林地的地表径流增加7.8%,壤中流增加3.3%,总径流量14.46%,而下渗流形成的径流减少12.1%[13]。

在江西修水县大坑流域2个相邻小流域对比研究中,采用基流分割的办法对比了多林沟、少林沟快速径流、基流在不同月份的组成。

其结果指出,在雨水充沛的4～8月,土壤较湿润,快速径流占降水量的比率少林沟大于多林沟,且都比其他月份高;在8～11月,由于降水量及降雨日数少,蒸发量远大于降雨量,土壤干燥,径流形成少,一般无快速径流产生,多林沟的基流量要比少林沟高[14]。

同样,在海南岛的研究亦表明,由于森林的破坏,快速径流增加,基流量变小。

综观国内外的研究结果可以看出,一般认为,针叶林、硬木落叶林、灌木林、草本植物对流域产水量影响呈递减趋势。

针叶林覆盖率变化10%将引起流域年总产水量约40m m 的变化量,同样硬木阔叶林覆盖率变化10%将引起流域年总产水量约25mm 的变化量,而灌木林或草本植物覆盖率变化10%将引起流域年总产水量约10mm 的变化量[15]。

在对比实验中森林覆盖率减少20%对流域产水量变化的影响难以用水文测验的方法来确定[1,15,16]。

但是由于这些试验流域处于不同的生物地理气候区内,森林砍伐增加流域年产水量具有很大的变化性,显然这是由于影响水文循环的环境异质性所引起的。

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1.2　森林水文生态作用过程研究
对森林水文而言,仅仅采用流域研究或系统研究的办法是没法将实验结果可靠地外推到其他流域的,因此从本世纪六七十年代起,更加注重森林水文过程研究。

1.2.1　林冠截流研究
林冠截流以及截持雨量的蒸发在森林生态系统水文循环和水量平衡中占有极其重要的地位。

林冠截流损失比灌木和草本截流损失大的原因有两个:一是林冠具有较大的截流容量:二是林冠具有较大的空气动力学阻力进而增加截持雨量的蒸发。

国外一般认为温带针叶林林冠截流率在20%～40%之间[17～20]。

我国学者对地跨我国南北不同气候及其相应的森林植被类型林冠截流率的分析研究表明,截流率变动范围在11.4%～34.3%,变动系数6.68%～55.05%,其中以亚热带西部高山常绿针叶林最大,亚热带山地长绿落叶阔叶混交林最小[21]。

林冠截流损失受多种因素的影响,其中包括降雨频率、降雨强度、降雨历时、树种、林龄、林分密度、林冠蒸发能力、林冠构筑型等诸多方面。

正如生态系统、水文过程一样,林冠截流损失具有时间和空间异质性,因此如何建立描述林冠截流的理论和/或经验模型,并将其整合到流域水文模型中是林冠截流研究的目标。

另一方面,林冠透流和截流的时空异质性对于研究大气降水化学物质的输入、可溶性物质的淋溶以及森林植被对水质的影响从取样到通量的确定都具有十分重要的意义[22]。

1.2.2　森林枯枝落叶层截持水研究
森林枯枝落叶层吸持水量动态变化在森林水文循环中的意义在于其对林冠下大气和土壤之间水分和能量传输的影响。

森林枯枝落叶层具有较大的水分截持能力从而影响到穿透降雨对土壤水分的补充和植物的水分供应[23]。

此外,枯枝落叶层具有比土壤更多更大的孔隙,因此其水分也就更易蒸发。

Kelliher 的研究表明,不同类型的森林枯枝落叶层吸持水分的蒸发占林地总蒸发散的3%～21%[24]。

Schaap 和Bouten 采用Ly simeter 测定了枯枝落叶层的水分蒸发,并采用Penman-Mo nteith 方程模拟了枯枝落叶层水分蒸发速率和枯落物表面到1m 高大气温度的差异,取得了较好的效果[25]。

枯枝落叶层吸持水的重要意义还在于其对森林植被养分的供应上,T ietema 等的研究表明,枯枝落叶层的氮化和矿化速率随其含水量的增加而提高[26]。

枯枝落叶层含水量具有明显的时空变异性,从而增加了研究的难度。

森林枯枝落叶层吸持水能力的大小与森林流域产流机制密切相关,并受枯落物组成、林分类型、林龄、枯落物分解状况、累积状况、前期水分状况、降雨特点的影响。

我国的研究结果认为,枯枝落叶吸持水量可达自身干重的2～4倍,各种森林枯落物的最大持水率平均为309.54%。

孔立达等在黄土高原人工防护林枯枝落叶层吸持水量的研究表明,其持水容量小于191%,而且还建立了计算枯落层截持水量的经验方程
[27]。

1.2.3　林地土壤水分入渗及贮水林地土壤水分入渗和水分贮存对森林流域径流形成机制具有十分重要的意义。

一般而言,森林土壤具有比其他土地利用类型高的入渗率,良好的森林土壤其土壤稳定入渗率高达8.0cm /h 以上[28]。

我国的研究成果表明,林地土壤具有较大的孔隙度,特别是非毛管孔隙度大,从而加大了林地土壤的入渗率、入渗量[29],对林地入渗过程的模拟Philip 模型为主[27,30]。

林地贮水作为森林水源涵养作用的一个重要评价指标,目前国内一般使用
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林地土壤非毛管空隙饱和含水量来计算,据研究,每公顷森林土壤能蓄水641～678t [29]。

1.2.4　林地蒸发散
林地蒸发散是森林生态系统水分循环与能量平衡中最为重要的因素之一,森林变化引起流域产水量的变化与森林蒸发散密切相关,一般认为,森林具有比其他植被更大的蒸腾量,加之森林冠层与枯落物截持损失是森林减少引起流域产水量增加最为主要的原因。

因此,准确测定或计算林地蒸发散的时空变化对于评价森林水文循环影响机理和流域水文模型开发,对制定合理的森林经营管理方案具有十分重要的意义。

然而,由于影响森林生态系统蒸发散的因素众多,且具有极大的时间变异性和空间异质性,将较小尽度的田间试验结果外推到较大的坡面或流域尺度势必影响其准确性。

林地蒸发散是由辐射交换、水气传输和生物生长发育等过程组成的。

最为精确的测定方法是采用蒸发仪(Lysm eter ),但由于其在野外实际应用中的局限性并未被广泛采用。

森林蒸发散研究广泛采用的方法包括:水文学方法;气象学方法;土壤水动力学方法;植物生理学方法。

水文学方法就是基于系统水量平衡方程通过测定降雨量、深层渗漏项、地表径流项以及土壤水分储存动态变化项来求得系统蒸发散量。

我国60年代初开始了森林蒸发散的研究工作[31],大多数研究结果表明,包括截流损失在内森林生态系统的蒸发散量大约占降雨量输入的40%～80%[8]。

康文星等采用乱流扩散法对杉木人工林蒸散规律进行了研究,结果表明,杉木人工林年平均蒸散量占年降雨量的82.2%,其中林冠蒸散量占总蒸散量的89.3%,林地蒸散量占总蒸散量的10.7%,与用水量平衡法计算所得的总蒸散量非常接近[32,33]。

2　森林植被变化对径流泥沙和水质的影响
2.1　森林植被变化对径流泥沙的影响
国内外在开展森林植被对土壤侵蚀影响的研究中,由于各自从不同的学科领域出发,针对不同的自然社会经济条件,在研究方法上、研究尺度上与研究对象上均有显著的差别。

在欧洲,尤其是在英国,土壤侵蚀主要是地貌学家所关注的问题,而在美国又主要是农学家关注的热点[34],近年来,欧美地貌学家在探求生物在地貌发育过程的作用中,开创了生物地貌学的研究[35],它强调在地貌发育过程中森林植被变化对侵蚀、搬运、沉积、风化等物理化学过程在景观尺度和时间尺度上的影响,其中以利用植被参数和土地利用参数来模拟流域产沙最具代表性[36]。

美国的森林生态学家在对森林采伐与演替引起森林生态系统各种过程与格局变化的研究中,以生态系统(流域)为单元,研究森林植被变化对土壤侵蚀以及采伐对河川径流泥沙含量的影响,结果表明,生物量积累过程是控制土壤侵蚀的主要生物学机制[37]。

在防护林(人工林)水土保持效益研究领域内,我国因其特殊的自然与社会经济条件,研究的比较深入和广泛。

从研究的区域上看,几乎遍布我国南北山区,从寒温带、温带的东北山地,到暖温带的黄土高原、亚热带的秦岭—淮河以南广大地区,以及热带区域。

所研究的树种基本上涉及了这些区域极具代表性的森林植物种。

这些研究是与水文生态研究同步进行的。

从研究的方法上看,观测试验研究占绝对优势。

标准径流小区、自然坡面集流
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区、小流域等空间尺度的实地观测研究仍是最为广泛采用的研究方法。

采用人工模拟降雨来研究不同人工林植被群落的防蚀效益,在干旱、半干旱等降水较少的地区作为天然降雨观测的补充也有较广泛的应用。

在理论研究方面,有从能量角度研究林冠对降雨动能的影响[38,39];有从力学的角度分析林木根系在坡体稳定上的作用来研究林木控制重力侵蚀的作用;也有从林地地表糙率的研究来分析林地地被物对径流流速的阻延作用;还有从坡面侵蚀物理过程为出发点,建立描述有林地和无林地的坡面降雨侵蚀数学物理模型,经一系列简化,获得模型参数值,进而评价林木对土壤侵蚀的控制作用[30]。

在统计模型或经验模型研究方面,金争平等采用通用流失方程,在测定了灌木林地的C 值基础上,预报灌木林地的水土流失;李春阳等采用钉子法、色环法、对比法、量沟法测定了帽儿山地区不同地表的表土流失样本96个,将植被持水量与凋落物吸水量作为自变量建立了土壤流失的非线性回归模型,阐述了林地控制水土流失的作用[40]。

从研究的结果上看,林地控制水土流失均具有十分显著的作用,尽管这种作用在不同地理区域、不同树种、不同类型的人工植被群落产生一定的变化。

湖北省黄岗地区水土保持站(花岗岩地区)的实测资料表明,造林可以减少侵蚀量91.5%以上。

北京林业大学在山西吉县黄土高原的观测结果表明:沙棘与虎榛子林地土壤侵蚀量为2.59t/(km 2・a),油松剌槐混交林地为7.48t/(km 2・a),剌槐林地为19.47t /(km 2・a ),油松林地为16.75t /(km 2・a ),荒草地为52.75t /(km 2・a ),裸地为177.8t/(km 2・a),以油松剌槐混交林地为例可减少土壤侵蚀约96%。

另据密云水库水源保护林减少效益的系统研究表明:在天然降雨下,荒坡产沙量是剌槐林地的
4.10～12.40倍,是油松林地的19.16～44.77倍。

2.2　森林植被变化对水质的影响
从本世纪60年代中期起,水文学家、环境学家、森林生态学家就开始了森林对水质与水环境的影响的研究工作,尽管这种研究的最初目的是研究土壤稳定性问题的[41]。

这一时期,美国的Cow eeta 森林生态和水文研究站开始了生态系统矿质循环研究。

这对其后的森林水质影响研究产生了十分重要的影响。

在70年代,整地、除草剂以及林火对溪流水质的影响是Cow eeta 森林生态和水文研究站主要研究内容之一[42]。

70～80年代,酸雨成为影响河流水质和森林生态系统健康的主要环境问题,特别是在中部欧洲严重的大气污染通过对树叶的直接破坏或引起土壤严重酸化,进而导致了森林的严重破坏,流域森林覆盖率的减少伴随着持续的酸化对流域水文循环产生了极为不利的影响。

为了定量评价大气污染对森林流域水文循环、化学物质输入输出变化,森林水质影响研究受到了广泛的重视[43,44]。

随着点源和非点源污染引起水质退化成为影响社会经济持续发展的重大环境问题[45],开发不同时间和空间尺度上化学物质运动的模拟模型,成为目前评价森林水质影响研究的主要任务[46],当然,这离不开合理布设水化学剖面来确定化学物质循环的路径和通道。

在森林保护水源、防止污染的作用研究方面,前苏联在莫斯科和高尔基省的联合集水区,进行了森林净化径流作用的研究,研究结果表明,在农田集水区下部的森林有助于从本质上净化径流水质,排除污染成分和固体径流。

滞留效果最好的是磷肥的残余物(进入农田数量的38.5%～80%),其次是氨的化合物(22%～78%),硝酸盐氮不能被森林土壤所滞留,利用森林枯枝落叶层的吸滞特性,可有效地滞留固体径流(21%～45%),只要林分面积占大田面积的0.6%～5.3%,就可完全净化径流中的磷。

森林采伐后会造成森林19
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地表层长期积蓄的有机质、碱性物质、重金属等的不断分解与流失。

他们的研究还表明,降水径流通过45m 的林带之后,含N 量从0.16m g /L 增加到0.24m g /L 。

另据前苏联在几公顷的小流域对几百年生的冷杉、山毛榉天然混交林采用多种方式进行采伐试验研究结果表明,在皆伐流域,由于溪流中的N 含量也为群状择伐流域的3～4倍。

皆伐流域在最大流量时的BOD 和最小流量时的N 含量分别为未伐区的1.67倍和
2.7倍。

而群状择伐流域溪流水质尚未看出有这样的变化。

日本在滋贺县花岗岩地区赤松流域(6hm 2)观测结果表明,降水通过林冠或沿树干流下,然后由溪流流出,在此过程中化学成分的含有量已发生变化。

林内降雨和树干径流中的钠、钾、钙、镁、磷、硝态氮等的含量均有所增加,且树干径流增幅较大,地表径流中钠含量有较大的增加,而氨态氮、硝态氮含量有较大的减少,降雨在经过森林流域时,能增加各种化学成分,也能除去某原有的溶解成份。

另外,日本的研究观测证明,随着采伐,林内溪流的温度将会逐渐升高。

在日本东京都的古生层山地的柳杉林,经过采伐后的第二年夏季,N(大部分NO 3-n
)的流出量增加,最大达到3.5ppm 左右,第三年最大达到2.5ppm,随着植被恢复逐年减少。

在美国科韦塔森林生态和水文研究站的研究结果表明,采伐后处于植被自然恢复阶段的流域,与壮龄阔叶林流域相比,前者的溪流中的NO 3-n 量较多,在部分因虫害而落叶的壮龄阔叶林流域,NO 3-n 的流失量也有所增加。

另据他们对9号壮龄阔叶林试验流域的
溪流水和雨水的养分含量作了比较,其结果表明,溪流水中的Ca ++、m g ++、K +、Na +在一年中的收支量为负值,分别减少2.39、2.34、3.30、5.93kg /hm 2
,而NH 4-N 、NO 3-N 、PO 4-P 、CI -为正值,分别增加0.47、2.85、0.16、2.28kg/hm 2。

在美国新罕布什尔州的哈德布鲁克(Hubbard Brook)森林生态水文试验站,将流域中的落叶林(美洲山毛榉、桦树、糖槭等)的2/3沿等高线方向进行带状采伐后(伐区25m 宽),溪流中养分的增加量,NO 3-n 为
3.8mg /L ,K 为0.3mg /L ;在进行皆伐时,溪流水中的养分却大量增加,其增加量,NO 3-n 为23mg /L,Ca 为3mg /L,K 为1mg /L 。

而SO 4-S 则随采伐而减少,带状采伐时减少1.5mg /L ,皆伐时减少2m g /L 。

森林的采伐及不同的采伐方法,对溪流水质产生不同的影响。

我国在这方面的研究主要集中在森林生态系统本身的营养元素循环上,对森林植被变化对溪流、水库水质的影响研究较少,是一个比较薄弱的环节。

北京林业大学在山西吉县对水土保持林水质效应研究表明:以森林为主的流域河流的水质指标优于以农地+荒地为主的流域河流水质。

在湖北宜昌对长江三峡花岗岩地防护林体系水环境影响研究中指出:在长江花岗岩地区,以森林为主的坡面的各种水质指标均优于以农地、荒地为主的坡面水质指标,反映了森林对水质的良好净化作用,森林对河流水质的影响是通过减少土壤侵蚀(如P 的含量变化)和森林对水体的自净作用(如COD)的含量变化实现的。

我国环保部门对水生高等植物对工业污水的净化作用研究表明,这些植物对工业废水中的主要污染物有明显净化效果。

3　结语
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