祁连山水源涵养林生态水文研究概述

２０１４年５月第５期（总１２８期）

防　护　林　科　技

ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＦｏｒｅｓｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏ　　　　，Ｍａ２０１４ｙ

（）Ｎｏ．５Ｓｕｍ　Ｎｏ．１２８

（）文章编号：１００５－５２１５２０１４０５－００６１－０３

祁连山水源涵养林生态水文研究概述

王荣新

（）甘肃省祁连山水源涵养林研究院，甘肃省森林生态与冻土水文水资源实验室，甘肃张掖７３４０００

摘　要：以祁连山水源涵养林为研究对象，基于森林生态水文学理论，充分利用祁连山森林生态站长期生态监测数在流域尺度上，围绕水源涵养林的重要性、研究历程和研究成果及经验进行论述。内容涉及森林据及其研究成果，

森林气象、冻土水文等领域，尤其关注了祁连山水源涵养林区水分动态及时空分配、森林对降水及河川径流水文、

的调节、多年冻土和季节性冻土的水文作用等方面的研究。关键词：水源涵养林；河川径流；祁连山

：／中图分类号：Ｓ７１５　　　　　　　文献标识码：Ａ　　　ｄｏｉ１０．１３６０１．ｉｓｓｎ．１００５－５２１５．２０１４．０５．０２４ｊ

１　祁连山植被类型及水源涵养林的重

要性

祁连山地处青藏、黄土两大高原和蒙新荒漠的—１—３，交汇处（属高寒９３°２０′０３°Ｅ，３６°３０′９°３０′Ｎ）

区内自然条件复杂，水热条件差山地森林草原气候，

形成了多种具有明显垂直梯度和水平差异的异大，

植被类型和土壤类型。从低海拔到高海拔，植被类型依次为山地荒漠草原植被、干性灌丛草原植被、山地森林草原植被、亚高山灌丛草甸植被、高山寒漠草甸植被；土壤类型依次为山地灰钙土、山地栗钙土、山地灰褐土、亚高山灌丛草甸土、高山寒漠土。在各类土壤中，山地灰褐土和亚高山灌丛草甸土是生长山地灰褐土分布在海拔２森林的土壤，４００～３３００　　是乔木林的主要分布带，亚高山灌丛草甸ｍ地带，

是湿性土分布在海拔３３００～３８００ｍ亚高山地带，　　灌丛林的主要分布带。祁连山现有水源涵养林主要由青海云杉林（ｉｃｅａ４３．６１×１０ｈｍ，ｃｒａｓｓｉ－　ｐ

、祁连圆柏（林、干性ｏｌｉａ）Ｊｕｎｉｅｒｕｓｒｚｅｗａｌｓｋｉｉ）　ｆｐｐ

灌丛林和湿性灌丛林四大林型组成，青海云杉是祁

４　

２

冰源水库”的安全；另一方面使山区面捍卫着高山“

降水、地下水和冰雪融水汇成径流，通过发源于祁连山地的石羊河、黑河、疏勒河三大水系的５６条内陆河，源源不断地为河西地区及下游绿洲农田灌溉、城

３

。正是祁连市生活与工业发展供应生命水７２亿ｍ

山水源涵养林的涵源吐放和源源不断地补给，才使，处在干旱半干旱区的河西地区成为“塞上江南”失去祁连山水源涵养林，河西绿洲及其文明将不复存在，西部地区生态环境将更为脆弱和恶化。

２　祁连山水源涵养林生态水文学的研

究历程

祁连山水源涵养林生态系统研究开始于１９７３年，１９７８年在中国工程院院士关君蔚教授的倡议下，经甘肃省政府批准，以研究小组为基础成立了全，国唯一的水源涵养林专业研究所（简称水源林所）１９８４年水源涵养林研究正式列入林业部科研计划，纳入林业部森林生态系统定位研究网络，成为全国简称生态站）之一。１１个森林生态系统定位研究站（

祁连山水源涵养林生态系统定位研究站在祁连山围结构与功能、水量平衡、养分循绕水源涵养林演替、

经营管理、效益评估等开展了多项研究，取得了环、

多项研究成果。现已在祁连山腹地原始林区和浅山次生林区建立了寺大隆和西水两个试验区：寺大隆—１—３试验区位于９９°３１′００°１５′Ｅ，３８°１４′８°４４′Ｎ，森林覆盖率６年均气温０．年均降水量５．９％，５℃，年均蒸发量１平均相对湿度４３３．６ｍｍ，０６１．９ｍｍ，　

西水试验区位于１海拔５７％；００°１７′Ｅ、３８°２４′Ｎ，属高寒半干旱山地森林草原气候。２６００～３８００ｍ，　　年均气温０．年均降水量４年均蒸发５℃，３５．５ｍｍ，

连山水源涵养林的主要建群种，面积占水源涵养林总面积的２占乔木林面积的７４．７４％，５．７２％。

祁连山水源涵养林区是山地贮水供水的中心，是河西生态系统的主体，是绿洲的依托和屏障。山地森林植被以其特有的生物贮水与调节功能，一方

２０１４－０２－２４　　收稿日期：

国家科技支撑计划项目子课题（２０１２ＢＡＣ０８　　基金项目：

）；）国家自然科学基金重大项目（９１１２５０１２Ｂ０１，王荣新（男，甘肃张掖人，工程师，主１９７４－）　　作者简介：

要从事森林生态水文学方面的研究．

３，４］

。祁连山植物分布特点相一致［

量１平均相对湿度６０５１．７ｍｍ，０％。主要林型为　青海云杉林，呈片状分布于阴坡、半阴坡；而阳坡、半阳坡则主要为山地草原，伴生有小灌木，如金露梅（等。Ｐｏｔｅｎｔｉｌｌａｒｕｔｉｃｏｓａ）　ｆ

祁连山生态站现已建成林内小气候梯度自动观；高３阳坡草地小气候自动观测塔１测塔１座（０ｍ）；座（高３ｍ）国家三级标准地面气象站２个；林内、林外对照观测气象哨６个；河川、流域径流量测定量高海拔水量平衡场５个；坡面地表径流观水堰６座；

测场１林冠截留固定样地３个；林冠截留与树８处；干径流临时样地３个；土壤水分动态取样点２０多土壤蒸发及土壤冻融测点９个；枯落物截留测定处；

点１流域降水量控制测点１生物多样性监０处；４个；测与生物生产力调查固定样地１２个。购置了价值价值２２５万元的自动气象站两套，４万元的Ｌｉｃ－

６４００光合测定仪１套。祁连山生态站硬件设施和积累的资料已具备了系统研究森林调节水资源的条件，２０００年被国家科技部列为国家野外重点试验台站，给予经费支持。２兰州大００３年中科院寒旱所、甘肃农业大学在祁连山生态站建立科研与教学学、

试验基地。近年先后有美国、新加坡、瑞典、澳大利亚、以色列、斯里兰卡等国专家来祁连山生态站考工作；先后有中科院、中国林科院等科研院（所）察、

和大专院校的专家、教授来祁连山生态站从事科学研究工作。

，固体水库”３．１．２　积雪是祁连山林区又一独特的“

随海拔升高而变化。春季在海拔３３００ｍ以上６２　相当于在地面上覆ｃｍ厚的积雪按平均雪密度计算，

到春天随着气温升高，盖了１０２．３ｍｍ厚的一层水，存储的积雪融化成水沿着冻结面很快汇入河川，以径流形式提供给中下游地区，有利于缓解中下游地

５］

。区的春旱［

截留因３．１．３　林冠通过截留对降水进行首次分配，

树种、林型、降水强度、降水形式不同而有大的差异，青海云杉林与祁连圆柏林的截留率分别为３７．５％与３灌木林７、林１．７％，８月截留率平均为６６．５％；林冠截留量随降雨量的增加而增加，它内透过雨量、

们与降雨量呈现良好的线性关系，相关系数分别为与降０．９８６５与０．９８９２。青海云杉林冠截留率（Ｖ）　　雨量（和降雨强度（之间的近似线性方程为：Ｐ）Ｑ）

Ｖ＝４９．１３１３－０．６１５２Ｐ－４．５４９３Ｑ（Ｒ＝　　　　　

）５７５５０．　

林冠截留效果与林分郁闭度、降水形式等有关，林分郁闭度大，则林冠截留量和截留率较高；林冠截

［］

留降雨量比降雪量少１０％～３０％６。

３．１．４　森林枯落物层通过截持降水调节水分分配，其作用大小与枯落物蓄积量、类型、组成结构、分解状况有关。祁连山水源涵养林枯落物层现存蓄积量·ｈ青海云杉林为３祁连圆柏林６．９．５６６ｔｍ－２、８９９ｔ·ｈ·ｈ灌木林２年凋落量青海云ｍ－２、０．２２３ｔｍ－２；杉林为２．祁连圆柏林３．６８９ｔ·ｈｍ－２、６７６ｔ··ｈ灌木林０．青海云杉林枯落物分ｈｍ－２、８９４ｔｍ－２；

夏季分解最快，其他季节则较慢。解率为１５．２％，在目前年龄和结构状态下，青海云杉林枯落物蓄积·ｈ年增加约０．７１ｔｍ－２。枯落物层对降水的截留率随降水等级的增加而减小，在总降水量４３４ｍｍ的情况下，藓类青海云杉林枯落物共截留７８．０

［］

占总降水的１ｍｍ，７．９％７。

存贮、转化降水而调节３．１．５　森林土壤通过入渗、

３　祁连山水源涵养林生态水文学研究

取得的成果和经验

３．１　取得的成果

祁连山水源涵养林生态水文学研究涉及森林水文、森林气象、冻土水文、森林演替、森林经营、生物尤其是对祁连山水源涵养林区多样性保护等领域，

水分动态及时空分配、森林对降水及河川径流的调节、多年冻土和季节性冻土的水文作用进行深入研取得了森林调节径流规律和功能的一系列研究究，

成果。对森林水文学、冻土水文学的发展和林业生态环境建设和森林可持续经营实践具有参考价值和为今后深入开展研究奠定了基础。指导作用，

寺大隆试验３．１．１　祁连山林区降水年内分布不均，区多年平均降水量为４雨季（占３３．６ｍｍ，５—９月）降水年变幅在３全年的８９．２％，２６．４～５３９．７ｍｍ，呈不稳定变化趋势；降水具有随海拔由下向上递增、由东向西递减规律，随海拔梯度每升高１００ｍ降水由东向西降水量平均递减量平均递增４．５５％，显示了向典型荒漠化过渡的降水特征，与１１．１４％，

降水形成径流的过程，作用大小与土壤类型关系密切。祁连山水源涵养林区牧坡草地表层稳渗率只为林地土壤（蓄水量青海云杉林的０．４３％；１００ｃｍ）３２０．２～５０９．７ｍｍ，比牧坡草地高５．４％～

高山灌丛林土壤蓄水最多，青海云杉林次６０．４７％；

３［８］

。之；祁连山水源涵养林总贮水量为５．５２亿ｍ

３．１．６　林地土壤水分由于受降水补给和蒸散作用

的影响，含水量随深度有明显变化，从上到下分为土壤水分弱利用层、土壤水分利用层、土壤水分调节层；土壤水分的季节变化分为土壤水分消耗期、土壤

水分积累期、土壤水分消退期、土壤水分稳定期；祁连山四种主要植被类型林地水分供应情况最好的是青海云杉林，其次为祁连圆柏林、灌丛林，牧坡草地

９］

。最差［

成果的同时，在应用研究方面也取得了较好的成果，既推动了森林水文学、森林环境生态学发展，又提出了祁连山及河西走廊地区如何确定水资源开发与保护的技术及生态环境建设的对策，收到了良好的效果。

使用传统的工３．２．２　随着森林生态学的研究发展，

具、手工操作方法对森林水文生态功能进行定位研究已远远不能满足当前工作的需要。所以，我们在祁连山森林水文生态功能定位研究过程中建立了自使用了目前比较先进的观测仪器动观测记录系统，

设备、手段以提高研究水平。同时利用计算机数据管理系统结合数学方法，对森林、冻土水文生态功能这样使研究结果的各个层次和水平进行系统研究，既有定性描述，又有量化的数学模型。

３．２．３　定位研究由于试验观察固定在一个较为局限的地段上，往往所取得的研究数据有一定的局限性，加之观察持续时间长，从而给研究工作造成难以预测的困难。所以必须辅以面上的临时性调查，实行点面结合、调查与试验结合、野外与室内分析结合。参考文献：

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［］王金叶，常学向，葛双兰，等．祁连山（北坡）水热状况与植被垂直３

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［］王金叶，张学龙，张虎，等．祁连山水源涵养林组成结构及生长状４

］（）：况［西北林学院学报，Ｊ．２００１Ｓ１４－７

［］刘思敏；余新晓；牛赟．祁连山排露沟流域降雪消融与融水径流５

］（）：分析［中南林业科技大学学报，Ｊ．２０１３，３３１２９６－１００＋１１２．［］金博文，王金叶，常宗强，等．祁连山青海云杉林冠层水文功能研６

］（）：究［西北林学院学报，Ｊ．２００１Ｓ１３９－４２

［］常宗强，王金叶，常学向，等．祁连山水源涵养林枯枝落叶层水文７

］（）：生态功能［西北林学院学报，Ｊ．２００１Ｓ１８－１３

［］牛赟，刘贤德，张虎，等．祁连山水源涵养林土壤渗透功能的分析８

］（）：与评价［西北林学院学报，Ｊ．２００１Ｓ１３５－３８

［］张学龙，王金叶，常宗强，等．祁连山林区土壤水分条件的分析与９

］（）：评价［西北林学院学报，Ｊ．２００１Ｓ１１７－２１

［］常学向，王金叶，金博文，等．祁连山林区季节性冻土冻融规律１０

］（）：及其水文功能研究［西北林学院学报，Ｊ．２００１Ｓ１２６－２９［］牛赟，刘贤德，敬文茂，等．祁连山排露沟流域气温、冻土冻融与１１

］（）：林业科学，河川径流特征［Ｊ．２０１４１２７－３１

［］牛赟，刘贤德，张学龙，等．祁连山水源涵养功能的生态监测指１２

］：标与评估指标［中南林业科技大学学报，Ｊ．２０１３，３３（１１）１２０－１２４

［］王金叶，车克钧，闫克林，等．祁连山森林覆盖区河川径流组成１３

］（）：与时空变化分析［冰川冻土，Ｊ．１９９９１５９－６３

３．１．７　多年冻土和季节性冻土对水资源的形成和

稳定性有重要影响。多年冻土作为地带性气候现象，限制了活动层的地下水系统，导致活动层土壤水饱和，有利于提高植物和蒸发对水的利用效率；同时增加了径流深度和抑制了水分向深层土壤的下渗，

蒸散强度。季节性冻土随着季节气候变化冻结、融化对地下水进行存贮、释放，同时改变地下水的径流通道，对河川径流产生影响，其主要的水文功能在于到春天随冻土融化以冰晶形式存储的降水补给河增加河川春季径流量；季节性冻土随气候变化，川，

但冻土的厚度变化与气温的变化并不同步，冻土的

１０，１１］

。冻结厚度滞后于气温的变化［

３．１．８　祁连山森林覆盖区河川径流分配受到气温

和降水的影响，一个水文年可划分为枯水径流期、雪融水径流期、洪水径流期３个时期。径流组成主要雪融水径流、降水径流、冰川融水径流。有地下径流、

发源于祁连山的河流大多为混合补给型河流，调蓄积雪、冻土、湿地和水源涵养林组系统主要由冰川、

河川径流依赖于降水，但又不完全受制于降成，

１２］

。水［

３．１．９　山地森林作为祁连山及河西走廊绿洲生态经济系统的主体，通过其独特结构和功能把夏秋季集中、过多的降水储存在土壤内，把冬季大量积雪储到春天随着天气回暖以冰冻形式和积雪存于林内，

调节了径流的形式储存的降水逐渐消融补给河川，

使枯水期增加了径流量，缓解了枯水期旱时空分配，

情；洪水期减少了径流量，减弱了暴雨或大雨洪涝灾害的破坏力，提高水资源利用率

［１３］

。

３．１．１０　祁连山水源涵养林的水源涵养功能和冰川的水源蓄库作用对径流形成起着很大的调节作用。因此，加强冰川和水源涵养林保护是改变目前祁连山河川径流减少和季节分配变差现状的重要措施。３．２　取得的经验

其目的是通３．２．１　开展森林水文生态功能的研究，过降水形成径流过程研究，阐明在干旱半干旱区山地森林生态系统调节水资源的功能与机理，从理论上和技术上为合理利用水资源提供参考依据，为生态环境建设提供服务。同时，林业生产、生态环境建设和水资源开发利用又要求研究解决一些实际的技术问题。因此，定位研究始终把科研必须为生产服务的宗旨贯穿在实际工作中，在取得理论研究重要