祁连山水源涵养林生态水文研究概述-

1、2014年5月防护林科技M a y,2014第5期(总128期P r o t e c t i o n F o r e s t S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y N o .5(S u m N o .128文章编号:1005-5215(201405-0061-03收稿日期:2014-02-24基金项目:国家科技支撑计划项目子课题(2012B A C 08B 01;国家自然科学基金重大项目(91125012作者简介:王荣新(1974-,男,甘肃张掖人,工程师,主要从事森林生态水文学方面的研究.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

2、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据及其研究成果,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。内容涉及森林水文、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:S 715文献标识码:A d o i :10.13601/j.i s s n .1005-5215.2014.05.0241祁连山植被类

3、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交汇处(93°20103°E ,36°3039°30N ,属高寒山地森林草原气候,区内自然条件复杂,水热条件差异大,形成了多种具有明显垂直梯度和水平差异的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森林的土壤,山地灰褐土分布在海拔24003300m 地带,是乔木林的主要

4、分布带,亚高山灌丛草甸土分布在海拔33003800m 亚高山地带,是湿性灌丛林的主要分布带。祁连山现有水源涵养林43.61×104h m 2,主要由青海云杉林(pi c e a c r a s s i -f o l i a 、祁连圆柏(J u n i p e r u s pr z e w a l s k i i 林、干性灌丛林和湿性灌丛林四大林型组成,青海云杉是祁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24.74%,占乔木林面积的75.72%。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,一方面

5、捍卫着高山“冰源水库”的安全;另一方面使山区降水、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、城市生活与工业发展供应生命水72亿m3。正是祁连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

6、(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11个森林生态系统定位研究站(简称生态站之一。祁连山水源涵养林生态系统定位研究站在祁连山围绕水源涵养林演替、结构与功能、水量平衡、养分循环、经营管理、效益评估等开展了多项研究,取得了多项研究成果。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:寺大隆试验区位于99°31100°15E ,38°1438°44N ,森林覆盖率65.9%,年均气温0.5,年均降水量433.6m m ,年均蒸发量1061.9m m ,平均相对湿度57%

7、;西水试验区位于100°17E 、38°24N ,海拔26003800m ,属高寒半干旱山地森林草原气候。年均气温0.5,年均降水量435.5m m ,年均蒸发量1051.7m m,平均相对湿度60%。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(P o t e n t i l l af r u t i c o s a等。祁连山生态站现已建成林内小气候梯度自动观测塔1座(高30m;阳坡草地小气候自动观测塔1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、流域径流量测定量水堰6座;高海拔水量

8、平衡场5个;坡面地表径流观测场18处;林冠截留固定样地3个;林冠截留与树干径流临时样地3个;土壤水分动态取样点20多处;土壤蒸发及土壤冻融测点9个;枯落物截留测定点10处;流域降水量控制测点14个;生物多样性监测与生物生产力调查固定样地12个。购置了价值25万元的自动气象站两套,价值24万元的L i c-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。2003年中科院寒旱所、兰州大学、甘肃农业大学在祁连山生态站建立科研与教学试验基地。近年先后有美国、新加坡、瑞典、澳大利亚、以色列、斯里兰

9、卡等国专家来祁连山生态站考察、工作;先后有中科院、中国林科院等科研院(所和大专院校的专家、教授来祁连山生态站从事科学研究工作。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、生物多样性保护等领域,尤其是对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的调节、多年冻土和季节性冻土的水文作用进行深入研究,取得了森林调节径流规律和功能的一系列研究成果。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指导作用,为今后深入开展研究奠定了基础。3.1.1祁连山林

10、区降水年内分布不均,寺大隆试验区多年平均降水量为433.6m m,雨季(59月占全年的89.2%,降水年变幅在326.4539.7m m,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降水量平均递增4.55%,由东向西降水量平均递减11.14%,显示了向典型荒漠化过渡的降水特征,与祁连山植物分布特点相一致3,4。3.1.2积雪是祁连山林区又一独特的“固体水库”,随海拔升高而变化。春季在海拔3300m以上62 c m厚的积雪按平均雪密度计算,相当于在地面上覆盖了102.3m m厚的一层水,到春天随着气温升高,存储的积雪融化成水沿着冻结面很快汇入河川,以径

11、流形式提供给中下游地区,有利于缓解中下游地区的春旱5。3.1.3林冠通过截留对降水进行首次分配,截留因树种、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31.7%,灌木林7、8月截留率平均为66.5%;林内透过雨量、林冠截留量随降雨量的增加而增加,它们与降雨量呈现良好的线性关系,相关系数分别为0.9865与0.9892。青海云杉林冠截留率(V与降雨量(P和降雨强度(Q之间的近似线性方程为: V=49.1313-0.6152P-4.5493Q(R= 0.5755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

12、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青海云杉林为39.566t·h m-2、祁连圆柏林6.899t ·h m-2、灌木林20.223t·h m-2;年凋落量青海云杉林为2.689t·h m-2、祁连圆柏林3.676t·h m-2、灌木林0.894t·h m-2;青海云杉林枯落物分解率为15.2%,夏季分解最快,其他季节则较慢。在目前年龄和结构状态下,青海云杉林枯落物蓄积年增加约0.71t·h

13、m-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434m m 的情况下,藓类青海云杉林枯落物共截留78.0 m m,占总降水的17.9%7。3.1.5森林土壤通过入渗、存贮、转化降水而调节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青海云杉林的0.43%;林地土壤(100c m蓄水量320.2509.7m m,比牧坡草地高5.4% 60.47%;高山灌丛林土壤蓄水最多,青海云杉林次之;祁连山水源涵养林总贮水量为5.52亿m38。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、

14、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26防护林科技2014年水分积累期、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,牧坡草地最差9。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;同时抑制了水分向深层土壤的下渗,增加了径流深度和蒸散强度。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

15、于到春天随冻土融化以冰晶形式存储的降水补给河川,增加河川春季径流量;季节性冻土随气候变化,但冻土的厚度变化与气温的变化并不同步,冻土的冻结厚度滞后于气温的变化10,11。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。径流组成主要有地下径流、雪融水径流、降水径流、冰川融水径流。发源于祁连山的河流大多为混合补给型河流,调蓄系统主要由冰川、积雪、冻土、湿地和水源涵养林组成,河川径流依赖于降水,但又不完全受制于降水12。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

16、储存在土壤内,把冬季大量积雪储存于林内,到春天随着天气回暖以冰冻形式和积雪形式储存的降水逐渐消融补给河川,调节了径流的时空分配,使枯水期增加了径流量,缓解了枯水期旱情;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3.2.1开展森林水文生态功能的研究,其目的是通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

17、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。3.2.2随着森林生态学的研究发展,使用传统的工具、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动观测记录系统,使用了目前比较先进的观

18、测仪器设备、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、冻土水文生态功能的各个层次和水平进行系统研究,这样使研究结果既有定性描述,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:1杨志清.21世纪水资源展望J.水资源保护,2004(4:66-682任光照,徐子恺,王国新.我国水资源开发利用业绩与前景J.水文,1995(5:11-163王金叶,常学向,葛双兰,等.祁连山(北坡水热状况与植被垂直分布J.西北林学院学报,2001(S1:1-3