祁连山水源涵养林区森林对径流过程的调节作用

作者：苗毓鑫 王立 王顺利

来源：《现代园艺·下半月园林版》 2017年第10期

祁连山高山区生态系统以森林群落、高山草甸草原以及冰川冰缘森林群落为主，属于高寒干旱、半干旱山地森林草原气候。祁连山森林在水分循环过程中扮演着重要的角色，在调节气候、涵养水源、滞洪减灾等方面的具有潜在贡献。森林是陆地生态系统的支柱，水是生命活动的基础。森林对径流调节、转换和传递的功能有重要作用，森林不仅调节径流的分配和循环过程，而且还是森林与外界进行物质和能量交换的界面[1]。

1 研究区概况该研究以国家林业局甘肃祁连山水源涵养林生态系统定位研究站研究资料为基础，以西水林区排露沟流域为试验区，就森林对径流过程的调节作用进行了实地调查研究。试验区位于祁连山中段地带，地处N38°24′，E100°17′，属于黑河系大野口流域。总面积269hm2，呈中卵形，长4.25km；纵坡比降1：4.19；海拔范围2600～3794m，年平均气温0.7℃，最热月7月份平均气温12.2℃，最冷月1月平均-12.9℃。年平均降水量374.06mm，年水面蒸发量1051.7mm，年日照时数1892.6h，年平均相对湿度60%。

2 试验结果与分析2.1 森林林冠层对降水的分配森林林冠层对降水的再分配来实现径流过程和径流成分比例的改变，森林是大气降水进入森林生态系统的第1 个活动层，是影响降雨径流的重要环节。到达林地上空的降水（P）在通过森林进入土壤前被重新分配，分成穿透雨量（T），树干茎流（S）和林冠截留量（I）３部分。

降水经过森林林冠层的水量平衡可表示为：= T+ +林冠截留是一个比较复杂的物理过程，它制约于郁闭度、降水频率、降雨强度、降水历时、树种、林龄、林分密度、林冠蒸发能力、林冠构筑型等诸多方面[2]。最初到达林冠的降水，首先和林冠进行浸润，蓄留在林冠表面，只有降雨足够多时才会透过林冠降落到林下，祁连山森林林冠的截留量与降水量呈极紧密的正相关关系，青海云杉林以幂函数关系拟合较佳。二者之间相关方程如下：

I=0.7260P0.7576 R=0.9034

经过大量观测数据拟合青海云杉林冠截留率（I%）与降雨量（P）的关系以对数方程模拟较好，二者之间的关系：I% =63.8080－17.26×Ln（P）R=0.7298林冠结构主要与树种、叶面积指数、林龄、林型等有关，一般林冠越密，截留量也越大；截留量与叶面积指数大小密切相关，截留损失量随着落叶的增加而减少，随着覆被率的增加而增加。另外，降水特性、林冠结构、林相和林分、林冠前期干燥程度等不同程度地影响着降雨径流的产生。2.2 树干对降水的分配祁连山林区属于干旱少雨地带，树干径流很少发生，其受林分结构、一次性降雨量、胸径、冠幅、冠高等因素的影响。根据祁连山青海云杉不同径级20株样树的观测表明，树干径流占总降水量的0.56%。穿透雨量及树干径流是林地土壤水分及其径流的主要来源，林冠截留能降低穿透雨量的降雨强度，减缓产生径流的过程，推迟径流的产流时间和减少地表径流量。2.3 森林林地对径流过程的调节作用2.3.1森林枯枝落叶层对径流的调节能力。祁连山林区森林的枯枝落叶层累积量较大，结构疏松，具有较强的持水性，透水能力，这保证森林能充分发挥涵养水源功能，是调节径流过程的重要水文层次。枯枝落叶层处于林分植被层与土壤层之间，是森林生态系统的重要组成部分，是林地的一个重要覆盖层。为了表明枯枝落叶层拦蓄降水、调节径流的能力，用最大持水量减去平均自然含水量，籍以计算枯枝落叶层对1 次降水过程的有效拦蓄量。经测定，青海云杉林和灌木林最大持水量为282.54%和336.05%，而祁连圆柏林为

244.59%。灌木林明显高于青海云杉林和祁连圆柏林。可见，祁连山最好的水源涵养林是灌木林。

云杉林和灌木林的拦蓄量分别为9.7mm和6.5mm，大于祁连圆柏林的1.7mm；祁连山水源涵养林枯枝落叶现存量，青海云杉林为37.9t/hm2，祁连圆柏林为6.9 t/hm2，灌丛林为20.2 t/hm2；由于云杉林枯枝落叶累积量较大，因而有效拦蓄量要明显大于圆柏林和灌木林。2.3.2林地土壤对径流过程的调节作用。林地非毛管孔隙蓄水量的大小，是反映森林涵养水源，调节径流作用的一个十分重要的指标[3-5]，国内外不少学者专家都用这个指标对森林涵养水源能力进行量化评估。青海云杉林林地的非毛管孔隙明显大于祁连圆柏林、灌丛林与牧坡草地。分别为

21.79%、8.98%、11.31%和10.01%。土壤最大持水量青海云杉林为129.06㎜，分别大于祁连圆柏的72.50㎜、灌丛林的118.66㎜和牧坡草地的75.79㎜。这可能是由于青海云杉是阴性树种，地面覆盖着很厚的苔藓层与枯枝落叶层，能减轻雨滴的冲击，长期保持土壤的孔隙不被堵塞，向土壤输入有机质的数量大，从而使林地具有结构好，总孔隙度大。非毛管孔隙和最大持水量也较大，林地土壤的涵养水源功能，调节径流的作用明显。牧坡草地的枯枝落叶层较少，耐牲畜践踏的能力较弱，加之超载滥牧，植被破坏严重，土壤理化性质不良，故而土壤的蓄水能力较弱。祁连圆柏在祁连山成片状分布，成林面积较小，与牧坡草地性质相似。灌木林地面的苔藓与枯枝落叶含量比青海云杉少，但是面积较大，耐牲畜践踏能力较强，提高了土壤孔隙度的质量，土壤物理性质得到改善，故各项指标明显优于祁连圆柏林与牧坡草地。

林地土壤渗透能力是评价森林土壤在调节径流过程中的又一个重要指标[6]。祁连山水源涵养林区不同类型林地土壤入渗能力最好的为青海云杉林，其次为祁连圆柏林，最差的为灌木林。土壤的物理性质决定着土壤的渗透率、渗透速度及蓄水保水的功能。因此，林区森林林地对径流过程具有显著的调节作用。经我们在径流小区观测，排露沟流域林下未发生地表径流。这也与它具有的1.9～49.5mm/min的稳渗率有关，在祁连山林区降水进入林区后以地下径流的形式流入河川及在土壤中蓄存。

森林土壤的蓄水量因土壤的渗透功能不同而不同[7]，林地土壤蓄水量100㎝土层蓄水量为320.2～509.7㎜，比牧坡草地高5.4%～60.47%。灌丛云杉与高山灌丛林分布海拔较高，性状矮小，枝叶茂密，冠幅紧帖地表，截持降雨能力强；温度低，蒸腾量小；低矮的植被减弱了雨滴的击溅侵蚀能力，避免了土壤孔隙被堵塞，减少了地表径流的发生是祁连山水源涵养林的最佳林型。

2.4 森林中径流水量的输出森林生态系统中径流主要由3部分组成，即地表径流，壤中径流及地下径流。一次降水过程中，如果降雨强度大于土壤的入渗率，则将有部分降水沿着地表流动，形成地表径流，祁连山林区由于林冠层截留，地表枯落物层的蓄水和保护作用以及林地土壤良好的透水性，一般不会有地表径流发生，且土层较薄，下为岩石层，故渗入的降水通过土壤间隙沿坡面运动，并与岩石分界处形成土壤中间流。经调查研究表明，一般径流的峰值出现在降雨峰值后2.5h之后。由此可见，森林林地对径流的调节作用，一方面是有降水时因森林的作用，使林地产生径流的时间滞后，另一方面是森林的不同位置对径流形成机制具有不同的影响，导致产生不同的水文效应。