北京市紅門川流域徑流對防護林結構變化的響應

朱 麗，秦富倉，姚云峰

(1.內蒙古農業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院，內蒙古呼和浩特010019;2.包頭師范學院資源與環(huán)境科學系，內蒙古包頭014030)

北京市人均水資源量不足300 m3，僅為全國平均水平的15%，世界的4%。北京市水源保護區(qū)位于密云、懷柔、官廳水庫上游區(qū)域，西起延慶海坨山，東至密云霧靈山，是北京的重要水源和生態(tài)屏障地，承擔著北京市80%以上的城市工業(yè)和生活用水。為此北京市以密云、懷柔水庫為中心，建立與經(jīng)營了大規(guī)模的水源涵養(yǎng)林[1-4]。水源涵養(yǎng)林的建設對于徑流量究竟有怎樣的影響或者說什么樣的防護林才能夠起到水源涵養(yǎng)的作用是目前研究的主要問題。關于這個問題，有許多學者進行了研究，其研究層面也各不相同，大到防護林類型，小到樹種[5-10]。本研究以密云縣紅門川流域為研究對象，從森林類型和木本植物——喬木林、灌木林、其它林地類型這一層面上探討防護林結構變化對徑流的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京市密云縣東南部，地理坐標117°06′07″—117°06′39″E ，40°23′23″—40°22′15″N 。流域面積128 km2。該區(qū)氣候類型屬于暖溫帶半濕潤季風型氣候，年平均溫度9℃，1月平均氣溫-7℃～-9℃，7月平均氣溫24℃～25℃。平均最低氣溫-18℃，平均最高氣溫38 ℃，無霜期175 d，平均年降水量650～700 mm，主要集中在6—8月份，雨熱同期。該流域西北高、東南低，地貌類型以山地和丘陵為主，中、低山占 75%左右。西北部以海拔1 000～2 290 m的中山為主，東南部多分布低山和丘陵。土壤主要為褐土和潮土。該區(qū)山體主要是白云巖、鈣質淋溶褐土。

地帶性植被為暖溫帶落葉闊葉林區(qū)，現(xiàn)狀植被以針葉林、闊葉林和混交林為主。主要人工植被為油松(Pinus tabulaef ormis)、側柏(Platycladus orientali)、刺槐(Robinia pseudoacacia)和落葉松(Larix gmelini)等針葉林，天然次生林主要是以山楊(Populus davidiana)、蒙古櫟(Quercusmongolica)和椴樹(Tilia amurensi)為主的闊葉林和針闊混交林。

2 研究方法

2.1 防護林結構變化分析

根據(jù)紅門川流域原有1∶1萬土地利用圖，結合流域1990，1995，2000和 2005年 4期遙感影像，在GIS支持下，得到4期土地利用圖。采用ArcView景觀分析軟件，得到防護林的空間格局變化情況，進行防護林結構變化的分析。

2.2 降水量

采用北京市密云縣紅門川流域沙廠水庫上游定位觀測站自1990—2006年的逐日降水數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)來自紅門川流域定位觀測站自記雨量計，記錄每次降水過程，并設立1個口徑為20 cm的標準雨量筒收集和測定每次降水以作核對。每次降雨后10～30 min觀測并記錄。

2.3 徑流量

徑流量分析是采用北京市密云縣紅門川流域沙廠水庫上游定位觀測站數(shù)據(jù)。

徑流觀測站為天然斷面，因溝道兩岸地形較陡，形成梯形斷面。徑流測定在小水時用接流筒按體積法施測，洪水時用率定水位流量關系曲線和浮標法測速計算流量兩種方法同步進行，得到徑流數(shù)據(jù)。該觀測站上游無人工水利工程，所以可以認為實測徑流數(shù)據(jù)即為天然徑流數(shù)據(jù)。

3 結果與討論

3.1 紅門川流域防護林結構變化研究

3.1.1 紅門川流域防護林結構變化分析 紅門川流域防護林森林類型多樣，有針葉林、闊葉林、混交林、灌木林和其它林地。1990，1995，2000和 2005年，各林種所占面積不同(表1)。

表1 紅門川流域防護林結構變化

由表 1可知，紅門川流域 1990，1995，2000和2005年的防護林總面積變化不大。1990年不同類型防護林面積排列次序為:針葉林＞混交林＞闊葉林＞其它林地＞灌木林。其中針葉林的面積為3 012.27 hm2，占防護林總面積的30.74%。而灌木林的面積最小，為859.49 hm2，占防護林總面積的8.77%。1995年不同類型防護林面積排列次序為:針葉林＞混交林＞闊葉林＞其它林地＞灌木林，與1990年完全相同。針葉林的面積有所增多，為3 315.81 hm2，占防護林總面積的33.33%。闊葉林的面積為2 072.71hm2，混交林的面積為 2 658.71 hm2，均比1990年略有減少。2000年不同類型防護林面積排列次序為:針葉林＞混交林＞闊葉林＞其它林地＞灌木林，與1990年和1995年完全相同。針葉林依然是防護林的主要類型，面積為3 142.31 hm2，占防護林總面積的32.16%。灌木林最少，為871.16 hm2，占防護林總面積的8.92%。2005年不同類型防護林面積排列次序為:針葉林＞闊葉林＞混交林＞灌木林＞其它林地，與前幾年有所變化，主要是闊葉林面積有所增加，為2 559.34 hm2，占防護林總面積的 26.14%;混交林的面積有所減少，為1 828.06 hm2，占防護林總面積的18.67%;灌木林的面積有所增加，為1 007.47hm2，占防護林總面積的10.29%;其它林地的面積急劇減少，為485.49 hm2，占防護林總面積的4.96%。

在防護林的5個林種中，針葉林、混交林和闊葉林在數(shù)量上所占比重很大，不同年份都在80%以上，而且總體上針葉林和闊葉林呈增加趨勢，混交林有所減少。而灌木林的比例有所波動，不同年份的面積和比例均不同，但是變化量并不明顯。其它林地無論從面積還是比例上來講，均呈現(xiàn)減少的趨勢，尤其在2001—2005年期間，變化較為劇烈。

3.1.2 紅門川流域防護林結構變化過程 利用轉移矩陣模型分析紅門川流域防護林內部結構變化，得到紅門川流域1990—2005年防護林結構變化轉移矩陣(表2—4)。

表2 紅門川流域1990—2005年防護林結構變化轉移矩陣

表3 紅門川流域1996—2000年防護林結構變化轉移矩陣

表4 紅門川流域2001—2005年防護林結構變化轉移矩陣

由表2—4可以看出，1990—1995年防護林內部針葉林面積變化最大，變化面積為225.44 hm2。混交林面積變化最小，為55.62 hm2。針葉林主要是由其它林地轉化而來;闊葉林主要是由混交林和其它林地轉化而來;混交林基本都是由針葉林和闊葉林轉化而來;灌木林主要是針葉林、混交林和其它林地轉化而來;其它林地主要是混交林轉化而來。

1996—2000年混交林面積變化最大，變化面積為100.59 hm2。闊葉林面積變化最小，為9.88 hm2。針葉林主要是由混交林和灌木林轉化而來;闊葉林是由混交林和灌木林轉化而來;混交林由針葉林、闊葉林和灌木林轉化而來;灌木林是由針葉林轉化而來;其它林地主要是闊葉林和灌木林轉化而來。

2001—2005年，針葉林面積的變化最大，變化面積為965.52 hm2。針葉林和闊葉林主要是由混交林轉化而來;混交林主要是由針葉林轉化而來;灌木林主要是由針葉林轉化而來;其它林地主要是由針葉林和混交林轉化而來。

通過以上分析，發(fā)現(xiàn)在針葉林、闊葉林、混交林和灌木林之間均有相互的轉化。1990—1995年和1996—2000年間轉化相對較小，2001—2005年間轉化劇烈。

3.2 紅門川流域徑流量變化

由圖1可以看出，紅門川流域年降水量在1990—2006年之間波動較大，但無明顯變化趨勢。1994年最多 ，為751.30 mm;1999年最少 ，為160.5 mm ，屬于極端干旱年。1990—1998年間降水相對較多，波動也比較大;1999—2006年間降水相對較少，波動不大。徑流量1990—1998年，呈現(xiàn)波動趨勢，基本保持在3.00×107m3左右;1998年以后，呈現(xiàn)明顯的減少趨勢，2003年降到最低點，徑流量小于1.00×106m3。紅門川流域多年平均降水量為472.79 mm，平均徑流量為1.61×107m3。由圖2可以看出，紅門川流域多年平均各月降水量呈明顯正態(tài)分布，起伏較大。7月降水量最多，為165.91 mm，占全年降水總量的35.09%;12月降水量最少，為0.94 mm，占全年降水總量的0.20%，二者相差非常大。研究區(qū)降水非常集中，汛期(6—9月)的降水總量為 421.38 mm，高達全年降水總量的88.51%。紅門川流域多年平均各月徑流量變化也很大，起伏明顯，10月至翌年的 5月，整個流域處于斷流狀態(tài);徑流全部集中在6—9月，最大值在8月，徑流量為7.75×106m3，占全年徑流總量的48.16%;最小值在6月，徑流量為6.38×105m3，占全年徑流總量的3.96%，二者差距很大。

圖1 紅門川流域降水量與徑流量年際變化

圖2 紅門川流域多年平均降水量與徑流量年內變化

3.3 紅門川流域徑流量對防護林結構變化的響應

紅門川流域徑流量年變化較大，尤其在2000年后流域徑流量明顯減少，其原因是多方面的。在研究紅門川流域1990—2006年降水量，除1999年屬于極端干旱年外，其它年份降水量均未發(fā)現(xiàn)有明顯變化，在此基礎上從林分的層次上考慮防護林建設對流域徑流量的影響。

3.3.1 徑流量與喬木林和灌木林結構變化的響應分析 根據(jù)樹高、冠幅、胸徑、有無主干等，將木本植物劃分為喬木和灌木等。針葉林、闊葉林和混交林一般屬于喬木林。研究北京市密云縣單位面積森林涵養(yǎng)水源量，闊葉林最高，為1 863.98 m3/hm2，其次為混交林和針葉林，分別為1 322.11和1 094.1 m3/hm2，灌木林單位面積涵養(yǎng)水源功能最低，為902.22 m3/hm2[11]，就水土保持和水源涵養(yǎng)的功能方面來講，喬木林的功能遠遠大于灌木林的功能。據(jù)此，分析喬木林、灌木林和其它林地結構變化對紅門川流域徑流量的影響。

1990—2005年防護林中的喬木林面積波動增加，從 1990年的 7891.92 hm2增加到 2005年的8 296.48hm2，增加了 404.56 hm2，增幅為 5.13%。而灌木林面積呈緩慢波動增加，從1990年的859.49 hm2增加到2005年的1 007.47 hm2，增加了147.98 hm2，增幅為17.22%。其它林地面積逐年減少，從1990年的1 048.35 hm2減少到2005年的 485.49 hm2，減少了 562.86 hm2，減幅為53.69%(圖3)。

圖3 不同年份防護林結構變化

喬木林始終是防護林的主體，并且隨著喬木林面積的增加以及生長量的提高，防護林水源涵養(yǎng)和水土保持功能的增強，必然會減少水土的流失，使得流域徑流量減少并達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3.2 徑流量與針葉林、闊葉林和混交林結構變化的響應分析 1990—1995年期間，紅門川流域防護林喬木林地逐漸增多，其中針葉林增加的速度最快，為10.08%，而闊葉林和混交林面積都有所減少。在此期間，紅門川流域年徑流基本穩(wěn)定在3.00×107m3左右。

1996—2000年，防護林喬木林中的闊葉林和混交林分別增加了38.28和79.63 hm2，而針葉林則減少了173.50 hm2。在此期間，紅門川流域年徑流量逐年遞減，從3.00×107m3減少到 1.00×107m3以下，減少了約66.7%。2001—2005年，防護林喬木林中的針葉林和闊葉林均有較大的增幅，分別為24.40%和21.24%，而混交林減少了910.28 hm2。在此期間，紅門川流域年徑流量只有2001年為1.62×107m3，其余均在1.00×107m3以下。

1990—2005年，其它林地面積逐漸減少，灌木林地略有增加，而針葉林、闊葉林面積均有不同程度的增加，混交林也有減少，但是防護林中喬木林的面積從80.54%增加到84.74%，呈持續(xù)增加趨勢。

4 結論

在年降水量沒有明顯變化的基礎上，紅門川流域的徑流量由1990年的3.00×107m3減少到2005年的1.00×107m3以下，主要是防護林發(fā)揮了削洪減洪的功能。但是從研究結果來看，不能準確得到類似于懷柔水庫防護林中喬木林逐年增長，灌木林逐年減少，導致徑流量逐年減少的結論[12]。也就是說，不同的森林類型和樹種是否對徑流起到的不同的影響，還需要進一步深入研究。

[1] 孫鵬森，馬履一，王田華.北京市水源保護林體系的基本格局與發(fā)展思路[J].環(huán)境保護，2003(1):29-33.

[2] 孫鵬森，馬履一，蔡永茂.京北山區(qū)水源保護林的現(xiàn)狀與發(fā)展策略[J].北京林業(yè)大學學報，1999，21(6):58-64.

[3] 高成德，余新曉.水源涵養(yǎng)林研究綜述[J].北京林業(yè)大學學報，2000，22(5):78-82.

[4] 王禮先，高甲榮，謝寶元，等.密云水庫集水區(qū)生態(tài)經(jīng)濟分區(qū)研究[J].水土保持通報，1999，19(2):1-6.

[5] 朱金兆，魏天興，張學培.基于水分平衡的黃土區(qū)小流域防護林體系高效空間配置[J].北京林業(yè)大學學報，2002，24(5/6):5-13.

[6] 宋西德，羅偉祥，侯琳.AHP法在防護林體系優(yōu)化結構研究中的應用[J].西北林學院學報，1997，12(4):41-47.

[7] 宋西德，羅偉樣，侯琳.黃土高原渭北生態(tài)經(jīng)濟型防護林體系永壽示范區(qū)建設技術及其生態(tài)經(jīng)濟效益[J].防護林科技，1997，32(3):20-23.

[8] 劉啟慎，趙北林，譚浩亮.太行山石灰?guī)r低山區(qū)水土保持防護林高效空間配置研究[J].河南林業(yè)科技，2000，20(1):1-6.

[9] 查同剛，孫向陽，于衛(wèi)平，等.寧夏段黃河護岸林體系結構的研究[J].北京林業(yè)大學學報，2004，26(3):93-96.

[10] 劉剛，姚崇懷，賈秀紅，等.三峽庫區(qū)堤岸防護林結構評價及改造措施[J].東北林業(yè)大學學報，2006，34(5):29-31.

[11] 張彪，李文華，謝高地，等.北京市森林生態(tài)系統(tǒng)的水源涵養(yǎng)功能[J].生態(tài)學報，2008，28(11):5609-5624.

[12] 朱麗，秦富倉，姚云峰，等.北京市懷柔水庫集水區(qū)徑流與防護林結構變化響應研究[J].水土保持研究，2009，16(3):143-147.