石羊河流域森林消減區(qū)域水災(zāi)作用分析

郭春秀，劉淑娟，劉世增，劉虎俊，李銀科，袁宏波

（甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070）

森林與水資源、自然環(huán)境之間具有復(fù)雜的相互作用，增加森林植被是調(diào)節(jié)水資源分配，保護(hù)自然環(huán)境的重要途徑。石羊河是甘肅省河西內(nèi)陸河流域三大水系之一。其上游祁連山冰雪資源和水源涵養(yǎng)林是流域陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，被譽(yù)為“綠洲水庫(kù)”。水源涵養(yǎng)林調(diào)節(jié)降水，保持水土，在區(qū)域生態(tài)安全和水資源調(diào)節(jié)中發(fā)揮著不可替代作用。石羊河中下游的森林主要是人工林，在河岸分布天然灌木林，發(fā)揮著防風(fēng)固沙改善生態(tài)的重要作用［3］。但是，自20世紀(jì)中期以來(lái)，由于氣候變化和人為干擾，祁連山區(qū)冰川退縮、雪線上升、融水減少，森林退化，涵養(yǎng)水源能力降低，水土流失面積逐年擴(kuò)大［3－5］，中下游的人工林也大面積衰敗死亡，森林的作用逐漸降低［5］。研究石羊河流域森林對(duì)區(qū)域水資源和災(zāi)害的影響，不僅可為區(qū)域開發(fā)和災(zāi)害防治提供參考，也可提高人們保護(hù)森林的意識(shí)，對(duì)于石羊河流域生態(tài)治理具有重要意義。祁連山上游森林的涵養(yǎng)水源［6－8］、保持水土［8，9］以及調(diào)節(jié)徑流作用研究主要集中在黑河流域。石羊河下游植被防風(fēng)固沙作用的觀測(cè)與分析較多［5－8］，但石羊河森林影響洪水，特別是河岸森林的作用研究較少。本文參考前人研究結(jié)果和觀測(cè)資料，分析石羊河森林對(duì)于區(qū)域水和風(fēng)沙災(zāi)害的影響，為區(qū)域森林管理和災(zāi)害防治提供參考。

1 石羊河流域及其森林概況

1.1 石羊河流域概況

石羊河流域位于甘肅省境內(nèi)河西走廊東部，祁連山北麓，介于100°57′—104°57′E，37°02′—39°17′N之間，是我國(guó)荒漠區(qū)三大內(nèi)陸流域之一。全長(zhǎng)300余km，面積41 163km2；其中沙漠、戈壁占38.4%，荒灘占13.6%，山地占34.5%，綠洲僅占13.5%。石羊河流域上游為高山、黃土梁峁地貌及山麓洪積沖積扇，是流域徑流主要的產(chǎn)生區(qū)和水資源形成區(qū)；中游是武威盆地，下游以沙礫荒漠為主，并有剝蝕石質(zhì)山地和殘丘，是徑流的散失區(qū)和水資源的耗散區(qū)。石羊河流域?qū)俚湫偷拇箨懶詺夂騾^(qū)，降水量自東北向西南隨海拔高度的增加而增大。在海拔3 000m以上的高山區(qū)，多年降水量為400～600mm，降水變率為15%；海拔2 000～3 000m的中山區(qū)，多年降水量300～400mm，降水變率17%。海拔1 500～2 000m的中游地區(qū)的多年降水量為150～300mm，降水變率22%～23%。在海拔1 300～1 500m的中下游和下游地區(qū)的多年降水量小于150mm，其中伸入騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠之中的民勤縣，多年平均降水量?jī)H110mm［4，5］。

1.2 石羊河流域的森林

《中華人民共和國(guó)森林法》將森林分為防護(hù)林、用材林、經(jīng)濟(jì)林、薪炭林、特種用途林。根據(jù)上述分類，石羊河流域的森林主要有防護(hù)林和經(jīng)濟(jì)林。石羊河上游森林由東大河、祁連、上房寺、夏瑪、哈溪、烏鞘嶺、十八里堡和昌嶺山等幾大林區(qū)組成，由于該區(qū)域?yàn)榻?jīng)河西走廊進(jìn)入西域的門戶，破壞程度最為嚴(yán)重。據(jù)《河西志》記載，祁連山2 000余年前約有天然森林6.00×106hm2。新中國(guó)建立初期的20世紀(jì)50年代，云杉林面積大約為1.50×105hm2，從20世紀(jì)60年代初到70年代末，森林面積減少16.5%，森林覆蓋率減少8%。森林資源的減少使祁連山涵養(yǎng)水源能力下降，雪線不斷上升。冷龍嶺冰川1956—1976年的20年中，年均后退12.5～22.5m。

1.2.1 祁連山區(qū)的水源涵養(yǎng)林 石羊河流域的山地森林覆蓋率37.6%，灌木林面積1.78×105hm2，占林業(yè)用地面積的71.3%，是該流域山地森林的重要組成部分。在海拔2 500～3 300m山地分布寒溫性針葉林，類型有青海云杉（Piceacrassifolia）林和祁連圓柏（Sabinaprzewalskii）林，面積1.33×105hm2，生長(zhǎng)緩慢，更新困難。頭花杜鵑（Rhododendroncapitatum）灌木林和吉拉柳（Salixgilashanica）灌木林分布在海拔3 000～3 700m的亞高山區(qū)陰坡、半陰坡和溝谷地區(qū)；在海拔2 600m左右的中低山荒漠帶分布金露梅（Potentillafruticosa）灌木林。該地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的敏感性和脆弱性，一旦遭到破壞。極易被灌木叢草原或草原更替，且很難恢復(fù)［3］。

1.2.2 平原區(qū)的防護(hù)林和經(jīng)濟(jì)林 在武威市建成了綠洲灌區(qū)農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)3.59×104hm2，四旁植樹5 495.2萬(wàn)株。在風(fēng)沙線已營(yíng)造防風(fēng)固沙林1.29×105hm2，封沙育林草1.16×105hm2，在654km長(zhǎng)的風(fēng)沙線上建成以沙棗（Elaeagnusangustifolia）、梭梭（Haloxylonammodendron）、檸條（Caraganakorshinskii）、花棒（Hedysarumscoparium）為主要造林樹種的防風(fēng)固沙林帶380km，治理嚴(yán)重風(fēng)沙口240多個(gè)，直接保護(hù)農(nóng)田9.33×104hm2。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已栽植紅棗6.00×103hm2，建立釀造葡萄基地5.33×103hm2，葡萄深加工企業(yè)生產(chǎn)能力達(dá)到3.5×104t。民勤全縣國(guó)營(yíng)和集體造林保存面積4.00×104hm2，形成60多條總長(zhǎng)350km 的防風(fēng)固沙林帶。全縣50%耕地基本上形成了林網(wǎng)化。培育果園300hm2。但是，隨著人口增加，土地開發(fā)面積擴(kuò)大，民勤境內(nèi)有3 000hm2沙棗林已完全枯死，有5 800hm2沙棗林禿頂衰退，約有6 000hm2梭梭林枯梢。植被衰敗，風(fēng)沙日劇，成為中國(guó)四大沙塵暴最嚴(yán)重源區(qū)之一。

2 森林消減水災(zāi)

祁連山水源林把夏秋季集中、過(guò)多的降水儲(chǔ)存在土壤內(nèi)，把冬季大量積雪儲(chǔ)存于林內(nèi)，到春天以冰凍和積雪形式儲(chǔ)存的降水逐漸消融補(bǔ)給河川，削弱了夏季洪水。加強(qiáng)祁連山冰雪和森林植被保護(hù)，是改變目前祁連山河川徑流季節(jié)分配變差的重要措施。

2.1 森林影響降水分配，減少洪水發(fā)生

祁連山森林覆蓋率大的支流域，森林有減少年徑流量的趨勢(shì)，徑流量年際和月際變化值?。▓D1）。在祁連山區(qū)，1號(hào)觀測(cè)區(qū)域的森林覆蓋率為2號(hào)的2.35倍，枯水季節(jié)降水量相差10mm，2號(hào)單位面積徑流量為1號(hào)的4.1倍，1號(hào)是3號(hào)森林覆蓋率的11.17倍，兩者降水量相差15mm，但3號(hào)觀測(cè)區(qū)單位面積的徑流量是1號(hào)的286倍。在汛期，1號(hào)的降水量是2號(hào)的1.17倍、3號(hào)的2.15倍，單位面積徑流2號(hào)和3號(hào)分別是1號(hào)的12.7倍和250倍。相比較而言，森林覆蓋率較大的區(qū)域降水量較大時(shí)期的河川徑流量反而較小，森林涵養(yǎng)水源，在調(diào)配區(qū)域降水量與河川徑流關(guān)系中起著決定作用。

圖1 祁連山區(qū)的森林覆蓋率與降水量及河川流量關(guān)系

2.2 河岸林穩(wěn)固河岸，降低洪水災(zāi)害

河岸林在防護(hù)江河堤防中發(fā)揮著不可替代的作用。在石羊河中游（蔡旗），河沿主要分布植被類型有：草甸、灌叢、鹽化草甸＋灌木、喬木林和灌叢＋喬木混交林。因此，根據(jù)河岸崩塌率（表1），參考土壤保持評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇植被的植株密度、根系分布結(jié)構(gòu)、植被蓋度、層片數(shù)和優(yōu)勢(shì)植物生活型作為指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，比較沼澤化草甸、灌叢、鹽化草甸＋灌木、喬木林和灌叢＋喬木混交林的土壤保持能力，得出不同結(jié)構(gòu)植被類型的土壤保持能力指數(shù)（表1）。沼澤化草甸的植物密度在83株·m－2以上，蓋度達(dá)到了95%，但其所在河岸的崩塌率大于灌叢和鹽化草甸＋灌木，土壤保持能力小于鹽化草甸＋灌木植被。鹽化草甸＋灌木的植物種主要是蘆葦和賴草，地上部分的賴草密度可達(dá)20株·m－2以上，植株密度和植被蓋度只小于沼澤化草甸，所在河段的崩塌率最小，土壤保持能力指數(shù)最大，鹽生草甸＋灌木的保護(hù)河岸穩(wěn)定的能力最大。喬木林的密度和蓋度最小，土壤保持能力最小，河岸崩塌率達(dá)86%，形成斷點(diǎn)，河岸陡坎較大，土壤保持能力指數(shù)也最小。石羊河中下游沿河分布的灌叢主要有檉柳和筐柳兩類，密度和蓋度都大于灌叢＋喬木混交林，河沿崩塌率也只大于鹽生草甸＋灌木。石羊河中游河沿的崩塌率與河岸植被類型、結(jié)構(gòu)以及河岸特性相關(guān)（表1）。如果以土壤保持能力指數(shù)與河沿崩塌率綜合比較，鹽化草甸＋灌木保護(hù)河岸穩(wěn)定性能力最大，其余依次為沼澤化草甸、灌叢，灌叢＋喬木僅大于喬木林的保護(hù)河岸能力。

表1 石羊河中游河岸植被及河岸參數(shù)

3 討論與結(jié)論

3.1 位于干旱區(qū)的石羊河流域森林具有特殊的水文效應(yīng)和減災(zāi)防災(zāi)作用。然而石羊河流域在整個(gè)祁連山受人類影響相對(duì)較大，森林面積減少分布不均勻［4］，森林對(duì)于徑流的調(diào)節(jié)作用相對(duì)黑河流域較小。石羊河流域上游，闊葉灌木林占林業(yè)用地面積的71.3%，灌木林生態(tài)系統(tǒng)是該流域山地森林生態(tài)圈的重要組成部分，發(fā)揮著涵養(yǎng)水源、保持水土、減少洪水災(zāi)害和調(diào)節(jié)流域水資源分配的作用。在降水量一定時(shí)，祁連山區(qū)的云杉林、圓柏林和灌木林均無(wú)地表徑流發(fā)生，而放牧草地則有地表徑流出現(xiàn)［8，9］。在石羊河中游的河岸林保護(hù)河岸能力較優(yōu)的組合是鹽化草甸＋灌木，這與水土保持林主要是林帶強(qiáng)大根系作用相一致［10］。灌木林生態(tài)系統(tǒng)是該流域山地森林生態(tài)圈的重要組成部分，發(fā)揮著不可替代的作用。

3.2 森林可以減少洪水量，削弱洪峰流量，推遲和延長(zhǎng)洪水的匯集時(shí)間。在祁連山區(qū)洪水的發(fā)生率與降水量、森林覆蓋率以及徑流量不成比例，但是，相比較而言，森林覆蓋率較大的區(qū)域降水量較大時(shí)期的河川徑流量反而較小，森林涵養(yǎng)水源，在調(diào)配區(qū)域降水量與河川徑流關(guān)系中起著決定作用，減少了洪水發(fā)生率。在祁連山區(qū)，夏秋季集中、過(guò)多的降水儲(chǔ)存在森林枯枝落葉和土壤內(nèi)，冬季大量積雪儲(chǔ)存于林內(nèi)，到春天以冰凍和積雪形式儲(chǔ)存的降水逐漸消融補(bǔ)給河川，滿足了春季農(nóng)業(yè)灌溉用水需要，同時(shí)削弱了夏季洪水，增加了枯水期徑流量，減弱了暴雨或大雨洪澇災(zāi)害的破壞力，提高了水資源利用率［7－10］。石羊河流域森林對(duì)徑流的調(diào)節(jié)作用研究相對(duì)黑河流域較少，降水、森林面積和洪災(zāi)之間關(guān)系研究缺乏［4］。另外，石羊河流域低山區(qū)地貌復(fù)雜，溝壑較多，流域破碎，容易發(fā)生洪澇災(zāi)害［4］。這方面還有待設(shè)立定位觀測(cè)站，進(jìn)行長(zhǎng)期研究。

3.3 石羊河下游的防風(fēng)固沙灌木林適應(yīng)區(qū)域氣候，減災(zāi)作用明顯。區(qū)域沙塵暴與我國(guó)西北地區(qū)相一致，由于植被蓋度和植被高度增大了地表粗糙度，對(duì)沙塵暴阻截和消減作用是十分顯著的，尤其是高大的農(nóng)田防護(hù)林。從沙漠到綠洲隨著地表粗糙度的增加，沙塵暴過(guò)程中的平均沙通量、平均氣溶膠濃度和地面降塵量均明顯下降，其中沙通量的減少最大，減少77.93%。沙塵暴路徑上地表粗糙度增加越快，地面對(duì)流場(chǎng)的阻力越大，氣溶膠濃度下降的速度也越快，從而導(dǎo)致沙塵通量和降塵量的快速下降。民勤治沙站觀測(cè)結(jié)果表明，沙塵暴從荒漠區(qū)運(yùn)動(dòng)到綠洲內(nèi)部沙塵通量可減少74.42%。植被對(duì)日照的反射率最低。在一定溫度范圍內(nèi)，植物具有明顯降低區(qū)域氣溫、減少大風(fēng)和沙塵暴發(fā)生的作用。

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