祁連山大野口流域青海云杉林水文特征與生態(tài)因子關(guān)系研究

牛 赟 ，成彩霞 ，趙維俊 ，敬文茂

（1.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院 甘肅省森林生態(tài)與凍土水文水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 張掖 734000；2.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅張掖生態(tài)科學(xué)研究院 甘肅省祁連山生態(tài)科技創(chuàng)新服務(wù)平臺，甘肅 張掖7 34000）

祁連山大野口流域青海云杉林水文特征與生態(tài)因子關(guān)系研究

牛 赟1，2，3，成彩霞1，3，趙維俊1，3，敬文茂1，3

（1.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院 甘肅省森林生態(tài)與凍土水文水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 張掖 734000；2.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000；3.甘肅張掖生態(tài)科學(xué)研究院 甘肅省祁連山生態(tài)科技創(chuàng)新服務(wù)平臺，甘肅 張掖7 34000）

為了探討青海云杉林水文特征與生態(tài)因子變化關(guān)系，選擇大野口流域?yàn)樵囼?yàn)流域，充分利用歷史監(jiān)測資料以及現(xiàn)有生態(tài)監(jiān)測設(shè)施儀器的優(yōu)勢，通過降水、林冠及樹干截留、苔蘚枯落物截留、土壤水分及溫度、積雪消融、凍土凍融、土壤蒸發(fā)、河川徑流、林分立地條件、林分氣象因子、林分結(jié)構(gòu)、苔蘚枯落物結(jié)構(gòu)、土壤特性等指標(biāo)監(jiān)測，采取特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)、多元函數(shù)回歸和相關(guān)系數(shù)等分析方法，研究了水文特與生態(tài)因子之間的相互關(guān)系。研究結(jié)論為：(1)建立了水位與河川徑流量之間的回歸關(guān)系，探討了祁連山大野口流域河川徑流量變化規(guī)律；(2)建立了氣溫、降水、土壤溫度、凍土凍融、積雪消融等因子與河川徑流之間的相互關(guān)系，得出了氣溫、降水與河川徑流的變化趨勢；(3)得出了苔蘚、枯落物、土壤水熱特征以及土壤特性與土壤蒸發(fā)之間的生態(tài)因子關(guān)系。研究結(jié)論為山地森林和水資源生態(tài)保護(hù)與建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和參考。

水源涵養(yǎng)功能；水文特征；生態(tài)因子；青海云杉林；祁連山

水源涵養(yǎng)功能響應(yīng)關(guān)系主要是指降水、林冠及樹干截留、苔蘚枯落物截留、土壤水分及溫度、積雪消融、凍土凍融、土壤蒸發(fā)、河川徑流、林分立地條件、林分氣象因子、林分結(jié)構(gòu)、苔蘚枯落物層結(jié)構(gòu)、土壤特性等的相互關(guān)系。目前，對水源涵養(yǎng)功能響應(yīng)關(guān)系研究較多，許多學(xué)者對長江[1]、開都河[2]等不同流域開展了降水、氣溫與河川徑流的研究；對黃河流域[3]、喜馬拉雅山北坡典型高山區(qū)[4]等水源涵養(yǎng)區(qū)開展了凍土凍融與河川徑流的研究。祁連山在全國森林水文學(xué)研究中地理位置十分重要，是研究其水文特征與生態(tài)因子關(guān)系較理想的試驗(yàn)區(qū)。截止目前，已對祁連山青海云杉林水文特征及生態(tài)因子開展了長期研究，取得了大量研究成果[5-7]。但由于林水關(guān)系研究的復(fù)雜性，對影響水文特征的多個(gè)生態(tài)因子未結(jié)合起來或者說考慮不全，對特定區(qū)域的研究成果較難外推到其他流域。針對這個(gè)問題的不足，本研究以祁連山大野口流域?yàn)樵囼?yàn)流域，結(jié)合流域多年監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過進(jìn)一步完善和補(bǔ)充生態(tài)監(jiān)測儀器和設(shè)施，分析水源涵養(yǎng)各功能響應(yīng)關(guān)系，為多尺度研究流域水源涵養(yǎng)功能及其機(jī)理過程研究提供參考和科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于甘肅省祁連山自然保護(hù)區(qū)的西水林區(qū)，林區(qū)海拔2 400～4 000 m。多年氣象統(tǒng)計(jì)分析表明，該林區(qū)年均氣溫為5.4 ℃，月均氣溫最低值為-12.5 ℃，月均氣溫最高值為19.6 ℃左右；降水量較少，而蒸發(fā)量較大，其年均降水量為400 mm，年均蒸發(fā)量為1 488 mm，屬高寒干旱半干旱氣候。因區(qū)內(nèi)海拔梯度較高，水熱條件差異較大，形成了垂直梯度明顯差異的土壤類型和植被類型。海拔由低到高土壤類型依次為山地灰鈣土、山地栗鈣土、山地灰褐土、亞高山灌叢草甸土、高山寒漠土；植被類型依次為山地荒漠植被、山地草原植被、山地森林草原植被、亞高山草甸植被、高山冰雪植被。區(qū)內(nèi)陰坡和半陰坡地帶分布建群種或優(yōu)勢種青海云杉林Picea crassifolia，為天然次生林且是純林，呈斑塊狀或條狀分布在海拔2 400～3 300 m的地段；陽坡和半陽坡地帶分布建群種或優(yōu)勢種祁連圓柏Sabina przewalskii，多呈小塊狀分布，亦為天然次生林和純林，在其林緣附近分布草地，草本主要有珠芽蓼Polygonum vivipamm、黑穗苔Carexatrata和針茅Stipa等。林區(qū)灌木優(yōu)勢種有金露梅Potentilla fruticosa、箭葉錦雞兒Caragana jubata、吉拉柳Salix gilashanica等；大野口流域位于該林區(qū)地理位置 100°13′～ 100°16′E、38°16′～38°33′N處，流域內(nèi)有6條較大支流（東岔、西岔、頭灘溝、西溝梁、觀臺溝和深溝）匯集于大野口水庫，水庫面積約80 km2，集中了該流域98%的產(chǎn)水量，是個(gè)典型的閉合流域。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)樣地及監(jiān)測方法

在祁連山大野口流域沿著降水在森林生態(tài)系統(tǒng)中的傳輸途徑，開展了降水、林冠及樹干截留、苔蘚枯落物截留、土壤水分及溫度、積雪消融、凍土凍融、土壤蒸發(fā)、河川徑流、林分立地條件、林分氣象因子、林分結(jié)構(gòu)、苔蘚枯落物結(jié)構(gòu)、土壤特性等指標(biāo)的試驗(yàn)監(jiān)測，其方法詳見文獻(xiàn)[8]。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

在降水、氣溫、河川徑流、植物群落環(huán)境因子、青海云杉林分空間結(jié)構(gòu)特征、苔蘚枯落物、土壤水熱特征統(tǒng)計(jì)分析中，主要引用平均值、標(biāo)準(zhǔn)誤差、中位數(shù)、眾數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、方差、峰度、偏度、區(qū)域、最小值、最大值、觀測數(shù)、置信度(95.0%)等統(tǒng)計(jì)分析參數(shù)；在研究降水與其他氣象因子、植物林分結(jié)構(gòu)與群落環(huán)境、苔蘚枯落物厚度與苔蘚枯落物含水率、土壤含水率與溫度等因子、氣象與土壤蒸發(fā)等因子相互關(guān)系中，采用相關(guān)系數(shù)分析方法；在降水與其他氣象因子，氣溫、降水與河川徑流建模中，采用多元回歸分析方法；在分析氣溫、降水及河川徑流年際變化趨勢上，采用線性傾向法；在研究樹木徑級、高度級、冠長級、冠幅級指標(biāo)中，采用多度分析方法。其數(shù)據(jù)分析方法詳見文獻(xiàn)[8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣象因子、凍土凍融、積雪消融與河川徑流的關(guān)系分析

3.1.1 降水與其他氣象因子的關(guān)系

經(jīng)18 a（1994—2011年）定位監(jiān)測，祁連山大野口流域平均降水量、氣溫、相對濕度、氣壓、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、水面蒸發(fā)分別為374.06 mm、1.62 ℃、60.91%、745.27 hPa、2.52 m/s、1 633.14 h、995.64 mm，其年際變化幅度從大到小依次為氣溫＞降水＞日照時(shí)數(shù)＞水面蒸發(fā)＞風(fēng)速＞相對濕度＞氣壓。也就是說，從每年變化來看，氣溫和降水年際差別較大，濕度和氣壓年際差別較小。這是因?yàn)闅鉁亍⒔邓?、日照時(shí)數(shù)、水面蒸發(fā)這4個(gè)因子變化持續(xù)的時(shí)間較長，表現(xiàn)為較恒定，變化不敏感，因此從年際變化的角度看，差別較顯著；風(fēng)速、相對濕度和氣壓這3個(gè)因子變化持續(xù)的時(shí)間較短，變化較敏感，上下波動(dòng)易抵消，因此從年際變化的角度看，差別較不顯著。降水與其他氣象因子相關(guān)性從強(qiáng)到弱依次為氣溫＞水面蒸發(fā)＞日照時(shí)數(shù)＞風(fēng)速＞相對濕度＞氣壓。氣溫和水面蒸發(fā)最能解釋降水變化，屬于強(qiáng)相關(guān)；氣壓年際變化不大，解釋降水不明顯，屬于極弱相關(guān)。降水與其他氣象因子回歸模型為：

式中：P、T、W、A、S、E分別為降水量、氣溫、相對濕度、風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、水面蒸發(fā)。模型通過了R2檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)、t檢驗(yàn)[9]。

3.1.2 河川徑流水位與流速的關(guān)系

由于中等尺度流域集水區(qū)一般水流湍急，河面較寬，修建量水堰有一定的難度，用傳統(tǒng)的方法難以測算河川徑流量。由于科技的發(fā)展，雷達(dá)可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測河川水位，但流域產(chǎn)流研究的最終目標(biāo)是河川徑流量，河川徑流量可用徑流速度計(jì)算，因此，利用雷達(dá)監(jiān)測到的水位推算該處的河川徑流速度必不可少。通過雷達(dá)測流處水面比降、河川橫斷面面積、水力半徑、流速儀實(shí)測流量、糙率和謝才系數(shù)等一系列測量和計(jì)算[10]，得出了祁連山大野口流域雷達(dá)監(jiān)測水位與相應(yīng)的河川徑流量的函數(shù)關(guān)系式：Q=0.001 8H2-0.020 6H（R2=0.999 4）。式中：Q為河川徑流量（m3）；H為雷達(dá)監(jiān)測水位（cm）。繪制出水位流量如圖1所示。

圖1 祁連山大野口流域雷達(dá)水位與河川徑流的關(guān)系Fig.1 The stage-discharge at radar monitoring in Dayekou basin of Qilian mountains

3.1.3 氣溫、降水與河川徑流的關(guān)系

祁連山大野口流域大氣降水的44.57%形成了河川徑流，年均氣溫、年降水量和年河川徑流量分別在1.16～2.08 ℃、307.43～440.69 mm、129.04～204.42 mm區(qū)間內(nèi)變動(dòng)的年份占68%，氣溫年際變異最大，河川徑流量次之，年降水量最?。?8 a以來，祁連山大野口流域氣溫、降水和河川徑流均呈波動(dòng)性上升趨勢，其中氣溫，平均趨勢變化率約為0.23 ℃/10 a，降水和流域河川徑流平均趨勢變化率均為18 mm/10 a左右。祁連山大野口流域氣溫、降水和河川徑流在1月份最小，平均值分別為-11.91 ℃、2.74 mm和0.32 mm；7月份最大，平均值分別為14.38 ℃、82.48 mm、37.48 mm。經(jīng)相關(guān)性分析，河川徑流量與降水量強(qiáng)相關(guān)，與氣溫弱相關(guān)，也就是說，降水量對河川徑流量的變化有著顯著的影響，因此在研究河川徑流的影響因素中，首先要考慮降水量的影響，其次是氣溫。河川徑流量與氣溫、降水量之間的回歸效果非常顯著，可建立回歸模型：

式中：r、t、p分別為年河川徑流量（mm)、年均氣溫(℃)和年降水量(mm)。模型通過了R2檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)[11]。

3.1.4 氣溫、凍土凍融與河川徑流的關(guān)系

河川徑流變化驅(qū)動(dòng)力十分復(fù)雜，通過近10 a以來的長期定位監(jiān)測和研究，發(fā)現(xiàn)氣溫和日照是主導(dǎo)因子，影響著降水的形態(tài)數(shù)量以及凍土凍融過程，由此影響到了河川徑流的變化[12]。近10 a（2002—2011）氣溫年均為1.7 ℃，日照時(shí)數(shù)年均為127.1 h，土壤地表溫度年均為3.3 ℃，5、10和15 cm深處土壤溫度年均2.3 ℃，20和40 cm深處土壤溫度年均2.4 ℃；土壤開始凍結(jié)日期為10月11日左右，凍土結(jié)束消融日期為7月18日左右，季節(jié)性凍土存在時(shí)間年均為278 d，占全年時(shí)間的76.16 %；12月10日之前，凍土增厚的速率約1.22 cm·d-1，此后，凍土增厚的速率逐漸減小，平均為0.78 cm·d-1，直到3月20日左右，凍土增厚的速率減到最小，但凍土的累積厚度增加到最大，年均最大厚度約159.6 cm；從3月20日左右開始，凍土開始消融，消融的速率逐漸遞增，平均為1.47 cm·d-1；河川徑流與降水、河川徑流與凍土凍融的回歸模型：r=2.936p+9.587(R2=0.742 6)，r=-10.361Fd+ 1 388.498 (R2=0.701 7)，式中r、p、Fd分別為年河川徑流量（mm)、年降水量（mm)、凍土凍融厚度（cm)，且模型通過了R2檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)和t檢驗(yàn)[12]。

3.1.5 氣溫、積雪消融與河川徑流的關(guān)系

5—9月份為雨季，10—4月份為雪季，雪季降水占全年降水量的11.2%～25.6%，平均為17.69%，降雪平均厚度為40.65 cm；喬木林內(nèi)積雪量占灌叢林的84.54%，陰坡積雪量比陽坡高8.36%。積雪消融量平均為0.184～0.526 mm/d，喬木林積雪消融占灌叢林的78.72%，占陰坡草地的37.66%，占陽坡草地的32.61%；灌叢林積雪消融量占陰坡草地的47.45%，占陽坡草地的41.09%；陰坡積雪消融量占陽坡的34.98%，即陰坡積雪時(shí)間比陽坡長63.12%；流域月徑流深為0.28～23.19 mm，年徑流深為83.45 mm[13]。

3.2 苔蘚枯落物、土壤水熱、土壤特性及土壤蒸發(fā)的關(guān)系分析

3.2.1 苔蘚枯落物與土壤水熱特征的關(guān)系

祁連山青海云杉林區(qū)的一個(gè)顯著特征是苔蘚枯落物厚度較大，而土壤厚度較薄，溫度對其影響至關(guān)重要[14]。苔蘚枯落物平均厚度為6.0±0.3 cm，平均含水率為101.9±6.3%。0～10、10～20、20～40、40～60、60～80 cm土層深的土壤含水率平均值分別為66.24%±4.22%、57.62%±3.23%、48.44%±3.21%、42.81%±6.48%、25.89%， 各 土層溫度平均值分別為7.2±0.26、5.2±0.27、2.8±0.29、2.0±0.61、1.6±0.95 ℃。苔蘚枯落物厚度與各層土壤含水率相關(guān)性均極差，但其含水率與40～60 cm深的土壤含水率存在顯著相關(guān)，線性回歸函數(shù)關(guān)系式為wm=2.16ws(R2=0.762 1，P＜0.05)。式中：wm為苔蘚枯落物含水率（%）；ws為40～60 cm深的土壤含水率（%）。也就是說，苔蘚枯落物含水率是40～60 cm深的土壤含水率的2倍。苔蘚枯落物含水率與40～60 cm深處的土壤溫度表現(xiàn)為中度負(fù)相關(guān)，與其它各層土壤溫度不相關(guān)[14]。

3.2.2 氣象因子、土壤特性與土壤蒸發(fā)的關(guān)系

土壤蒸發(fā)影響土壤含水量的變化，是土壤失水的干化過程，是水文循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。由于土壤蒸發(fā)受土壤熱量、土壤含水量以及水汽壓的影響，林草地土壤蒸發(fā)均隨季節(jié)變化而變化。根據(jù)2004—2006年在祁連山大野口流域海拔2 700 m處林草地土壤蒸發(fā)季節(jié)變化如圖2所示[15]。12月份、翌年1月份、2月份，林地比草地土壤蒸發(fā)量分別高出13.15%、22.96%和34.93%，平均高出23.68%；從3月份開始到11月份，林地比草地土壤蒸發(fā)量分別低出137.39%、57.43%、92.77%、216.28%、65.23%、33.43%、122.35%、57.30%、6.97%，平均低出87.68%。但總體看來，林草地土壤蒸發(fā)均7月份最大，1月份最小。林地和草地土壤蒸發(fā)年均分別為176.99 mm和320.33 mm，林地比草地土壤年蒸發(fā)量低80.99%，林地土壤年蒸發(fā)量占降水量的54.16%，而草地占98.02%。通過林地和草地的土壤蒸發(fā)季節(jié)變化對比、土壤蒸發(fā)與氣象因子相關(guān)性對比、土壤蒸發(fā)與土壤特性相關(guān)性對比[15]，林地比草地土壤年蒸發(fā)量低80.99%，林地土壤年蒸發(fā)量占降水量的54.16%，而草地占98.02%。與氣象各因子相關(guān)性平均化比較，林地比草低在相關(guān)性上總體低出了3.15%，主要原因是森林生態(tài)系統(tǒng)形成了與草地不同的森林小氣候。林地比草地土壤孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度分別高出7.31%、7.63%、4.29%。雖然林地比草地土壤特性更有利于土壤蒸發(fā)，但影響土壤蒸發(fā)的主要原因是林地和草地的小氣候生態(tài)環(huán)境改變不同而引起的。

圖2 祁連山大野口流域林草土壤蒸發(fā)季節(jié)變化Fig.2 Compared evaporation of woodland and meadow with seasons change in Dayekou basin of Qilian mountains

3.3 林分結(jié)構(gòu)、林冠截留、土壤水熱的關(guān)系分析

3.3.1 青海云杉林分結(jié)構(gòu)因子相關(guān)性分析

利用建群種樹木高度與四周相鄰木的表現(xiàn)關(guān)系，確定樹木在林分的群落地位，調(diào)查時(shí)記優(yōu)勢木I、次優(yōu)勢木II、亞優(yōu)勢木III、被壓木IV、瀕死木V，共計(jì)5級，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 祁連山大野口流域青海云杉群落位置統(tǒng)計(jì)Table 1 Community position statistics of Picea crassifolia in Dayekou basin of Qilian mountains

在祁連山大野口流域優(yōu)勢種青海云杉群落中，直徑最粗、樹高最高、樹冠上部超出一般林冠層的林木（優(yōu)勢木）占46.08%；直徑、樹高僅次于優(yōu)勢木，樹冠發(fā)育良好的林木（次優(yōu)勢木）占3.33%；直徑、樹高、樹冠在林分中均為中等的林木（亞優(yōu)勢木）占9.54%；樹干纖細(xì)、樹冠窄小或偏冠，只有樹冠頂部能進(jìn)入林冠層的林木（被壓木）占32.0%；處在林冠層下，完全被壓，得不到上方直射光，生長極度衰弱、瀕死或已枯死的林木（瀕死木）占9.05%。這說明祁連山大野口流域青海云杉群落中，優(yōu)勢種之間競爭性較弱，優(yōu)勢木和被壓木占78.08%，在水源涵養(yǎng)功能中占主導(dǎo)地位。

從表2可以看出，青海云杉胸徑與其它因子相關(guān)性從大小依次為樹高、冠幅、冠長、樹齡，其均為中度正相關(guān)，這說明胸徑是主成因子；樹高與冠長中度正相關(guān)，與樹齡和冠幅低度正相關(guān)；冠長與冠幅、樹齡均低度正相關(guān)。在49塊固定樣地中選擇147株有代表性的青海云杉進(jìn)行結(jié)構(gòu)回歸分析[16]，胸徑（Ф，cm）與樹高（h，m）、冠幅（d，m）、冠長（l，m）、樹齡（y，a）之間的回歸方程為：Φ=0.651h+0.15l+1.776d+0.053y-0.362(R2=0.668 8，P＜0.05，標(biāo)準(zhǔn)誤差εi=3.44，自由度F=71.679)。

表2 祁連山大野口流域青海云杉林分結(jié)構(gòu)因子相關(guān)系數(shù)分析Table 2 Correlation analysis of structure factors of constructive species in Dayekou basin of Qilian mountains

3.3.2 青海云杉林分結(jié)構(gòu)與林冠截留的關(guān)系

為了分析量級與降水量、降水次數(shù)、林冠截留量和林冠截留等相互關(guān)系，從祁連山生態(tài)站提取2006年5—10月在網(wǎng)格樣地內(nèi)對林冠截留的監(jiān)測數(shù)據(jù)且分析處理（見圖3）[17]。

圖3 祁連山大野口流域降水量和降水次數(shù)與林冠截留多度分析Fig.3 Abundance analyses of rainfall and times of precipitation in Dayekou basin of Qilian mountains

在觀測期發(fā)生大氣降水事件85次，其降水總量394.2 mm。根據(jù)降水出現(xiàn)頻率（見圖3a），0～1 mm的雨量級降水頻率最高達(dá)27次，而大雨或暴雨（1次降雨量達(dá)到30 mm）事件相對較少，只占總降水量的8.79%。林冠截留總量和平均截留率分別為139.1 mm、35.28%。分析降水逐次數(shù)據(jù)，林外降水量低于0.80 mm時(shí)，所有降水全部被林冠層截留，截留率高達(dá)100%；降水在0～1、1～2 mm時(shí)，截留率均高達(dá)60.90%以上；當(dāng)降水在2～10 mm條件時(shí)，隨降水增加截留量增加，但截留率降低；當(dāng)降水量級在10～30 mm時(shí)，隨降水增加，截留量和截留率趨于穩(wěn)定，截留率在20.7%～27.3%之間波動(dòng)并略有緩慢降低的趨勢；從整個(gè)雨量級來看，冠層截留率呈下降趨勢（見圖3b），反映了冠層截留降水能力有限性。

為了分析胸徑、冠幅等林分空間結(jié)構(gòu)因子與林冠截留的相互關(guān)系，2013年5—10月在祁連山大野口流域觀臺站單株樣地內(nèi)對林冠截留進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)分析處理如表3所示。從分析結(jié)果[17]可以看出，徑級40～50 cm的單株青海云杉，其林冠截留率最大，平均為64.0%；徑級20～30 cm的最小，平均為37.2%；徑級50～60 cm的單株青海云杉雖然冠幅和冠長都較大，但冠緣較疏松，林冠截留率極低，僅為20.0%，因此，整體單株的平均林冠截留比徑級40～50 cm的較小。從樹干到林冠邊緣林冠截留率依次減小，徑級30～60 cm的單株青海云杉離樹干1 m范圍內(nèi)，平均林冠截留率達(dá)75%以上。

3.3.3 青海云杉林分結(jié)構(gòu)與土壤水熱特征的關(guān)系

從表4可以看出，郁閉度和林木密度與土壤含水率呈負(fù)相關(guān)，也就是說在沒有土壤徑流補(bǔ)給水分的區(qū)域，郁閉度或者林分密度與土壤含水率呈反比。因此，在植被調(diào)控水資源過程中，要充分考慮植被與土壤水資源承載力的關(guān)系。林分胸徑和樹高生長與40～60 cm深處的土壤含水率相關(guān)性最大，與0～10 cm和10～20 cm的相關(guān)性最小，其主要原因是青海云杉林是淺根性樹種，根系主要集中在土壤的40～60 cm區(qū)域范圍內(nèi)。冠長和冠幅生長與各層土壤含水率相關(guān)性差別不大，其主要原因是青海云杉冠長和冠幅生長主要由林分的郁閉度和密度決定，另外，主要決定林冠截留率的冠長和冠幅因子，對降水影響的同時(shí)，對土壤蒸發(fā)也形成影響，也就是說冠長和冠幅較大的青海云杉對降水截留較大，同時(shí)對土壤蒸發(fā)的滯留也較大，這種現(xiàn)象的相互作用形成了冠長和冠幅對土壤含水率影響較小的原因。

表3 祁連山大野口流域林分空間結(jié)構(gòu)與林冠截留率相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis between forest spatial structure and canopy interception in Dayekou basin of Qilian mountains

表4 祁連山大野口流域林分結(jié)構(gòu)與土壤含水量的相關(guān)分析Table 4 Correlation analysis between stand structure and soil moisture content in Dayekou basin of Qilian mountains

從表5可以看出，郁閉度、冠長和冠幅對40～60 cm深處的土壤溫度影響最大，主要原因是這些結(jié)構(gòu)因子與太陽輻射對土壤溫度的影響呈反比，而土層越深，其影響越大。林分胸徑和樹高生長與土壤溫度呈反比，因此，加強(qiáng)森林資源的保護(hù)和建設(shè)，是減緩?fù)寥雷兣挠行緩健?/p>

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

(1)利用激光雷達(dá)對水庫水位變化的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了水位與河川徑流量之間的回歸關(guān)系，探討了祁連山大野口流域河川徑流量變化規(guī)律；

(2)利用祁連山大野口流域1994到2011年的觀測資料，分析了氣溫、降水、土壤溫度、凍土凍融、積雪消融等因子與河川徑流之間的相互關(guān)系，得出了氣溫、降水與河川徑流的變化趨勢；

(3)通過大野口流域固定樣地調(diào)查，研究了苔蘚、枯落物、土壤水熱特征以及土壤特性與土壤蒸發(fā)之間的關(guān)系。

4.2 討 論

祁連山是典型的寒區(qū)旱區(qū)，凍土凍融和積雪消融是這一區(qū)域水源涵養(yǎng)功能研究不可回避的自然現(xiàn)象。在充分利用歷史監(jiān)測的基礎(chǔ)上，利用自動(dòng)監(jiān)測儀器和人工監(jiān)測相結(jié)合，同時(shí)，沿海拔梯度布設(shè)凍土器等，加密監(jiān)測了凍土凍融和積雪消融，在研究重點(diǎn)上表現(xiàn)出了明顯的地域特色。本研究在充分利用祁連山森林生態(tài)站多年研究資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量的野外試驗(yàn)觀測，研究結(jié)論具有較強(qiáng)的系統(tǒng)性，使單一的研究結(jié)論無法說明的問題得到了較明確的解釋，特別是通過降水形成徑流過程中相關(guān)因素的影響程度分析，為建立和驗(yàn)證在流域水平的森林水文模型提供了理論依據(jù)，為徑流形成區(qū)森林植被保護(hù)與水資源短缺矛盾協(xié)調(diào)解決提供了數(shù)據(jù)參考。作為中國西部地區(qū)特別是河西走廊的生態(tài)環(huán)境和地下水起著非常重要的作用，為實(shí)現(xiàn)祁連山水源涵養(yǎng)的可持續(xù)發(fā)展，加上全球氣候變化的加劇，繼續(xù)加強(qiáng)祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)，在經(jīng)營和管理祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)的過程中，注重祁連山高海拔的濕性灌木林，加強(qiáng)祁連山高山灌木林的生態(tài)科學(xué)研究，提升其結(jié)構(gòu)和功能，更好為維護(hù)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。本研究主要考慮了植物生長期的水文特征與生態(tài)因子的環(huán)境關(guān)系，加上林區(qū)季節(jié)凍土等特色，對徑流形成區(qū)水源涵養(yǎng)林生態(tài)系統(tǒng)水分運(yùn)動(dòng)機(jī)理還需要做更深入的研究和分析。需要在過程和機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，在流域水平上建立以試驗(yàn)和野外測定為基礎(chǔ)的分布式水文模型。

表5 祁連山大野口流域林分結(jié)構(gòu)與土壤溫度相關(guān)分析Table 5 Correlation analysis between forest stand structure and soil temperature in Dayekou basin of Qilian mountains

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The research on relationship between hydrological characteristics and ecological factors inPicea crassifoliaforest of Dayekou basin in Qilian mountains

NIU Yun1,2,3, CHENG Caixia1,3, ZHAO Weijun1,3, JING Wenmao1,3
(1. Academy of Water Resource Conservation Forests of Qilian Mountains in Gansu Province, Gansu Province Key Laboratory of Forest Ecology and Frozen-soil Hydrology and Water Resources, Zhangye 734000, Gansu, China; 2. Cold And Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute ,Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu, China; 3. Academy of Ecology Science of Zhangye, Gansu Science and Technology Innovation Service Platform of Ecology in Qilian Mountains, Gansu Province, Zhangye 734000, Gansu, China)

Abstrat:Be aimed at lack systematicness weak link of research on function of water conservation at the larger watershed scale,this subject chosen Dayekou basin for experimental basin,made full use of the hwastory of Dayekou basin in Qilian Mountains and the advantage of exwasting ecological monitoring facilities equipment, through the indexes such as precipitation, interception of canopy and stem, moss litter interception, mowasture and temperature of soil, snow ablation, permafrost thawing, soil evaporation, runoff, stand site condition, meteorological factors, stand structure, moss litter structure, soil characterwastics. By means of characterwastic parameter statwastics, multivariate function and correlation coef ficient. Research conclusion was that: (1) Using laser radar monitoring data about reservoir water level changes, the relationship between water level and river runoff had been analyzed, and the rivers runoff change rule of Dayekou basin in Qilian Mountains had been discussed.(2) Using observation data of Dayekou basin in Qilian Mountains from 1994 to 1994 years, the relationship between the air temperature, precipitation, soil temperature, freezing and thawing of permafrost and snow melt and other factors and river runoff had been analyzed, and the variation trends of temperature, precipitation and runoff had been concluded. (3) Through the large fixed sample survey in Dayekou basin in Qilian Mountains, the ecological factor relationship between moss and litter,and the soil water ant thermal characteristics, and soil properties and soil evaporation had been concluded.In this paper,scienti fic basis and reference for ecological protection and construction of mountain forest and water resources had been provided.

function of conservation water; hydrological characteristics; ecological factors;Picea crassifoliaforest; Qilian mountains

S715-3

A

1673-923X(2017)01-0062-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.01.012

2015-12-16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41461004)；甘肅省基礎(chǔ)研究創(chuàng)新群體課題(145RJIG337)；甘肅省科技創(chuàng)新服務(wù)平臺 (144JTCG254)

牛 赟 ，高級工程師，博士，在站博士后 通訊作者：成彩霞，助理研究員，碩士；E-mail：shych0868@126.com

牛 赟，成彩霞，趙維俊，等. 祁連山大野口流域青海云杉林水文特征與生態(tài)因子關(guān)系研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017, 37(1): 62-68.

[本文編校：謝榮秀]