祁连山绿洲区水文调节与涵养机理研究

生态系统的水文服务对于人类社会发展和维持生态安全的作用日益显现，在干旱半干旱的西部地区更显得重要和突出。本项目紧紧围绕河川径流变化机理以及流域水源涵养功能的影响和作用，根据祁连山寒区旱区的冻土冻融和融雪消融等生态现象的地域特色，充分利用历史监测资料以及现有工作条件优势，在新置、自制和改造完善监测仪器设备的基础上，通过对降水、林冠及树干截留、苔藓枯落物截留、土壤水热、积雪消融、冻土冻融、土壤蒸发、河川径流、林分立地条件、林分气象因子、林分结构、苔藓枯落物结构、土壤特性等指标监测，采取特征参数统计、多元函数回归和相关系数等分析方法，揭示流域河川径流与水源涵养功能的依存关系。本研究有助于深刻认识流域生态系统对于人类社会发展和维持生态安全的水文服务潜力，为发展和完善森林生态水文学提供研究成果和试验数据，为解决森林生态系统保护建设与开发利用水资源中潜在的林水矛盾提供参考和科学依据，取得了以下几方面的研究成果：

1.雷达测流处水面平均比降为0.028；河川最大洪水断面宽13.4 m，高1.32 m；河川横断面糙率的平均值为0.059；雷达监测水位与相应的河川径流量的函数关系式为Q=0.0018H2-0.0206H（R2=0.9994）。

2.降水量、空气湿度和河川径流18 a平均为374.06 mm、60.91％、166.73 mm，降水的44.57％最后形成了河川径流。降水和河川径流上升率均为18 mm/10 a，空气湿度上升率约为1.2％/10 a。降水、空气湿度、土壤水、河川径流在一年中的变化步调基本一致；在森林高度范围内，距地面越高，空气湿度越大，受降水的影响越小；在0～80 cm土层深度范围内，土壤越深，降水对土壤水分的影响越小。建立的回归模型可预测降水、土壤水、河川径流量变差的95.2％、88.8％、97.6％，准确率可达93.4％、84.6％、96.7％。将人工观测和自动监测数据同化分析，解决了流域生态水文过程研究中的数据短缺问题。

3.18年（1994—2011年）内，气温、降水和河川径流均呈波动性上升趋势，其中气温平均趋势变化率约为0.23℃/10 a、降水和流域河川径流平均趋势变化率均为18 mm/10 a左右；气温、降水和河川径流在1月份最小，平均值分别为-11.91℃、2.74 mm和0.32 mm；7月份最大，平均值分别为14.38℃、82.48 mm、37.48 mm。

4、土壤冻结速率随海拔升高而呈波动性增大趋势，而冻土消融速率则相反；冻土冻融变化程度随海拔升高而均呈波动性增大趋势；土壤冻结结束时间随海拔升高呈波动性提前趋势，而消融结束时间则相反。土壤冻结速率空间排序中海拔3028 m的藓类云杉林最小，3300 m的亚高山灌丛林最大，平均为1.9 cm/d；冻土消融速率空间排序中3300 m的灌丛云杉林最小，2946 m的阳坡草地最大，平均为1.5 cm/d；土壤冻结变异程度空间排序中海拔2518 m的藓类云杉林最小，3300 m的灌丛云杉林最大，平均为0.4。冻土消融变异程度空间排序中海拔2579 m的灌丛草地最大，3195 m的灌丛云杉林最小，平均为1.2。土壤冻结从10月20日左右开始，冻土速率逐渐减少，3300 m的亚高山灌丛林冻土厚度达到150 cm的时间最早，3100 m的灌丛云杉林冻土厚度达到150 cm的时间最迟，平均日期为1月12日；冻土消融到150 cm深的时间差异也较小，平均为3月27日；接着冻土消融速率逐渐增加，2946 m的阳坡草地冻土消融结束最早，3100 m的灌丛云杉林消融最迟，平均为7月27日。土壤冻结、冻土消融持续时间平均分别为77 d、121 d，冻土冻融总过程平均为199 d。建立的消融持续时间和消融速率回归模型均通过了R拟合检验、F方差检验、t回归系数检验。

5.近10年（2002—2011年）气温年均1.7℃，日照时数年均127.1 h，土壤地表温度年均3.3℃，5、10和15 cm深处土壤温度年均2.3℃，20和40 cm深处土壤温度年均2.4℃；土壤开始冻结日期为10月11日左右，冻土结束消融日期为7月18日左右，季节性冻土存在时间年均为278 d，占全年时间的76.16％；12月10日之前，冻土增厚的速率约1.22 cm/d，此后，冻土增厚的速率逐渐减小，平均为0.78 cm/d，直到3月20日左右，冻土增厚的速率减到最小，但冻土的累积厚度增加到最大，年均最大厚度约159.6 cm；从3月20日左右开始，冻土开始消融，消融的速率逐渐递增，平均为1.47 cm/d；河川径流S与降水P的回归模型为S=2.936P+9.587（R2=0.7426），与冻土冻融厚度Fd的回归模型为S=-10.361Fd+1388.498（R2=0.7017）。

6.5月至9月份为雨季，10月份至次年4月份为雪季，雪季降水占全年降水量的11.2％～25.6％，平均为17.69％，降雪平均厚度为40.65 cm；乔木林内积雪量占灌丛林的84.54％，阴坡积雪量比阳坡高8.36％。积雪消融量平均为0.184～0.526 mm/d，乔木林积雪消融占灌丛林的78.72％，占阴坡草地的37.66％，占阳坡草地的32.61％；灌丛林积雪消融量占阴坡草地的47.45％，占阳坡草地的41.09％；阴坡积雪消融量占阳坡的34.98％，即阴坡积雪时间比阳坡长63.12％；流域月径流深为0.28～23.19 mm，年径流深为83.45 mm；积雪消融形成的融水径流深为4.60 mm，占年总径流量的5.51％。

7.土壤水分与其深度呈二次函数的抛物线变化（Sdw=-0.0057d2+0.3185d+23.808，R2=0.9457），土壤温度与其深度呈线性变化（Sdt=-0.0536d+9.192，R2=0.994），深度每增加10 cm，其温度降低约0.54℃。在0～80 cm深度范围内，土壤水热变异程度呈“V”字形；高海拔半阴坡灌丛林土壤温度变化最剧烈，低海拔阳坡草地土壤温度变化较小。郁闭度对20 cm以上深度的土壤水热影响较大，对其他各层土壤水热影响较小；对水分是中度负影响，对温度是低度正影响。10～20 cm深层的土壤水分回归模型S2w=0.06a-0.5s+19.87c-140.48（R2=0.985，σ=1.47，F0.05=105.86）在95％置信范围可信、可接受。(www.xing528.com)

8.随海拔增大，土壤水分呈波动性增大趋势，增大率约为2.35％/100 m，土壤温度呈波动性降低趋势，降低率约为0.74℃/100 m。半阴坡土壤水分比半阳坡增多了20.59％、比阳坡增多了71.31％，半阳坡土壤水分比阳坡增多了42.06％。半阴坡土壤温度比半阳坡降低了38.15％、比阳坡降低了53.81％，半阳坡土壤温度比阳坡降低了25.32％。亚高山灌丛林比乔木林土壤水分增多了44.61％、比草地增多了68.39％，乔林比草地土壤水分增多了16.45％。亚高山灌丛林比乔木林土壤温度降低了28.62％、比草地降低了56.16％，乔木林土壤温度比草地降低了38.59％。高海拔半阴坡灌丛林土壤温度变化最剧烈，低海拔阳坡草地土壤温度变化较小。

9.青海云杉苔藓枯落物平均厚度（6.0±0.3）cm，平均含水率为（101.9±6.3）％；0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm土层的土壤含水率平均值分别为（66.24±4.22）％、（57.62±3.23）％、（48.44±3.21）％、（42.81±6.48％）、25.89％，各土层温度平均值分别为（7.2±0.26）℃、（5.2±0.27）℃、（2.8±0.29）℃、（2.0±0.61）℃、（1.6±0.95）℃。苔藓枯落物厚度与海拔、坡向、坡度、胸径、树高、冠长、冠幅、郁闭度、土壤各层含水率和温度等因子均极弱相关，甚至不相关；苔藓枯落物含水率与海拔为中度正相关（P＜0.05），与40～60 cm深的土壤含水率显著正相关，与其温度成中度负相关。

10.林地比草地土壤年蒸发量低80.99％，林地土壤年蒸发量占降水量的54.16％，而草地土壤年蒸发量占降水量的98.02％。在土壤蒸发旺盛期，林地和草地土壤蒸发量分别占全年的80.87％和85.47％；在土壤蒸发平稳期，林地和草地蒸发量分别占全年的19.13％和14.53％；与各气象因子相关性的平均值比较，林地比草低平均低3.15％，林地比草地土壤孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度分别高出7.31％、7.63％、4.29％。

11.海拔对青海云杉树高影响较大，对冠长影响较小，与其他因子不相关；坡向对冠幅影响最大，对冠长、树高影响较小；坡度对这些因子几乎没有影响；从水平结构来看，胸径断面和冠幅投影面积与所在陆面面积比值为0.31％和25.58％，从垂直结构来看，树高、冠长分别为1.10 m/m2和0.71 m/m2；从群落位置来看，优势木和被压木占78.08％，占主导位置。径级从1～5 cm到26～30 cm、高度级从2～4 m到18～20 m、冠长级从2～4 m到12～14 m、冠幅级从2～4 m到4～6 m，其多度分别为89.4％、94.4％、77.8％和82.7％；从相关系数分析来看，径级与多度、冠长与多度均符合三次多项式关系；胸径与树高、冠长、冠幅、树龄均中度正相关，符合线性多元回归函数。

12.林冠截留与林分结构中的胸径、冠幅及冠幅离树干的远近密切相关，径级40～50 cm的单株青海云杉林冠截留率最大，平均为64.0％；径级20～30 cm的最小，平均为37.2％。从树干到林冠边缘，其林冠截留率依次减小。青海云杉林冠截留年总量和平均截留率分别为139.1 mm、35.28％，雨量级与林冠截留率呈反比。

13.青海云杉林郁闭度或林分密度与土壤含水率低度负相关，胸径和树高与40～60 cm深处的土壤含水率相关性最大，与0～10 cm和10～20 cm的相关性最小；郁闭度、冠长和冠幅对40～60 cm深处的土壤温度相关性最大，胸径和树高与土壤温度负相关。