祁连山及山前绿洲荒漠区水文过程研究：水源涵养功能调查

1.3.1　降水、土壤水与河川径流研究

（1）河川径流水位与流速的关系

关于山地森林生态系统涵养降水过程和机理的研究中，人们更加注重河川径流及其河川径流对人居生态系统的影响［48-49］。从研究流域尺度上看，有许多学者在长江［50］、开都河［51］、黄河万家寨水库［52］、纳木错河［53］、新疆精河［54］、金沟河［55］、叶尔羌河［56］、喀什噶尔河［57］、甘肃渭河［58］等不同流域进行了研究。祁连山地处青藏、蒙新、黄土三大高原的交汇地带，是河西走廊内陆唯一水源区和黄河流域重要的水源补充区，是西北乃至全国的生态安全屏障，在全国森林水文生态学研究中的地理位置十分重要。因此，在该区域开展水文研究显得十分必要。早期（1973—1993年）在祁连山寺大隆流域开展相关研究，在20世纪80年代选择12.8 km2的天涝池河流域修建了量水堰，较准确地观测了河川径流量，但109.7 km2的寺大隆河流域由于工程太大，无法修建量水堰来较准确地观测河川径流量。近期（1994至今）在祁连山排露沟流域开展相关研究，在2.73 km2的祁连山排露沟流域修建了量水堰，取得了较准确的排露沟流域河川径流量数据。但是80 km2的祁连山大野口流域河流湍急，修筑量水堰有一定的难度，因此，准确监测该流域河川径流量一直是流域研究的难点，导致在多尺度上研究水源涵养功能受到阻碍。本研究利用雷达监测水位和人工利用测流仪测定流速，通过一系列测量和算法，最后得出了雷达水位监测与河川径流量的关系，这样可掌握祁连山大野口流域河川径流的动态变化规律，解决长期以来中等尺度流域监测河川径流量的难题，为多尺度研究流域水源涵养功能及其机理过程提供参考和科学依据。

（2）降水、土壤水与河川径流的关系

降水通过山地生态系统的涵养和传输，最后形成河川径流以满足生态经济社会发展［59-61］。近年来水力发电站对流域产流进行人工梯级截留，改变了河川径流的排放时间和排放量；在分配流域上、中、下游地区和各部门水资源比例，安排农业和生态用水比重，评估退耕还林、天然林保护、流域综合治理等工程对水资源的影响等现实问题上，需要我们掌握整个流域的降水、土壤水、河川径流的“三水”的周期变化特征和相互转化关系等生态水文过程及水资源构成比例。祁连山林区是水源涵养区，山前的走廊绿洲是水源消耗区。在水源涵养区人们主要关注降水和土壤水对水源涵养林的生长满足，而水源消耗区主要关注流域来水量对生态经济社会的可持续支撑，因此，综合探讨降水、土壤水和河川径流的关系，可为政府制定减缓城市生态环境压力、保护和利用水资源等决策提供科技支撑。相关研究属于水文学领域的热点［62］。20世纪50年代末期，概念性水文模型得以广泛应用［63］。20世纪80年代初［64］，水资源量的计算以及不同水源之间转化研究得以发展，但定性研究居多，定量研究较少［65-66］。为此，许多学者在特定的区域内利用试验实测数据开展了大量的相关研究。田凤霞等［67］揭示了祁连山青海云杉林植被系统的水文循环机理及其对山区水文路径的调节机制。马明国等［68］围绕森林水文循环问题开展了航空遥感、地面同步观测试验和水文与生态参数加密观测试验。赵传燕等［69］在黑河下游地区研究了地下水位的波动变化。刘冰等［70］对黑河流域荒漠区降水特征及其土壤水分对降水脉动响应进行了研究。从国内外相关研究可以看出，大多数学者的研究集中在降水与土壤水的关系上，但将降水、土壤水和河川径流综合起来研究的文献还较少。本研究充分利用甘肃省祁连山水源涵养林研究院的长期实测数据，分析了降水、土壤水和河川径流的相互关系，将人们特别关注的内陆河流域可持续产流问题和流域上游的生态问题结合起来探讨，为流域综合治理提供科学依据。

1.3.2　土壤温度、冻土冻融与河川径流的关系

冻土变化是冰冻圈的主要研究内容，冻土冻融过程直接影响着流域产流，因此，冻土冻融过程可以预估和展望未来气候变化情景下寒旱区的经济建设。在一个流域内，冻土冻融过程对空间变化比较敏感，要探讨流域的产流过程，必然要考虑冻土冻融的空间变化属性［71］。冻土研究中重要和困难的问题之一是确定冻土在空间上的变化，尤其是流域尺度上的空间变化［72］。关于冻土空间变化方面的研究中，主要集中在，一是对未来气候情景给出假设，认为高原地区普遍增温相同幅度，冻土退化不仅发生在多年冻土边缘地带，也发生在多年冻土区内的河谷融区、高平原沼泽附近［73-75］；二是通过有限点上的钻孔或剖片资料，推算出有限区域内的冻土在空间上的变化［76］；三是研究的主要内容为青藏高原地区的多年冻土或季节性冻土的空间变化［77］。这些研究成果都具有重要的学术和应用价值，但是利用流域尺度上的大量空间变化因子的实测数据进行研究冻土冻融过程的试验较少。

祁连山地处青藏、蒙新、黄土三大高原的交汇地带，在全国森林水文生态学研究中的地理位置十分重要，又加之冻土冻融水文过程是该区域不可回避的水文现象，但相关研究较为薄弱，因此，在该区域内开展相关的研究显得十分必要。关于祁连山或黑河上游冻土空间变化的研究中，王庆峰等［78］利用7眼测温孔布设测温管进行地温监测研究冻土分布特征；彭小清等［79］利用11个气象站40多年的气温数据和5 cm深度处的土壤温度数据系统研究了2000—2009年逐月季节冻土分布及冻结概率的时空变化特征；张文杰等［80］基于高程——响应模型，运用高分辨率的高程数据、经度数据、纬度数据、年平均气温数据和气温垂直递减率数据对祁连山地区近40年的多年冻土分布状况进行了数值模拟。

综上所述，在流域内布置较密集样地安装冻土管长期实地监测冻土变化的试验较少，以及采用海拔、坡度、坡向等空间因子和郁闭度等因子变化来研究冻土冻融过程的研究更少。为此，我们在整个流域内分不同海拔、坡度、坡向、林分等典型样地布置监测仪器获取数据，通过冻土冻融的空间变化特征分析，进一步解析流域的林分结构以及其水源涵养功能机理，为流域生态水文学提供科学依据和参考。

1.3.3　苔藓枯落物、土壤水热、土壤特性及土壤蒸发的关系分析

由于流域内海拔、坡向、坡度、土壤深度等不同，土壤水热分布也不同。因此，在研究流域水量平衡及水源涵养功能发挥效能、流域水资源管理及林分空间结构调控、土壤水资源及植被承载力等科学问题的过程中，不可避免地要研究流域水热在空间上的变化特征。有关土壤水热空间变化国内外开展了一些工作，总结起来主要有：利用气象站多年观测数据建立土壤温度与气温、降水等气象因子的回归模型［81-82］；利用GIS地统计学和空间地理分析技术，结合气象站观测资料和遥感数据以及相关模型研究土壤水热空间分布［83-85］；定点定期人工监测研究不同植被类型下的土壤水热空间分布［86-88］；利用多元回归方程分析土壤水热与经纬度、海拔等环境因子的相关关系，对土壤水热分布区域进行划分和预测。这些研究成果在生态水文研究方面都发挥了重要作用，但是数据来源方面，在较短时间间隔取得连续的数据有一定的难度。随着科技的发展和人们对生态科技的重视，本研究在祁连山大野口流域利用土壤水热自动监测仪器，按照不同海拔、坡向、坡度、土壤深度等空间因子以及不同植被类型等布置U30-NRC采集土壤体积含水率和土壤温度数据。通过分析这些数据，重点探究土壤水热的空间变化特征，为流域生态水文过程和机理研究提供科学依据和参考。由于海拔、坡度、坡向等在山地森林生态系统中更具普遍性，因此，以这些空间因子分析土壤水热在流域空间上的变化特征，其研究结论更具有推广性。

1.3.4　林冠截留研究

国外对降水林冠层截留监测和研究结果表明，温带针叶林和阔叶林对降水林冠截留率分别在20％～40％和11％～36％之间［89-91］；国内也对主要林种开展了林冠截留监测研究和定量描述［92-99］，研究结果表明林冠截留率范围在11.4％～34.3％之间，其变动较大的原因是林冠截留率受林分结构特征、林冠特征和蒸发能力，降水强度、历时、频率及风速等多种因素的影响。研究推导和应用林冠截留经验和理论模拟模型是近年来的热点研究内容。从实际应用来看，目前比较完善的主要有GASH解析模型和RUTTER模型，这些模型均可应用于林冠截流的计算和分析［100-101］。在此基础上，瓦伦（Vallent）等学者对模型进一步修正后，在疏林内对降雨截流模拟达到了较理想的效果［102］。(https://www.xing528.com)

1.3.5　苔藓枯枝落叶层截留作用研究

苔藓枯枝落叶层疏松多孔，有利于水分入渗，从而减少径流，延长地表径流时间，减少水土流失等［103］。同时，由于这种较大的水分截持能力，从而影响了穿透降雨对土壤水分的补充和植物的水分供应［104］。

苔藓枯落物的持水性能受林分类型，苔藓枯落物组成、厚度、分解程度等多种因素的影响［77］。相关研究表明［105-109］，在不同森林类型条件下，苔藓枯落物层吸持水量为自身重量的2～4倍，平均最大持水率达309.54％，蒸发量占林地总蒸发量的3％～21％。成熟林的枯枝落叶层持水能力较幼龄林和过熟林为高，混交林和复层林较纯林和单层林为高［110］，阔叶林枯落物持水能力较针叶林和草丛高［111］。

1.3.6　土壤层入渗与渗透过程研究

土壤层具有较好的蓄水和渗透能力，对于森林流域径流的形成意义重大。由于森林土壤具有良好的调节作有，通过蓄水功能可延长和滞留产流分配时间，缓解雨季降水的汇集，发挥涵养水源和保持水土的功能。土壤孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等土壤特性是评价水源涵养功能的重要指标［112］。土壤渗透性也是水源涵养功能的重要指标，是分析土壤水文循环的重要指标［113-115］。研究结果表明［116-117］，土壤渗透性能越好，地表径流概率越小，土壤的流失量也就相应减少，对水土保持有着重要的影响。目前，关于土壤水分入渗和土壤渗透性能已有大量研究［118-119］，Green-Ampt、Phillip、Horton等适用模型及经验模型对土壤入渗和渗透过程能够定量描述和模拟［120-121］。

1.3.7　森林对河川径流影响的研究

关于森林影响河川径流的问题，很早就有学者研究。1837年，瑞典学者贝氏（Berghaus）根据水文试验资料初次尝试研究森林采伐影响下的河川径流变化，他对比了易北河1731—1780年和1781—1830年两个50年期间的水位状况，发现50年间多年平均水位降低了50 cm，同时在奥得河也发现水位降低了28 cm。贝氏用森林砍伐和沼泽疏干来解释这个差值。1873年奥地利工程师威克斯指出，中欧河水流量有减少的趋势，是由于森林砍伐、沼泽疏干、土地过度开垦以及从河流引取的水量增加等造成的。但瓦列斯在研究了塞纳河的洪水问题之后，得出完全相反的结论。从此导致关于森林对河川年径流量及洪水影响的争论开始。争论的焦点是森林到底是大量消耗降水，还是非林地大大耗水，以及森林削减洪峰后是转变为地下径流还是蒸发到大气中去。

为了确定森林与河川径流关系的水文过程和数量关系，近一个世纪以来，世界各国的学者为此做了大量工作，在小流域森林与径流关系上取得了重大进展。以欧美学者为主的研究结果总体认为森林流域比草原或其他植被的产流量要低。森林砍伐后，流域产流随之增加，采伐强度和面积越大，产流的增幅越大；随着伐后植被的恢复，增加趋势逐渐回落。流域内的全部森林被采伐后，可使流量增加400 mm/a以上。采伐面积达到43％时，可导致产流增加20％。美国学者C.G.Bates和A.J.Henry对采伐前后河川径流量的变化进行了详细研究，用蒸腾对土壤水分消耗和采伐导致土壤透性下降来解释，增加水量因季节不同而异，高水位与低水位比值由采伐前的22∶1降到采伐后的17∶1。1909年，美国学者在Wagon Wheel Gap进行的是严格意义上的流域对比试验结果表明，81 hm2流域内的灌丛山杨和针叶树被砍伐后可增加水量30 mm/a［122］。Stednick将美国95个流域试验研究进行了系统综合归纳，结果表明，当采伐达100％时，流域产水量每年增加最多可达750 mm，不同水文区或同一水文区森林采伐对流域产水量影响的程度由多种原因引起的。1924年，在日本爱知县试验林场布设4个流域试验基地，开展流域径流量随林相变化的对比试验，结果表明森林采伐可增加径流15％～100％，森林完全被采伐后年径流量可增加300 mm左右［123］。1927年，东京大学还研究了不同面积、不同林相集水区的径流，发现流域面积小或林相差年河川径流量较高。同年，Raphael Zon在《科学调查下的森林与水》一文中注意到了森林对低水位的影响，从而使全年径流均匀，他认为，森林比同样条件下的其他植被更节约降水。近年来，在苏格兰的Coalburn流域和Balquhidder流域建立了针叶树种造林对水文循环影响的试验站，监测研究结果也表明，森林植被可减少河川径流量，因此，采取短轮伐期的森林经营措施可减缓森林对径流减少的不利影响。德国从1984年开始，在Upper Harz山脉建立两个对比试验开展监测与研究，结果表明Lange Bramke流域的森林恢复引起了年径流量减少，而Wintertal流域的森林采伐则引起了年径流量增加。在Krofdorf森林水文研究站，采取校核观测法剔除其他因素对森林采伐试验的影响，结果表明，分段采伐流域内96％的山毛榉林，采伐后的第二年，流域年产水量则增加86 mm，比10年校核观测计算的流域河川径流量高出39％。1982年，澳大利亚的M.L.Sharma研究表明，采伐后1 m以内的土壤储水量明显增加，深层地下水增加可达1300 mm/a，而森林覆盖流域则减少250 mm/a。芬兰在泥炭林集水区所做的试验表明，采用同样强度的采伐措施后，以云杉为主的汇水区地下水位上升10～240 mm/a，以松树为主的集水区增加180 mm/a［124-125］。

人们早就注意到了小流域试验结果和大流域分析结果的差异。苏联科学院Moiseev选取100～1900 km2的小流域和2000～20000 km2的大流域对比监测，结果发现，在小于10 km2的流域内，森林郁闭度减少，则产水量增加约19 mm/a；而在大于10 km2的流域内，随着森林郁闭度的增加，产水量有所减少［126-128］。研究结果表明，随着森林覆盖率的增加，每个季节径流量均呈增加趋势，在春汛期和夏秋雨季，森林对径流的调节作用更加明显。

我国研究森林对河川径流的影响较晚。主要是1949年以后才开始的。较早的是水利水电研究院1960年对黄河流域与河川径流关系进行了研究，随之在全国各地开展了此项研究工作，但主要集中在森林水土保持方面。周晓峰等在亚热带、温带、寒温带开展了森林植被覆盖率变化对小汇水区年径流量影响的试验研究，结果表明森林覆盖率的减少可增加流域的年径流总量［129］；1962年，长江水利电力研究院金栋梁等在长江大面积森林流域内选择了五组自然地理条件基本一致的有林和无林对比区进行分析，研究结果表明，森林覆盖率高的流域比森林覆盖率较低的流域、有林地比无林地的流域，年河川径流量均毫无例外地增加21.8％～32.8％。1963年，马雪华在四川西部米亚罗高山森林区、岷江上游冷杉林汇水区内研究了采伐与径流关系，研究结果表明，森林大面积采伐会引起林地对降水分配的改变。随着林冠截留作用的减弱，很大程度地增加了土壤表面的降水量和地表径流量，同时，也增加了河川径流总量，且地表水与地下水的比值由原来的7∶3变为8∶2。1978年刘昌明等在黄河中游黄土高原森林和非林区也进行了对比试验，结果表明林区径流系数比非林区小34.0％～68.5％［130］，他认为是黄土高原气候干燥，有利于蒸发和蒸腾，深厚的黄土层增加了对水分的入渗和渗透能力，从而减少了年河川径流量。由于森林的水源涵养功能的发挥，使得河川径流组成由汛期以地表水为主逐渐转化为较为稳定的地下水补给为主。随着森林覆盖率的增加年径流量虽然减少而地下水补给程度却不断的提高。关于森林对洪水、枯水流量的影响国内也有诸多研究与报道，如对分布在长江上游的岷江上游、金沙江高山原始林区的水源涵养功能和调节水分作用的研究结果表明，森林能降低洪峰流量，改变地表和地下水的分配比例，增加枯水期径流量，减少河流泥沙悬浮质含量。大面积采伐森林可导致河流洪峰流量的增加和枯水流量的减少，提高最大与最小流量的变幅。但森林对洪水削弱的作用也不是无限的，对孤立洪峰效应较明显，而对连续洪峰调节作用则不明显［131］。

综上所述，目前还没能搞清楚森林对河川径流影响的生态水文机理和关系，拿不出具体有说服力的长期监测研究结果来评估森林的水文作用。这一问题还处在继续探索阶段。其原因主要是由于森林生态系统本身的复杂性以及目前研究手段较落后。对这个问题的研究不仅要依靠森林水文学的发展，还要靠多学科的交叉应用，需要相当长的时间经过艰苦努力才能解决，今后的研究方向应按气候、土壤、植被类型、林分结构、生态条件、地质等几方面分别进行研究。