祁連山水源涵養(yǎng)功能的生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)與評(píng)估指標(biāo)

牛 赟 ，劉賢德 ，張學(xué)龍 ，王順利 ，雷 軍

（1.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.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000；3．甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

祁連山水源涵養(yǎng)功能的生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)與評(píng)估指標(biāo)

牛 赟1，2，3，劉賢德1，2，3，張學(xué)龍1，2，王順利1，2，3，雷 軍2

（1.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.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000；3．甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

以祁連山水源涵養(yǎng)功能體為研究對(duì)象，基于森林生態(tài)水文學(xué)理論，充分利用祁連山森林生態(tài)站長(zhǎng)期生態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其研究成果，在流域尺度上，圍繞水源涵養(yǎng)功能從水文和生態(tài)兩方面進(jìn)行了監(jiān)測(cè)指標(biāo)選擇。同時(shí)，對(duì)水源涵養(yǎng)功能各水文指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)估。研究結(jié)果表明：祁連山水源涵養(yǎng)功能監(jiān)測(cè)包括2大類別、13個(gè)一級(jí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)和48個(gè)二級(jí)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，水源涵養(yǎng)功能評(píng)估包括8個(gè)一級(jí)評(píng)估項(xiàng)目和22個(gè)二級(jí)評(píng)估項(xiàng)目，并對(duì)二級(jí)評(píng)估項(xiàng)目進(jìn)行指標(biāo)量化。然后，將祁連山排露溝流域量化的評(píng)估指標(biāo)與祁連山寺大隆流域、天澇池流域的22年監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較探討，進(jìn)一步分析和驗(yàn)證了評(píng)估指標(biāo)。本研究是跨尺度、多種指標(biāo)綜合研究祁連山水源涵養(yǎng)功能評(píng)估的初步償試，為將來綜合運(yùn)用多源數(shù)據(jù)和定位監(jiān)測(cè)、遙感解譯和模型模擬等多種方法研究水源涵養(yǎng)功能機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考。

水源涵養(yǎng)功能；生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)；評(píng)估指標(biāo)；祁連山

水是自然界一切生命賴以生存的不可替代的物質(zhì)資源，也是社會(huì)發(fā)展不可缺少的自然資源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球上水的總量為13.86億m3，但其中約96.54%是不能直接用于生活、工業(yè)用水及農(nóng)田灌溉的海水。與人類生活密切相關(guān)的淡水量?jī)H為0.047億m3，占總水量的0.34%[1]。水資源主要是指與人類社會(huì)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)息息相關(guān)而又能不斷更新的淡水、地表水和地下水，其補(bǔ)給來源主要為大氣降水[2]。森林對(duì)降水具有削洪減峰、儲(chǔ)蓄涵養(yǎng)、抑制地表蒸發(fā)、緩和地表徑流、防止水土流失，并通過這些功能的綜合作用而發(fā)揮生態(tài)水文功能。因此，如何充分發(fā)揮水源涵養(yǎng)功能是解決水資源問題的重要途徑之一，也是森林生態(tài)水文學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。在研究森林涵養(yǎng)水源的過程中，有些學(xué)者開展了林冠對(duì)降水涵養(yǎng)和養(yǎng)分輸入功能研究[3-4]，有些學(xué)者開展了枯落層或者土壤涵養(yǎng)水源功能研究[5-6]，更多的學(xué)者關(guān)注森林對(duì)徑流的影響[7-9]。大多數(shù)的相關(guān)研究在不同尺度上對(duì)單因子水文作用研究比較深入，但由于理論發(fā)展的不平衡和監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的限制，水源涵養(yǎng)功能研究水平還不能滿足目前生態(tài)環(huán)境建設(shè)的需求，從研究?jī)?nèi)容上表現(xiàn)為多單因子而少綜合研究，多單點(diǎn)而少大中尺度研究；從研究重點(diǎn)上表現(xiàn)為多偏重森林水文效益而忽視森林生態(tài)功能監(jiān)測(cè)，從研究成果的綜合表現(xiàn)為水文機(jī)理模型方面的數(shù)據(jù)獲取上缺乏系統(tǒng)性和可應(yīng)用性。

祁連山水源涵養(yǎng)功能是我國(guó)干旱半干旱區(qū)典型生態(tài)功能，是河西走廊三大內(nèi)陸河形成的重要生態(tài)作用。水源涵養(yǎng)功能良性循環(huán)是確保河西走廊可持續(xù)發(fā)展及其生態(tài)安全的重要保障。為此，在國(guó)家重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)站（祁連山森林生態(tài)定位站）先后三十多年在祁連山寺大隆林區(qū)和西水林區(qū)圍繞水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行生態(tài)監(jiān)測(cè)和研究，在單因子水文功能的研究方面比較深入，成果顯著，但在水源涵養(yǎng)功能生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)與其評(píng)估指標(biāo)方面的綜合性研究較少，本文中在流域尺度上，圍繞水源涵養(yǎng)功能從水文和生態(tài)兩方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)指標(biāo)和評(píng)估指標(biāo)研究，為綜合運(yùn)用多源數(shù)據(jù)和定位監(jiān)測(cè)、遙感解譯和模型模擬等多種方法研究水源涵養(yǎng)功能機(jī)理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況

祁連山 (36°30′～ 39°30′N，93°30′～ 103°E）是我國(guó)西北地區(qū)著名的高大山系之一，屬典型大陸性氣候特征。一般山前低山屬荒漠氣候，年均氣溫6 ℃左右，年降水量約150 mm。中山下部屬半干旱草原氣候，年均氣溫2～5 ℃，年降水量250～300 mm。中山上部為半濕潤(rùn)森林草原氣候，年均氣溫0～1 ℃，年降水量400～500 mm。高山屬寒冷濕潤(rùn)氣候，年均氣溫-5 ℃左右，年降水量約800 mm。山地東部氣候較濕潤(rùn)，西部較干燥。

試驗(yàn)區(qū)位于祁連山西水林區(qū)排露溝流域（38°24′N，100°17′E），流域面積259 hm2，呈中卵形，土壤平均厚度0.5 m。森林總面積118.3 hm2，覆蓋率40.1%，郁閉度0.7左右， 流域內(nèi)陰坡以喬木林為主，陽坡以草地為主，海拔3 200 m以上的亞高山以灌木林為主。

2 試驗(yàn)樣地與研究方法

2.1 試驗(yàn)樣地布設(shè)

祁連山森林生態(tài)站作為國(guó)家重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，已有近30多年的監(jiān)測(cè)研究歷史，建立的監(jiān)測(cè)研究設(shè)施涵蓋了森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究的各個(gè)方面，針對(duì)水源涵養(yǎng)功能評(píng)估所用到的觀測(cè)試驗(yàn)樣地主要有地表徑流觀測(cè)場(chǎng)、水分驅(qū)動(dòng)森林演替研究固定試驗(yàn)樣地、流域降水觀測(cè)樣地（包括降水觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)、林冠截留、樹干莖流等）、土壤水分動(dòng)態(tài)觀測(cè)樣地、苔蘚枯落物水動(dòng)態(tài)觀測(cè)樣地等。

2.2 水源涵養(yǎng)功能監(jiān)測(cè)和評(píng)估方法

水源涵養(yǎng)功能生態(tài)監(jiān)測(cè)是森林生態(tài)系統(tǒng)定位監(jiān)測(cè)的部分內(nèi)容，按照中華人民共和國(guó)林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)指標(biāo)體系( LY/T 1606-2003)和干旱半干旱區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)指標(biāo)體系（LY/T 1688-2007），整理祁連山森林生態(tài)站排露溝流域氣象站、出山徑流量水堰、固定樣地等長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合相關(guān)研究成果，選擇祁連山水源涵養(yǎng)功能生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，并對(duì)其水文指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。

3 結(jié)果與分析

3.1 水源涵養(yǎng)功能生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)

水源涵養(yǎng)功能研究從空間尺度上看，當(dāng)前的研究仍然以生態(tài)系統(tǒng)到小流域等小尺度的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)為主，方法上注重定位監(jiān)測(cè)和野外調(diào)查與實(shí)驗(yàn)，但是將來研究的突破方向是綜合因子的模擬和模型的研究，為此，沿著降水傳輸途徑的水文指標(biāo)及其相關(guān)生態(tài)因子的生態(tài)指標(biāo)為主線，將研究水源涵養(yǎng)功能的生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行分析匯總，結(jié)果見表1。

3.2 水源涵養(yǎng)功能評(píng)估指標(biāo)

國(guó)際上沒有水源涵養(yǎng)的概念而更加關(guān)注具體的生態(tài)水文功能，也就是水源涵養(yǎng)功能的過程問題。因此，在流域尺度上，將降水、林冠截留、樹干莖流、苔蘚和枯落物層截留、土壤水分、河川徑流、植被蒸發(fā)散和凍土等水文評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行分析匯總，結(jié)果見表2。

表1 祁連山水源涵養(yǎng)功能生態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)Table 1 Ecological monitoring indexes of water conservation function in Qilian Mountains

表2 祁連山排露溝流域水源涵養(yǎng)功能評(píng)估指標(biāo)Table 2 Evaluation indexes of water conservation function in Pailugou basin of Qilian Mountains

4 結(jié)論與討論

4.1 降水時(shí)空分布評(píng)估指標(biāo)

降水量和降水形態(tài)受海拔、陰陽坡、季節(jié)變化等因子的影響較強(qiáng)烈，由于這些因子易量化，所以受這些因子影響的降水有量化指標(biāo)。車克鈞等[11]通過22 a（1973～1994年）的生態(tài)監(jiān)測(cè)和研究，祁連山寺大隆林區(qū)多年平均降水量為433.6 mm，5～9月占年降水量的89.2%，11～4月占年降水量的10.8%；海拔在3 000 m以下，降水遞增率呈高峰型；3 000～3 400 m降水遞增緩慢；3 400～3 600 m遞增又呈高峰型；當(dāng)海拔超過3 600 m時(shí)，降水量遞增緩慢，山頂處呈下降態(tài)勢(shì)。相同海拔高度(3 400 m)陰坡年均降水量比陽坡高5.21%。王順利等[12]通過6 a（2000～2005年）的生態(tài)監(jiān)測(cè)，祁連山西水林區(qū)多年平均降水量為354.3 mm，5～9月占年降水量的88.6%，11～4月占年降水量的11.4%。這些研究結(jié)果與本研究結(jié)果基本一致，在祁連山中段的北坡，通過多年生態(tài)監(jiān)測(cè)，雖然年均降水量在寺大隆林區(qū)和西水林區(qū)有較大差異，但降水時(shí)空分布上都是5～9月份為雨季，11～4月份為旱季；降水量沿海拔梯度按一定比例遞增，只是遞增率和遞增減緩的區(qū)間有別，總體評(píng)估指標(biāo)是一致的。

4.2 林冠截留評(píng)估指標(biāo)

關(guān)于不同物種及植被類型的林冠截留較多研究表明，一般情況下，濕潤(rùn)地區(qū)的闊葉林受當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊懀止趯映炙芰^低；由于暗針葉林具有較高的林冠蓋度和葉面積指數(shù)，其林冠持水能力一般較高[13]。祁連山青海云杉林冠截留能力屬于中等水平。彭煥華等[14]利用GIS工具對(duì)祁連山排露溝流域林冠截留研究結(jié)果表明，2008年青海云杉林冠截留率為27.92% ～58.00%。該研究結(jié)果是一年內(nèi)青海云杉截留率，而本研究是多年監(jiān)測(cè)結(jié)果的平均值，因此，青海云杉林冠截留范圍稍有出入，但基本是一致的。本研究將4月份截留率和5～9月份截留率分別統(tǒng)計(jì)，由于4月降水是雪或雨夾雪的形式，因此截留率較高。其實(shí)，林冠截留是一項(xiàng)十分繁雜的水文生態(tài)過程，截留大小一般隨樹種和冠層密度、降水形式和強(qiáng)度、氣象等多種綜合因子的變化而變化，特別是風(fēng)的作用往往使評(píng)估林冠層的截留指標(biāo)更大困難，本研究的林冠截留評(píng)估指標(biāo)是一個(gè)通常意義上的指標(biāo)，是一個(gè)范圍指標(biāo)。

4.3 苔蘚、枯落物截留評(píng)估指標(biāo)

苔蘚、枯落物截留指標(biāo)不但受降水量、降水強(qiáng)度、降水歷時(shí)等影響，而且還受到苔蘚枯落物的蓄積量、持水能力、地形及天氣條件以及前期含水量等多個(gè)因素影響。閆文德等[15]研究表明在祁連山寺大隆林區(qū)苔蘚枯落物最大持水率為185.250%～414.960%，平均最大持水率為294.05%，該研究結(jié)果范圍比本研究結(jié)果大，平均最大持水率比本研究結(jié)果小，原因是該研究結(jié)果將祁連山圓柏和灌叢的枯落物最大持水率計(jì)入其中，而本研究只關(guān)注了青海云杉苔蘚枯落物的最大持水率指標(biāo)。

4.4 河川徑流評(píng)估指標(biāo)

在干旱區(qū)，制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和人類生存的關(guān)鍵因子是水，對(duì)森林生態(tài)作用關(guān)注重點(diǎn)是森林對(duì)徑流的調(diào)節(jié)作用及效益，圍繞森林與水開展了多項(xiàng)研究，但結(jié)論不一致，有些學(xué)者認(rèn)為要進(jìn)一步擴(kuò)大森林面積，充分發(fā)揮森林調(diào)節(jié)徑流的作用；有些學(xué)者則認(rèn)為干旱區(qū)最缺的是水，而森林消耗水，擴(kuò)大森林面積必須慎之又慎，甚至有人把缺水歸結(jié)為森林，因此，河川徑流是人們關(guān)注度最高的指標(biāo)。王金葉等[16]利用22 a在祁連山寺大隆林區(qū)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，1973～1994年，天澇池流域河川徑流比例為4～5月占10.4%，6～10月份占76.6%，11～3月份占13%；1973～1994年，寺大隆流域河川徑流比例為4～5月占12%，6～10月份占84.07%，11～3月份占3.93%；這些監(jiān)測(cè)結(jié)果與本研究基本一致。

4.5 土壤水分評(píng)估指標(biāo)

土壤的水分評(píng)估指標(biāo)不僅是氣候、植被、地形及土壤因素等自然條件的綜合反映，而且常常是水分小循環(huán)中林分結(jié)構(gòu)與功能特征的綜合體現(xiàn)。張學(xué)龍等[17]在祁連山寺大隆林區(qū)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，各類林地的年平均持水量以灌叢林最高，為391.92 mm；其次是云杉林、圓柏林，分別為324.82 mm 和298.25 mm；牧坡草地最少，為180.29 mm。其實(shí)這個(gè)結(jié)果和本研究是一致的，因?yàn)閬喐呱焦鄥膊莸橥羻挝煌寥蕾A水指標(biāo)優(yōu)于山地森林灰褐土，山地森林灰褐土優(yōu)于山地栗鈣土。但實(shí)際貯水能力由于各類土壤土層厚度的影響，出現(xiàn)了與單位指標(biāo)不一致的變化規(guī)律，亞高山灌叢草甸土各項(xiàng)指標(biāo)均高于其它土壤類型，但由于其處于較高海拔，土層較薄，土壤實(shí)際貯水能力比山地森林灰褐土要低。

4.6 土壤蒸發(fā)評(píng)估指標(biāo)

蒸散（蒸發(fā)和蒸騰）是土壤水分消耗的主要方式和途徑，蒸散的量值大小直接影響徑流形成，往往成為判斷流域徑流形成作用大小的重要依據(jù)。對(duì)徑流形成而言，流域水分消耗的主要途徑是土壤表面蒸發(fā)和植物蒸騰，土壤表面蒸發(fā)一般用容器法實(shí)測(cè)，植物蒸騰采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、微氣象學(xué)原理、快速稱重、實(shí)測(cè)等方法。在祁連山排露溝流域主要的植被類型為草地和森林，草地蒸散用容器法可以通過樣地測(cè)定，森林蒸散由于試驗(yàn)條件限制采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ凸浪恪?/p>

4.7 凍土評(píng)估指標(biāo)

祁連山水源涵養(yǎng)林區(qū)處在北緯38度以北地區(qū)，季節(jié)性凍土廣泛發(fā)育，局部地區(qū)分布有連續(xù)或島狀多年凍土。黑河上游河川徑流年內(nèi)水文活動(dòng)可分為三個(gè)時(shí)期，多年凍土區(qū)最大徑流產(chǎn)生于融雪徑流期。其機(jī)理在于土壤凍結(jié)把大量的水以冰晶形式存貯，到春季隨著解凍而釋放，加之積雪的作用，使凍土區(qū)在融雪徑流期出現(xiàn)較大的徑流高峰。融雪期的徑流高峰為高寒草甸、草原和水源涵養(yǎng)林的安全越冬和春季返青提供了足夠的水分，在一定程度上緩解了中游春旱，對(duì)維持區(qū)域脆弱的生態(tài)平衡有重要的作用。

總之，水源涵養(yǎng)功能是多因子綜合作用，對(duì)其研究更加注重過程監(jiān)測(cè)和過程評(píng)估，特別需要從指標(biāo)上量化其每個(gè)環(huán)節(jié)，為水源涵養(yǎng)功能的機(jī)理探索提供依據(jù)。水源涵養(yǎng)功能在跨尺度、多種方法和手段綜合集成的研究還很薄弱，也是未來研究的重要突破方向，本研究將祁連山排露溝流域的研究成果與祁連山寺大隆流域、天澇池流域的監(jiān)測(cè)研究成果相比較，在跨尺度、多種方法和手段綜合集成方面做了初步嘗試，力求將來更廣泛搜集文獻(xiàn)資料和科學(xué)數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用多源數(shù)據(jù)和定位監(jiān)測(cè)、遙感解譯和模型模擬等多種方法，期望在技術(shù)、方法和區(qū)域試驗(yàn)示范上取得突破。

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Ecological monitoring and evaluation indexes of water resource conservation function in Qilian Mountains

NIU Yun1,2,3, LIU Xiande1,2,3, ZHANG Xue-long1,2, WANG Shun-li1,2,3, LEI Jun1

(1. Gansu Province Key Laboratory of Forest Ecology and Frozen-soil Hydrology and Water Resources, Zhangye 734000, Gansu, China;2. Academy of Water Resource Conservation Forests of Qilian Mountains in Gansu Province, Zhangye 734000, Gansu, China; 3. Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Gansu, China)

∶ By taking the water conservation function system of Qilian Mountain as the research object, based on the theory of forest ecological hydrology, and making full use of long-term ecological monitoring data and research results collected by Qilian Mountains Forest Ecosystem Station, and two aspects of monitoring indexes on hydrological and ecological around function of water conservation on the catchment scale were selected, at the same time, the hydrological indexes of water conservation function were assessed. The results show that the monitoring function of water conservation in Qilian mountain includes 2 categories, 13 first-level monitoring indexes and 48 second-level indexes; The function of water conservation assessment included 8 first-level assessment projects and 22 second-level of project evaluation, and quantitative index of second-level assessment project. Then, the quantitative evaluation indexes in Pailugou basin of Qilian Mountains and 22 years monitoring data in Sidalong basin and Tianlaochi basin of Qilian Mountains were compared and discussed, and theirs assessment indexes had been analyzed and validated. This study is an initial attempt to evaluate water resource conservation function by the multi-scale and multi-index, in the hope of providing basic data and reference for the future multisource data and monitoring, remote sensing and modeling methods to research function mechanism of water resource conservation.

∶ water conservation function; ecological monitoring index; evaluation index; Qilian Mountains

S715.7

A

1673-923X(2013)11-0120-05

2013-04-10

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目子課題 (2012BAC08B01)；甘肅省自然科學(xué)研究基金計(jì)劃項(xiàng)目（1107RJZG268）；國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃（培育項(xiàng)目）（91125012）

牛 赟 （1974-），男，甘肅通渭人，高級(jí)工程師，博士生，主要從事森林和濕地生態(tài)學(xué)方面的研究；E-mail：niuyun2028@163.com

劉賢德（1963-），男，甘肅金塔人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事森林生態(tài)和保護(hù)方面的研究

[本文編校：謝榮秀]