林业科学  2001, Vol. 37 Issue (5): 120-125   PDF    
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王金叶, 车克钧, 王艺林, 金博文.
Wang Jinye, Che Kejun, Wang Yilin, Jin Bowen.
干旱半干旱区山地森林的水分调节功能
STUDIES ON REGULATING FUNCTION OF FOREST HYDROLOGY AND MICROCLIMATE IN ARID AND SEMI-ARID AREA OF WEST CHINA
林业科学, 2001, 37(5): 120-125.
Scientia Silvae Sinicae, 2001, 37(5): 120-125.

文章历史

收稿日期:2000-02-24
修回日期:2001-01-02

作者相关文章

王金叶
车克钧
王艺林
金博文

干旱半干旱区山地森林的水分调节功能
王金叶1 , 车克钧2 , 王艺林1 , 金博文1     
1. 甘肃省张掖祁连山水源林研究所 张掖 734000;
2. 甘肃省祁连山国家级自然保护区管理局 张掖 734000
摘要: 处于中国西北干旱半干旱区的山地森林以独特的水文作用成为山前平原及川区绿洲生态经济系统稳定发展的基础。以典型山地森林祁连山水源涵养林的主要群落青海云杉林为例, 通过长期定位观测研究森林调节小气候的水文规律及功能, 揭示了森林对降水的分配调节作用。森林通过林冠层截留降水使到达林内的降水量减少、强度降低、雨滴对地面的冲击减弱, 避免林内发生地表径流引起水土流失; 森林通过林冠层遮蔽减弱太阳辐射降低了林内土壤蒸发, 保持林内湿度较高、土壤含有较多水分, 为喜湿耐荫植物生长发育创造了适宜的阴湿环境, 并提供了充足的水分条件; 森林的蒸腾发散使同一高度林区上空的湿度比草地或裸地高, 改变了局地大气环流, 为降水形成准备了物质条件, 起到了增加林区降水的作用。
关键词: 森林小气候    水文功能    干旱半干旱区    青海云杉林    
STUDIES ON REGULATING FUNCTION OF FOREST HYDROLOGY AND MICROCLIMATE IN ARID AND SEMI-ARID AREA OF WEST CHINA
Wang Jinye1, Che Kejun2, Wang Yilin1, Jin Bowen1     
1. Institute of Water Resource Conservation Forest of Qilian Mountains Zhangye 734000;
2. National Nature Reserves Bureau of Qilian Mountains of Gansu Province Zhangye 734000
Abstract: The forests of Picea crassifolia in Qilian Mountains are typical mountain forests in arid and semi-arid area of west China, its unique hydrological roles lay a foundation for the steady development of oasis ecological-economic systems in the corridor.In this paper, the effects and functions of the forest on hydrological cycle and rainfall distribution were summarized through the long-term fixed observing and studying.The results showed that the forests could reduce the amount and intensity of precipitation and evaporation inside forests by canopy interception, which could avoid the surface runoff, soil and water loss and keep the high air humidity and soil moisture content, provide shadow environment and enough water conditions for shade plants.The air humidity of forests area is larger than grasslands or bare lands at the same height because of the forest evaporation.In addition, forests change the regional air circulation, make material preparation for precipitation and take effect in increasing rainfalls of forest areas.
Key words: Forest microclimate    Hydrological function    Arid and semi-arid area    Picea crassifolia    

森林作为陆地生态系统的主体, 在维护地球生态系统平衡与稳定方面发挥着主导作用, 已成为全人类的共识。特别是20世纪70年代“环境与发展”成为世界的主流以来, 人们对森林的生态作用给予了特别关注, 把解决世界性环境问题寄希望于森林生态作用的充分发挥。干旱半干旱地区生态环境问题的核心是水资源的有效保护和合理开发利用, 人类一直把有效保护长期以来赖以生存和发展的生命之水的发源地———山地森林覆盖区的生态环境作为改造自然的主流, 国家把生态环境建设提到西部大开发战略的基础和保障的重要位置。祁连山水源涵养林是典型的山地森林, 处在我国西北干旱半干旱区高山带“冰源水库”和河川水系之间, 发挥着调节小气候、调节径流、涵养水源等多种水文作用(车克钧等, 1992a; 1992b;1994;1998;贺红元等, 1992), 成为干旱半干旱区河西走廊的生命线。以祁连山水源涵养林的主体青海云杉(Picea crassifolia)林为例开展森林小气候水文功能研究, 是揭示干旱半干旱区山地森林与环境相互关系的必要途径, 其结论和数据为深入研究森林涵养水源作用、充分利用森林的水文功能实施西部大开发生态环境建设和可持续发展战略提供科学依据, 对正确认识和评价森林的效益更具有直接应用价值。

1 研究地区概况

祁连山地处青藏、黄土两大高原和蒙新荒漠的交汇处(E93°20′~103°, N36°30′~39°30′), 属高寒干旱半干旱气候, 区内自然条件复杂, 水热条件差异大, 形成了多种具有明显垂直梯度和水平差异的植被类型和土壤类型。海拔从低到高, 植被类型依次为山地荒漠植被、山地草原植被、山地森林草原植被、亚高山草甸植被、高山冰雪植被; 土壤类型依次为山地灰钙土、山地栗钙土、山地灰褐土、亚高山灌丛草甸土、高山寒漠土, 在各类土壤中山地灰褐土和亚高山灌丛草甸土是生长森林的土壤, 山地灰褐土分布在海拔2400~3300 m地带, 是乔木林的主要分布带, 亚高山灌丛草甸土分布在海拔3300~4000 m亚高山地带, 是湿性灌木林的主要分布带。祁连山现有水源林43.61×104 hm2, 主要有青海云杉林、祁连圆柏(Sabina przewalskii)林和灌木林三大类型, 青海云杉是水源林的主要建群种, 面积占水源林总面积的24.74%, 占乔木林面积的75.72%。

实验区设在国家林业局甘肃祁连山水源林生态定位站寺大隆生态点和西水生态点, 寺大隆生态点(E99°54′, N38°27′)位于祁连山腹地寺大隆原始林区, 西水生态点(E100°17′, N38°24′)位于祁连山浅山区西水次生林区。实验区属温带高寒半干旱山地森林草原气候, 年平均气温0.7 ℃, 最热月(7月)气温12.2 ℃, 最冷月(1月)气温-12.9 ℃, 年降水量433.6 mm, 年蒸发量1081.7 mm, 年均相对湿度60%, 年日照时数1892.6 h, 日辐射总量110.28 kW·m-2。在地质结构上属昆仑祁连山褶皱系北祁连山褶皱带, 为高山深谷、坡度陡峻的地貌形态。岩石破碎, 主要有泥灰岩、砾岩、紫红色沙页岩等, 岩石褶皱剧烈、断层多, 具有明显的冰成地形, 坡积物疏松, 常发生浅层滑坡、泥石流和崩塌。实验区位于祁连山自然保护区的核心区和缓冲区, 动植物种类丰富, 植被类型和土壤类型的垂直变化是祁连山的典型。建群种青海云杉成块状分布在实验区海拔2400~3300 m阴坡和半阴坡地带, 与阳坡草场成犬牙状交错; 祁连圆柏呈小块状分布于阳坡、半阳坡; 灌木优势种有金露梅(Dasiphora fruticosa)、箭叶锦鸡儿(Caragana jubata)、吉拉柳(Salix gilashanica)等; 草本主要有珠芽蓼(Polygonum viviparum)、黑穗苔草(Carex atrata)等。

2 资料的收集

主要根据《森林生态系统定位研究方法》(马雪华, 1994)中的方法开展研究, 并结合以往有关干旱半干旱区山地森林水文功能研究的资料(王金叶等, 1999a; 1999b;闫文德, 1997; 王根绪, 1999; 蓝永超, 2000), 特别是祁连山水源涵养林的资料进行分析。野外观测时选择青海云杉林典型地段或林分, 建立林内外固定气象站、临时气象哨、林内气象梯度观测塔(30 m高), 安设水文小气候观测仪器测定温度、湿度、降水、蒸发等小气候水文因子; 选择典型样地布设林冠截留器、土壤蒸发皿等观测仪器测定林冠截留降水量、土壤蒸发量等水文因子, 在固定样地内取样测定土壤水分动态, 各观测试验样地情况见表 1

表 1 试验样地基本情况 Tab.1 The basic conditions of the experimental plots
3 森林林冠层调节降水分配的作用及功能

森林林冠层、下木层、地被物层等形成的复合结构对通过降水形式输入森林的水分具有再分配和调节功能, 其分配和调节功能大小与降水形式、强度、森林本身的结构、前期含水量、大气湿度及降水的动力损失相关。输入的水分在通过林冠进入森林时被林冠层截留形成第一次分配, 而进入林内的水分又被林内下木层、地被物层进行第2次、第3次分配, 第2次、第3次分配影响林内水分运动, 但不影响进入林内水分总量; 第1次水分分配是在林内与林外水、汽、热交换的界面上进行, 使以降水形式输入的水分一部分滞留在枝叶上, 减少输入量。滞留在枝叶上的水分大部分以降低枝叶表面温度无效蒸发的形式返回到大气中, 增大了林地上空空气湿度, 只有一小部分沿着树干以树干径流的形式通过地被物截留缓缓注入林地增加土壤水分。据多年研究, 祁连山青海云杉林林窗降水量由于受四周高大树木的影响是林外的77.54%, 冠缘降水量由于林冠截留是林外的60.16%, 其中5~10月冠缘降水量是林外36.84%, 11月至翌年4月是61.0%(表 2), 而11月至翌年4月的降水形式是雪, 说明林冠对降雪的截留大于对降雨的截留, 被林冠截留的降水以树干径流的形式注入林地的水量占降水总量的0.5%, 占被截留水量的2%~5%。林冠截留一方面使到达林地的降水量减少、降水强度减弱, 有利于避免地表径流发生引起水土流失; 另一方面截留使部分降水变成无效水蒸发, 减少了汇入河川径流的水量, 在洪水期有利于减少下游地区的洪水灾害, 但在干旱期则有可能加剧下游地区干旱缺水的矛盾。

表 2 林内外降水量对比统计表(1985~1997) Tab.2 Statistics form of precipitation inside and outside forests from 1985 to 1997
4 森林调节湿度变化的作用及功能 4.1 林内外湿度变化

郁闭的森林林冠层以光合作用旺盛的浓密枝叶形成对地面完全或不完全遮盖, 使林地蒸发的水汽由于林内与林外气体交换受到抑制保持在林内较长时间而不向外散发, 表现为森林作用使林内比林外保持了较高的湿度, 为喜湿耐荫植物生长发育创造了适宜的小气候环境。据多年观测研究, 祁连山青海云杉林林内各月相对湿度均高于林外草地, 年均湿度比林外高16.67%。森林保持湿度作用大小受输入林内水分多少影响, 4~6月外界向森林输入的水分少、林地温度较低通过蒸发向空气释放的水汽少, 森林保持湿度的作用相对较小。青海云杉林林内湿度比林外仅高8.74%;9~10月外界通过降水向森林输入水分较多、林地温度升高通过蒸发向空气释放较多水汽, 森林保持湿度作用相对较大, 林内湿度比林外高30.91%。因此, 森林在一定程度上保持林内比林外有较高湿度而不是增加林内湿度, 特别是保持林内的最低湿度的作用显著, 祁连山青海云杉林林内最低湿度比林外高53.57%, 这一点在生态学上意义较大, 满足了植物生命极限对水分的需要。

4.2 林内湿度梯度变化

在同一大气环流条件下林内外湿度年内变化规律相同, 湿度最高值出现在年降水较集中、土壤蒸发强烈的月份; 湿度最低值出现在年降水较小、地温下降土壤水开始以固体形式存储的月份。据测定, 祁连山林区林内外湿度最高值均出现在年降水较集中、植物光合作用旺盛、土壤蒸发强烈的6~9月(图 1); 湿度最低值出现在降水稀少、土壤结冻、植物停止生长的冬季。

图 1 祁连山青海云杉林内外湿度年变化曲线 Fig. 1 Annual dyramic curve of humidity inside and outside Picea forests ----林外Outside, ———林内Inside.

湿度的年内变化规律受大气候影响, 林内外相同, 但湿度年内变幅及垂直梯度变化受微地形或森林林冠层的影响林内外具有明显的差异, 森林作用使林内湿度年内变幅小于林外。据多年研究, 祁连山林区青海云杉林林内湿度月均相差32%、林外湿度月均相差39%;林内相对湿度的垂直分布不论白天或夜间均以林冠及地面两个作用面附近最大。林地附近地面蒸发作用影响强烈相对湿度较大, 9~10月平均为88.7%(表 3); 林冠附近由于蒸腾作用, 加上地面蒸发的水汽向上循环受到林冠阻挡在林冠附近汇聚使林冠附近湿度较大; 在林冠以下湿度随着高度增加而降低, 与林外湿度由地面向上依次递减趋势相同。森林对湿度的这种作用, 特别是使同一高度林冠上空的空气湿度比草地或裸地高的作用, 有利于形成降水, 增加了林区降水的机会。

表 3 青海云杉林林内的湿度梯度 Tab.3 The vertical changes of humidity gradient in P.crossifolia forests
5 森林降低林地蒸发量的作用及功能

森林浓密的林冠层作为森林与外界进行水、热、汽交换的界面使森林形成了与外界大气候相异的小气候环境, 具有自己独特的水、汽、热循环规律和气候特征。林内温度低、湿度大、风速小、水汽交换速率低, 抑制林地土壤蒸发, 保持林内土壤有较高含水量。据观测, 祁连山青海云杉林林内温度比林外草地低0.2 ℃, 林内空气湿度比林外高16.67%, 从而导致林内地面蒸发仅为林外草地的60.71%。森林降低林内地面蒸发减少了土壤水分的消耗, 使林地保持较高的水分有利于满足植物正常生长的水分需要和水分转化、存储。

6 森林保持土壤水分的作用及功能

森林植被发达的根系、较强的有机质输入能力使森林调节径流、涵养水源的主要作用层--森林土壤形成结构疏松、孔隙度发达、渗透速度快、储水能力强的特殊结构, 从而使森林土壤比在同一大气环境条件下的其它土壤含有较多水分、有相异的水分运动规律。据多年研究, 祁连山青海云杉林林内土壤含水率在生长季节(5~9月)高于同一大气候环境条件下林外草地土壤近1倍(表 45); 林内土壤各层含水率在森林植被生长吸收、地被物层较强储水能力和较高渗透能力等作用下随深度增加明显下降, 与林外土壤含水率随深度增加下降趋势不明显有很大差异。森林土壤具有与其它土壤类型相异的水文功能一方面是由于林内浅表层土壤结构、性能更有利于储存水分保持较高含水量; 另一方面是树木根系较草本植物的根系分布深, 充分吸收和利用土壤深层水分使土壤深处的含水量显著低于浅表层, 树木吸收利用土壤深层水相对提高了水分利用率。反过来也说明青海云杉浅根性的原因在于浅表层土壤有植物生长所需要的充足水分具有引导树木根系向表层分布集中的趋势。

表 4 林内外土壤不同深度的含水率(1985-1997) Tab.4 Soil moisture content at different depths inside and outside forests from 1985 to 1997
表 5 林内外土壤含水率对比(1985-1997) Tab.5 Comparison of soil moisture content inside and outside forests from 1985 to 1997

森林作用使林地土壤含水量各层均高于林外其它土壤, 但这种差异随土壤深度增加而减小, 其中土壤含水率表层(0~20 cm)林内外差距最大, 其余各层差异较小, 深层最小。我们研究林内外土壤含水量大小的样地输入的水量由于在同一大气环境条件下相同, 甚至林内输入土壤的水量由于林冠层作用相对林外草地少, 但林内土壤特殊结构、良好性能把所接收到的大部分水分吸收、存储、转化, 使干旱区有比较充足的地下水; 而林外草地土壤结构紧实、吸收存储水分的能力较差, 大部分输入的水分以地表径流带走大量土壤及养分的形式流失, 即使输入水分较多仍存在干旱缺水的矛盾, 因此, 单从土壤含水量也可以说明森林林地的比较耗水量小、涵养水源效益高。森林保持林内土壤含水量较高为林内地面植物生长提供了必需的水分条件, 促进林内植物在极端干旱的大气条件下仍能旺盛生长, 为因干旱而无处寻觅杂草的动物提供良好的饲料, 因而在林内常栖息着许多野生动物。祁连山林区有国家一、二类保护珍稀野生动物51种。

7 结论与讨论

干旱半干旱区山地森林以其显著调节水文的小气候功能成为该地区生态平衡的物质基础, 起着保持处在干旱半干旱区生命生态系统健康与活力的作用。森林以与外界进行水、汽、热交换的界面浓密的林冠层形成独特的小气候环境, 林冠层作用使以降水形式输入森林的水分进行重新分配, 减少进入林内的水量、降低降水对地面冲击引起水土流失发生的可能性, 抑制林内水汽向外散发和地面水分蒸发, 保持林内有较高的湿度、土壤有较高含水量, 为喜湿耐荫植物生长发育创造了良好的生活环境和植物生长所必需的充足水分, 使林下生长有丰富的植物种类, 栖息着多种野生动物, 成为干旱半干旱区重要的生物基因库; 同时, 森林作用加快了地面水与地下水之间的转化, 使干旱半干旱地区得以有充足可利用地下水, 为干旱半干旱区人民的生存发展和国家西部大开发战略实施提供了丰富的物质资源和较为充足的水资源。因此, 加强山地森林资源保护与建设是推动西部大开发战略实施和干旱半干旱区经济社会可持续发展的工作重点。

参考文献(References)
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