流域产流能力及其依赖河川径流而生息繁衍的人居生态系统的稳定与发展备受关注。西北内陆山区河川径流形成受到多种因素的影响，其中冬、春季甚至初夏季一定范围内冻土冻融现象直接影响着河川径流的补给过程和年内变化。祁连山林区冻土面积广阔，对河川径流补给能力强，延续时间长久，对流域水文过程及其水资源稳定性和脆弱的荒漠生态系统维持十分重要。高山冰川冻土是一个“固体水库”，水源涵养林则是“绿色水库”，高山冰雪冻土带的多年冻土层与中低山区的季节性冻土层成为连接“固体水库”、“绿色水库”和河川水系的纽带，由于其特殊的水热性质，形成了有利于河川径流形成的特殊下垫面，起着涵养水源和调节河川径流的作用。目前，冻土冻融和河川径流形成的研究，主要集中在黄河流域(黄荣辉等，2010)、长江源流域的青藏高原区域(任东兴等，2010)、喜马拉雅山北坡典型高山区(张菲等，2006)、昆仑山克里雅河流域(黄玉英等，2008)、乌鲁木齐河流域(韩添丁等，2010)、拉萨河流域(巩同梁等，2006)、天山玛纳斯河流域(刘景时等，2006)、天山空冰斗高山区(杨针娘等，1996)和内蒙古大兴安岭北部根河流域(周梅等，1997)等水源涵养区。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地理位置十分重要。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研究显得十分必要。本研究利用祁连山排露沟流域气象、冻土冻融、河川径流长期监测数据(2002—2011年)，研究气温、日照、土壤温度和冻土冻融的变化特征，分析降水、冻土冻融与河川径流的关系，对于促进寒区旱区生态水文学的发展以及揭示森林水源涵养机制具有重要意义。

祁连山(93°30'—103° E，36°30'—39°30' N)是我国西北地区著名的高大山系之一，属典型大陆性气候特征。一般山前低山属荒漠气候，年均气温6 ℃左右，年降水量约150 mm;中山下部属半干旱草原气候，年均气温2～5 ℃，年降水量250～300mm。中山上部为半湿润森林草原气候，年均气温0～1 ℃，年降水量400～500 mm;高山属寒冷湿润气候，年均气温-5 ℃左右，年降水量约800 mm。山地东部气候较湿润，西部较干燥。

试验区位于祁连山西水林区排露沟流域(100°17'E，38°24'N)，流域面积274 hm²，呈中卵形，土壤类型主要为山地栗钙土和山地灰褐土，平均厚度0.5 m。森林总面积118.3 hm²，覆盖率43.16%，郁闭度0.7左右，流域内阴坡以乔木林为主，阳坡以草地为主，海拔3 200 m以上的亚高山以灌木林为主。

气象数据来源于试验区建立的地面气象站(1994年建站，本研究选取2002—2011年的数据)，站内按中央气象局编定的《地面气象观测规范》要求布设最高气温表、最低气温表、自记气温计对气温进行监测;布设地面温度表、地面最高温度表、地面最低温度表，5，10，15和20 cm曲管地温表及40，80和160 cm直管地温表对土壤温度进行监测;布置暗筒式日照计对日照时数进行监测。站内布设1套冻土器对冻土冻融现象进行监测。冻土器安装时，将长300 cm、直径5 cm的外套管打入地下深250 cm处，同时将长250 cm、直径1 cm的橡胶冻结管内注入水，外套管与土壤之间的缝隙回填好，防止降水进入。根据冻土器内水柱冻结的刻度，测定冻土冻融厚度。

气象及其冻土冻融监测和数据订正整理都严格按照《地面气象观测规范》的要求执行，实行每日8:00，14:00和20:00定点3次观测;当地温＜0 ℃时，开始监测土壤冻结深度变化，直至次年土壤完全解冻为止。

河川径流测定采取2种方法:河川径流封冻之前，在祁连山排露沟流域出口处修建三角形(60°)量水堰(100° 17' 9.6 " E，38° 33' 25.2 " N)，海拔2 642 m，用自记水位计监测河川径流量;河川径流封冻之后，将冰层打破，采用容积法测定冰下水流量(流满1桶水所用的时间，桶的容积除以时间，可得河川径流速度)。

量水堰和自记水位计测河川径流速度计算公式为:

$ Q = K \times {H^{\frac{5}{2}}}。 $

式中: $K = {C_e}\frac{{15}}{8}\sqrt {2g} \tan \left( {\frac{\theta }{2}} \right) $，${C_e} = f\left( {\frac{h}{P},\frac{P}{B},\theta } \right) $，P为三角形堰的顶角到堰底的距离，B为堰的宽度，h为水头高度，g为重力加速度，θ为三角量水堰的顶角度数;H为实测水位(cm);Q为河川径流速度(m³·s^-1)。经计算，祁连山排露沟流域60°三角量水堰计算公式中: C_e=0.6，K=0.081 835，Q=0.081 835×$ {H^{\frac{5}{2}}}$÷ 100 000。

破冰和容积法测河川径流计算公式为Q=V_t/S，V_t为测量桶的容积(m³)，S为流满容积所用时间(s)。经测定，祁连山排露沟河川径流测量桶容积V_t=0.017 783 m³。

气温和日照是影响冻土冻融的重要因子，同时也影响着降水形态以及河川径流组成。根据祁连山森林生态站2002—2011年的近10年地面气象站监测数据，祁连山排露沟流域年均气温1.4～2.2 ℃，波动趋势平稳，平均为1.7 ℃。年内月均最高气温14.4 ℃(7月份)，月均最低气温-11.8 ℃(1月份)，月均气温与月份拟合模型为A_t=-0.817 3x²+11.106x-26. 248(R²=0.932 1)，x为月份(月)，A^t为月均气温(℃)。

全年日照时数累计1 430.2～1 644.6 h，平均为1 525.0 h。年内月累计最高166.1 h(6月份)，最低97.7 h(1月份)，平均为127.1 h。月累计日照时数与月份之间的拟合模型为S_t=-0.025 2 x5+0.9171 x⁴-11.965 x³+65.25 x²-127.12 x+171.5(R²=0.947 1)，S_t为月累计日照时数(h)。

5—9月份，祁连山排露沟流域平均气温在3 ℃以上，全月日照时数累计高于133 h，属于雨季;10月份至翌年4月份气温在3 ℃以下，日照时数在133 h以下，属于雪季(图 1)。

	图 1 祁连山排露沟流域气温和日照季节变化(2002—2011年) Fig. 1 Seasonal dynamic of air temperature and sunshine in Pailugou watershed in Qilian Mountains(2002—2011)

土壤温度和土壤水分是形成冻土的决定性因子。根据祁连山森林生态站2002—2011年的近10年地面气象站监测数据，祁连山排露沟流域0 cm土壤年均温度为3.3 ℃，5，10和15 cm深处土壤年均温度为2.3 ℃，20和40 cm深处土壤年均温度为2.4 ℃，各土壤深处温度的季节变化动态如图 2所示，月均0～40 cm土层土壤温度与月份关系拟合模型为T_s=-0.055 1x³+0.273 8x²+5.197x-18.183(R²=0.961 9)，T_s为土壤温度(℃)。

	图 2 祁连山排露沟流域土壤温度季节变化(2002—2011年) Fig. 2 Seasonal dynamic of soil temperature in Pailugou watershed of Qilian Mountains (2002—2011)

表 1表明，土壤冻结开始时间为9月21日(2011年)和10月22日(2000，2004和2007年)之间，平均在10月11日左右。冻土消融结束时间在6月17日(2011年)和8月11日(2003年)之间，平均在7月18日左右。冻土最大厚度出现在3月23日(2000年)和4月10日(2008年)之间，平均在3月20日左右。冻土冻融过程经历的时间在261(2003年)和297(2002年)天之间，平均为278天，占全年时间的76.16%。从2000到2011年的12年间，冻土开始时间和结束时间都有波动性的提早趋势，冻土冻融经历的时间也有波动性缩短的趋势。

表 1 祁连山排露沟流域冻土冻融时间(2002—2011年) Tab.1 Time about frozen soil and freeze-thaw in Pailugou watershed of Qilian Mountains (2002-2011)

表 1 祁连山排露沟流域冻土冻融时间(2002—2011年) Tab.1 Time about frozen soil and freeze-thaw in Pailugou watershed of Qilian Mountains (2002-2011) 项目Item 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 冻结开始日期Freezing start date 10月22日 10月21日 10月18日 10月6日 10月22日 10月9日 10月9日 10月22日 10月19日 10月8日 9月26日 9月21日 消融结束日期Ablation end date 7月5日 7月23日 8月6日 8月11日 7月11日 7月25日 7月25日 7月7日 7月11日 7月18日 6月25日 6月17日 最大厚度日期Frozen maximum date 3月23日 4月5日 3月31日 3月31日 04-v1 4月6日 4月7日 3月31日 4月10日 4月6日 4月2日 3月28日

从10月11日左右开始，土壤开始冻结，随着时间向前推移，冻土厚度逐渐增加，直到翌年3月20日左右，达到最大为159.6 cm，此后，冻土厚度逐渐减小，直到7月18日左右，季节性冻土消失(图 3)。

	图 3 祁连山排露沟流域冻土冻融厚度和速率变化(2002—2011年) Fig. 3 Dynamic about thickness and rate of frozen soil freeze-thaw in Pailugou watershed of Qilian Mountains (2002—2011)

10月11日至12月10日，土壤冻结速率逐渐波动性增加，平均为1.22 cm·d^-1;12月10日至3月20日，土壤冻结速率逐渐波动性减小，平均为0.78 cm·d^-1;3月20日至7月18日，土壤冻结速率趋于0，冻土消融开始，在图 3中表现为0以下，冻土消融逐渐波动性增加，平均为1.47 cm·d^-1。

根据祁连山森林生态站2002—2011年降水和河川径流监测，10年间河川径流量与降水量变化如图 4所示，1—7月份，降水量呈增加趋势，从2.96 mm增加到70.42 mm;8—12月份，降水量呈递减趋势，从65.88 mm递减到4.13 mm。年均降水量为360.1 mm。1—9月份，河川径流量呈递增趋势，径流深从0.32 mm增加到23.20mm，10—12月份，河川径流呈递减趋势，径流深从19.52 mm递减到4.13 mm。年均河川径流为83.45 mm。在一年的周期中，河川径流量占降水量的23.17%。

	图 4 祁连山排露沟流域降水与径流季节变化(2002—2011年) Fig. 4 Seasonal dynamic of precipitation and runoff in Pailugou watershed in Qilian Mountains (2002—2011)

经回归分析，河川径流量与降水量相关系数r为0.861 7，属强正相关(图 4)，回归模型为S=2.936P+9. 587(R²=0.742 6，S为河川径流量，P为降水量)。

经回归分析，河川径流量与冻土冻融厚度相关系数r为-0.837 7，属强负相关(图 5)，回归模型为S=-10.361F_d+1 388.498(R²=0. 701 7，S为河川径流量，F_d为冻土冻融厚度)。

	图 5 祁连山排露沟流域径流与冻土冻融厚度动态变化关系(2002—2011年) Fig. 5 Dynamic changes about runoff and depth of frozen soil freeze-thaw in Pailugou watershed of Qilian Mountains (2002—2011)

全年河川径流量变化过程中，气温、地温是河川径流变化的主要驱动力(Liu et al.，2003;Xu et al.，2002)，气温通过降水(降雨和降雪)来调节河川径流，地温通过冻土冻融和积雪消融来调节河川径流，而日照时数又影响着气温和地温的变化。如图 1，2所示，祁连山排露沟流域气温、土壤温度从7月份开始逐渐降低，日照时数从6月开始逐渐递减，到10月份平均气温降至1.6 ℃，土壤温度降至3.2 ℃，日照时数降至116 h;如图 3，4所示，大约在10月11日前后，土壤开始结冻，此时，河川径流速率降至0.002 m3·s^-1，随着冻土厚度逐渐增大，河川径流逐渐减小，且河川径流波动幅度趋于稳定。直到翌年的1月份，气温降至最低-11.8 ℃，土壤温度降至最低-11.1 ℃，日照时数降至97.7 h，河川径流表现为地下径流。从1月份底开始，气温、土壤温度和日照时数逐渐增大，直到3月20日左右，冻土增厚的速率减到最小，但冻土的厚度增加到最大，此后，土壤开始解冻，直到7月18日左右，土壤冻融结束，气温、土壤温度和日照时数增至最大，气温增至最大为14.4 ℃，土壤温度增至最大为15.2 ℃，日照时数降至157.8 h，河川径流波动最大，而且增加很快，达到全年的最高峰。

在祁连山寺大隆流域、冰沟流域研究结果显示，季节性冻土每年10月20日左右开始冻结，翌年5月20日左右达到冻结最大深度(王金叶等，2001)。本研究结果是在祁连山排露沟流域长期定位监测的多年平均值，在土壤冻融开始、结束及冻土最大厚度的时间上稍有不同，这说明不同流域、不同植被的冻土冻融过程有差异。

在青藏高原多年冻土区选取了典型高寒草甸-沼泽湿地生态系统开展了相关研究，对径流的驱动因子研究表明: 以高寒草甸-沼泽为主要下垫面的多年冻土区，全年径流过程中气温、地温对径流起主导作用(李太兵，2009)。本研究通过近10年来的长期定位监测和研究，发现气温和日照是主导因子，影响着降水的形态数量以及冻土冻融过程，由此影响到了河川径流的变化。在西北干旱半干旱区，特别在寒区，探索气温和日照对冻土冻融、积雪消融、降水及结冰消融等方面的影响及其河川径流变化规律，意义十分重大。本研究重点在于各因子的量化和特征分析，在将来的研究中，应更加重视气候变暖的背景下，河川径流变化的驱动机理研究。