祁连山水源涵养林水文特征研究
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摘要
森林与水的相互作用关系是森林水文学研究的中心议题。水源涵养林地理位置特殊，不同林型间既有组成、结构上的异质性，又有空间立体配置上的统一与协调，使得水文生态作用既有差异又有互补，形成有效的水源涵养林体系。本文首先对祁连山水源涵养林10种主要建群种或优势种苗木的水分生态特征(耐旱能力与方式、蒸腾耗水特征、水势及水势恢复能力、水分利用效率)开展试验研究，阐述了林木调节自身水分平衡能力的大小，及其对群落构成与水分传输，对森林生态系统涵养水源功能的影响。在此基础上对主要水源涵养型植被不同界面层(冠层、枯枝落叶层和土壤层)的水文过程进行了系统研究，比较分析了不同林型的涵养水源特征。主要结论如下：
①青海云杉(Picea crassifolia)祁连圆柏(Sabina przewalskii)是祁连山地带性植被的主要建群种，具有较强的耐旱性。青海云杉叶水势高，体内水分含量大，主要以亚高水势延迟脱水的方式抵御水分胁迫，蒸腾速率低，水分利用效率相对较高，气孔调节的“第一线防御”功能完善，属于典型的节水型耐旱树种。祁连圆柏主要以亚低水势延迟脱水的方式适应水分胁迫，叶水势低，蒸腾速率大，水分利用效率低，属于耗水型耐旱树种。虽然分布生境(阳坡)水分条件差，但在供水良好时蒸腾耗水量大，加剧了土壤的水分亏缺。
②青杨(Populus cathyana)、红桦(Betula albosinensis)耐寒性强生长快，生态位很少有重叠，但对水分的依赖性都较强，耐旱性弱，主要以高水势延迟脱水方式抵御水分胁迫，叶水势、叶水势恢复能力中等，蒸腾速率低，水分利用效率高，属于节水性耐旱性弱树种。
③金露梅(Potentilla fruticosa L)、绣线菊(Spiraea salicifolia L)是祁连山区中低山灌木林的主要建群种和伴生树种，分布面积大。金露梅、绣线菊耐旱能力较弱，主要以低水势延迟脱水方式抵御水分胁迫，叶水势低，叶水势恢复能力弱。金露梅、绣线菊蒸腾耗水特征差异明显，前者蒸腾强度中等，属于中耗水性耐旱性弱树种。后者蒸腾强度高，属于耗水性耐旱性弱树种。
④千里香杜鹃(Rhododendron thymifolium Maxim)、头花杜鹃(Rhododendron capitatumMaxim)、烈香杜鹃(Rhododendron anthopogonoides Maxim)和青海杜鹃(Rhododendronprzewalskii Maxim)等四种杜鹃构成的高寒常绿革叶灌丛在该区域生态系统中起着极其重要的稳定作用。杜鹃叶水势高，叶水势恢复能力较强，耐旱能力中等，水分利用效率较低，蒸腾速率低，保水性强，这与它们高寒、阴湿的生境条件相吻合。其中千里香杜鹃耐旱性强，蒸腾强度中等，耗水特征明显，属于中耗水性耐旱性强树种，其它几种杜鹃属于节水性中等耐旱性树种。除烈香杜鹃以低水势延迟脱水的方式耐旱外，其它均以高(或亚高)水势延迟脱水方式为主。
⑤青海云杉现实林分的林冠平均截留率为19.36%一23.%%，完满郁闭度林分平均截留率
为25.67%，低于祁连圆柏28.95%。完满郁闭度林冠稳定截留率为20.4%。林冠截留可用含
郁闭度因子c的模型I一。(l一e一兀)+bPc来拟合，参数。、b具有明确的生理学意义，冠
层对降水的吸附容量。为1.3627~，蒸降比b为0.1835。青海云杉树干茎流对降水的分配作
用弱，树干次茎流率均低于0.1%，平均为0.0182%，这与其特殊的林冠生物学特征有关。
⑥祁连山区水源涵养型植被枯落物贮量、自然持水量及饱和持水量从大到小依次为苔醉
一青海云杉林、高山灌丛、灌木一青海云杉林、云杉低质林、中低山灌木林和祁连圆柏林。
在主要生长季，枯落物自然持水量不及饱和持水量的一半，各林分(除云杉低质林外)有效
蓄水量分别为9，196tnm、6.49mm、6.24mm、1.22rnrn和1.6llmm。对于一场11.56rnrn的降
水，如果忽略林冠截留，各林分(除云杉低质林外)枯枝落叶层吸附量分别占降水量的79.55%、
56.14%、53.98%、13.94%和10.55%。
⑦林地土壤具有良好的物理性质，持水能力高。在1以又111土层厚度内，苔鲜青海云杉
林、高山灌丛、灌木一青海云杉林、中低山灌木林、低质林和祁连圆柏林六种森林植被土壤
非毛管持水量依次分别为186.21刀以rn、144.37mm、114.89nun、102.63mm、87.61nun和75.7伽rnm。
六种森林植被的初始入渗率与稳渗率均具有相似的排序，依次分别为(括号内为稳定入渗率)
21.0(11.2)mfn/min、7.5(4.64)浏耐 min、6.0(3.98)mn穿min、7.5(3.07)例耐min、5.5(2.76)
mn州min和3.6(0.8) mn刀min，降水强度很少能达到或超过稳定入渗率。
综合以上结论，祁连山水源涵养林生态系统水文过程的总体特征可以归纳为:a.祁连山
水源涵养林林地土壤入渗性能良好，除祁连圆柏稳渗率低，在强降水时可能发生超渗产流外，
其余植被一般不产生超渗产流，特别是苔醉青海云杉林、高山灌丛和灌木云杉林入渗性能良
好，产生超渗流的机率很小。b.由枯枝落叶层和土壤层所构成的有效涵养水源的能力以苔醉
青海云杉林最高，其次依次为高山灌丛、灌木云杉林、中低山灌木林、云杉低质林和祁连圆
柏林。c.以节水性树种青海云杉、耗水性中等树种杜鹃所构成的林分，水源涵养能力均较高，
而以耗水性强树种绣线菊和中等树种金露梅共同所构成的林分水源涵?
Relationship of interaction between forest and water is the key topic of forest hydrology. As an effectual system for water conservation forest(WCF), It is not only different in composition and structure but also uniform in spatial configuration, which directly lead to difference and coordination existed in hydrology-ecology function of WCF. On the basis of studying water ecological characteristics (drought-tolerance law, transpiration law, value & resilience of water potential( wp), water utilization Tate(WUE))of 10 establishing community species and partner in Qilian Mountains, the capability of adjusting water content equilibrium and affection on composition and water transmission of forest eco-system as well as conservation function have been explained firstly, then the hydrological process of different interfaces(canopy layer, litter layer and soil layer) for vegetations and characteristics for water conservation have been analyzed .
Conclusions are as follows:
(1) As establishing community species of zonal vegetations, there are high drought-tolerance both Picea crassifolia and Sabina przewalskii, the former is characterized with water-economy and high drought-tolerance with high wp and water content ,high transpiration rate(rr) and WUE as well as perfect "first defense" of stoma, which resist water deficiency menace by delaying dehydration for sub-high wp. The latter is characterized with water-consumptive and low drought-tolerance with low wp and WUE as well as resist water deficiency menace by delaying dehydration for sub-low wp, although growing in bad water habitat(sunny slope) , it could consume lots of water when water supplying sufficiently and then severing soil water deficiency.
(2) Populus cathyana and Betula albosinensis are characterized with water-economy and less drought-tolerance with mid value & resilience of wp, low Tr and high WUE. Meanwhile, they all have stronger cold-tolerance and high growth and depend upon moisture strongly so as to resist water deficiency menace by delaying dehydration for high wp.
(3) Although there are good distribution in Qilian Mountains as establishing community species of mid-low-mountain shrubs, both Potentilla fruticosa L and Spiraea salicifolia L have less drought-tolerance and low value & resilience of wp so as to resist water deficiency menace by delaying dehydration for low wp. The former is characterized with mid water consumptive and the latter is characterized with high water consumptive.
(4) Shrubs composed with 4 Rhododendrons , including Rhododendron thymifolium Maxim , Rhododendron capitatum Maxim > Rhododendron anthopogonoides Maxim and Rhododendron
przewalskii Maxim, which play a key role of stabilization in regional eco-system. Rhododendrons are characterized with evergreen-leather-leaf , alpine-cold habitat, high value & resilience of wp, mid drought-tolerance as well as low Tr and WUE. Rhododendron thymifolium Maxim is characterized with mid water consumptive and high drought-tolerance, and the others are characterized with water-economy and high drought-tolerance. Rhododendrons delay dehydration with high(or sub-high) wp except for Rhododendron anthopogonoides Maxim which with low wp.
(5) The average canopy interception rate(Cir) of Picea crassifolia while canopy density( Cd) are less than 1.0 are 19.36%-23.96% and up to 25.67% when the Cd tend to 1.0, all less than 28.95% for Sabina przewalskii. The canopy interception amounts can be evaluated by model
I=a(1-e-PC ) + bPC which including canopy density factor C , here parameter a means
absorption capacity and equal to 1.3627mm, parameter b means ratio of evaporation to precipitation and equal to 0.1835, stable Cir of Picea crassifolia equal to 20.4% by computing when Cd equal to 1.0. The average stem flow rate equal to 0.0182% and allocating little because of special biological characteristics of canopy.
(6) The storage, natural water content and saturated water content of forest litters have ranked from great to little in moss- Picea crassifolia , alpine shrubs, shrub-Picea c
①青海云杉(Picea crassifolia)祁连圆柏(Sabina przewalskii)是祁连山地带性植被的主要建群种，具有较强的耐旱性。青海云杉叶水势高，体内水分含量大，主要以亚高水势延迟脱水的方式抵御水分胁迫，蒸腾速率低，水分利用效率相对较高，气孔调节的“第一线防御”功能完善，属于典型的节水型耐旱树种。祁连圆柏主要以亚低水势延迟脱水的方式适应水分胁迫，叶水势低，蒸腾速率大，水分利用效率低，属于耗水型耐旱树种。虽然分布生境(阳坡)水分条件差，但在供水良好时蒸腾耗水量大，加剧了土壤的水分亏缺。
②青杨(Populus cathyana)、红桦(Betula albosinensis)耐寒性强生长快，生态位很少有重叠，但对水分的依赖性都较强，耐旱性弱，主要以高水势延迟脱水方式抵御水分胁迫，叶水势、叶水势恢复能力中等，蒸腾速率低，水分利用效率高，属于节水性耐旱性弱树种。
③金露梅(Potentilla fruticosa L)、绣线菊(Spiraea salicifolia L)是祁连山区中低山灌木林的主要建群种和伴生树种，分布面积大。金露梅、绣线菊耐旱能力较弱，主要以低水势延迟脱水方式抵御水分胁迫，叶水势低，叶水势恢复能力弱。金露梅、绣线菊蒸腾耗水特征差异明显，前者蒸腾强度中等，属于中耗水性耐旱性弱树种。后者蒸腾强度高，属于耗水性耐旱性弱树种。
④千里香杜鹃(Rhododendron thymifolium Maxim)、头花杜鹃(Rhododendron capitatumMaxim)、烈香杜鹃(Rhododendron anthopogonoides Maxim)和青海杜鹃(Rhododendronprzewalskii Maxim)等四种杜鹃构成的高寒常绿革叶灌丛在该区域生态系统中起着极其重要的稳定作用。杜鹃叶水势高，叶水势恢复能力较强，耐旱能力中等，水分利用效率较低，蒸腾速率低，保水性强，这与它们高寒、阴湿的生境条件相吻合。其中千里香杜鹃耐旱性强，蒸腾强度中等，耗水特征明显，属于中耗水性耐旱性强树种，其它几种杜鹃属于节水性中等耐旱性树种。除烈香杜鹃以低水势延迟脱水的方式耐旱外，其它均以高(或亚高)水势延迟脱水方式为主。
⑤青海云杉现实林分的林冠平均截留率为19.36%一23.%%，完满郁闭度林分平均截留率
为25.67%，低于祁连圆柏28.95%。完满郁闭度林冠稳定截留率为20.4%。林冠截留可用含
郁闭度因子c的模型I一。(l一e一兀)+bPc来拟合，参数。、b具有明确的生理学意义，冠
层对降水的吸附容量。为1.3627~，蒸降比b为0.1835。青海云杉树干茎流对降水的分配作
用弱，树干次茎流率均低于0.1%，平均为0.0182%，这与其特殊的林冠生物学特征有关。
⑥祁连山区水源涵养型植被枯落物贮量、自然持水量及饱和持水量从大到小依次为苔醉
一青海云杉林、高山灌丛、灌木一青海云杉林、云杉低质林、中低山灌木林和祁连圆柏林。
在主要生长季，枯落物自然持水量不及饱和持水量的一半，各林分(除云杉低质林外)有效
蓄水量分别为9，196tnm、6.49mm、6.24mm、1.22rnrn和1.6llmm。对于一场11.56rnrn的降
水，如果忽略林冠截留，各林分(除云杉低质林外)枯枝落叶层吸附量分别占降水量的79.55%、
56.14%、53.98%、13.94%和10.55%。
⑦林地土壤具有良好的物理性质，持水能力高。在1以又111土层厚度内，苔鲜青海云杉
林、高山灌丛、灌木一青海云杉林、中低山灌木林、低质林和祁连圆柏林六种森林植被土壤
非毛管持水量依次分别为186.21刀以rn、144.37mm、114.89nun、102.63mm、87.61nun和75.7伽rnm。
六种森林植被的初始入渗率与稳渗率均具有相似的排序，依次分别为(括号内为稳定入渗率)
21.0(11.2)mfn/min、7.5(4.64)浏耐 min、6.0(3.98)mn穿min、7.5(3.07)例耐min、5.5(2.76)
mn州min和3.6(0.8) mn刀min，降水强度很少能达到或超过稳定入渗率。
综合以上结论，祁连山水源涵养林生态系统水文过程的总体特征可以归纳为:a.祁连山
水源涵养林林地土壤入渗性能良好，除祁连圆柏稳渗率低，在强降水时可能发生超渗产流外，
其余植被一般不产生超渗产流，特别是苔醉青海云杉林、高山灌丛和灌木云杉林入渗性能良
好，产生超渗流的机率很小。b.由枯枝落叶层和土壤层所构成的有效涵养水源的能力以苔醉
青海云杉林最高，其次依次为高山灌丛、灌木云杉林、中低山灌木林、云杉低质林和祁连圆
柏林。c.以节水性树种青海云杉、耗水性中等树种杜鹃所构成的林分，水源涵养能力均较高，
而以耗水性强树种绣线菊和中等树种金露梅共同所构成的林分水源涵?
Relationship of interaction between forest and water is the key topic of forest hydrology. As an effectual system for water conservation forest(WCF), It is not only different in composition and structure but also uniform in spatial configuration, which directly lead to difference and coordination existed in hydrology-ecology function of WCF. On the basis of studying water ecological characteristics (drought-tolerance law, transpiration law, value & resilience of water potential( wp), water utilization Tate(WUE))of 10 establishing community species and partner in Qilian Mountains, the capability of adjusting water content equilibrium and affection on composition and water transmission of forest eco-system as well as conservation function have been explained firstly, then the hydrological process of different interfaces(canopy layer, litter layer and soil layer) for vegetations and characteristics for water conservation have been analyzed .
Conclusions are as follows:
(1) As establishing community species of zonal vegetations, there are high drought-tolerance both Picea crassifolia and Sabina przewalskii, the former is characterized with water-economy and high drought-tolerance with high wp and water content ,high transpiration rate(rr) and WUE as well as perfect "first defense" of stoma, which resist water deficiency menace by delaying dehydration for sub-high wp. The latter is characterized with water-consumptive and low drought-tolerance with low wp and WUE as well as resist water deficiency menace by delaying dehydration for sub-low wp, although growing in bad water habitat(sunny slope) , it could consume lots of water when water supplying sufficiently and then severing soil water deficiency.
(2) Populus cathyana and Betula albosinensis are characterized with water-economy and less drought-tolerance with mid value & resilience of wp, low Tr and high WUE. Meanwhile, they all have stronger cold-tolerance and high growth and depend upon moisture strongly so as to resist water deficiency menace by delaying dehydration for high wp.
(3) Although there are good distribution in Qilian Mountains as establishing community species of mid-low-mountain shrubs, both Potentilla fruticosa L and Spiraea salicifolia L have less drought-tolerance and low value & resilience of wp so as to resist water deficiency menace by delaying dehydration for low wp. The former is characterized with mid water consumptive and the latter is characterized with high water consumptive.
(4) Shrubs composed with 4 Rhododendrons , including Rhododendron thymifolium Maxim , Rhododendron capitatum Maxim > Rhododendron anthopogonoides Maxim and Rhododendron
przewalskii Maxim, which play a key role of stabilization in regional eco-system. Rhododendrons are characterized with evergreen-leather-leaf , alpine-cold habitat, high value & resilience of wp, mid drought-tolerance as well as low Tr and WUE. Rhododendron thymifolium Maxim is characterized with mid water consumptive and high drought-tolerance, and the others are characterized with water-economy and high drought-tolerance. Rhododendrons delay dehydration with high(or sub-high) wp except for Rhododendron anthopogonoides Maxim which with low wp.
(5) The average canopy interception rate(Cir) of Picea crassifolia while canopy density( Cd) are less than 1.0 are 19.36%-23.96% and up to 25.67% when the Cd tend to 1.0, all less than 28.95% for Sabina przewalskii. The canopy interception amounts can be evaluated by model
I=a(1-e-PC ) + bPC which including canopy density factor C , here parameter a means
absorption capacity and equal to 1.3627mm, parameter b means ratio of evaporation to precipitation and equal to 0.1835, stable Cir of Picea crassifolia equal to 20.4% by computing when Cd equal to 1.0. The average stem flow rate equal to 0.0182% and allocating little because of special biological characteristics of canopy.
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引文
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