石羊河流域森林消减区域水灾作用分析

郭春秀，刘淑娟，刘世增，刘虎俊，李银科，袁宏波

（甘肃省荒漠化与风沙灾害防治重点实验室，省部共建国家重点实验室培育基地，甘肃省治沙研究所，甘肃 兰州 730070）

森林与水资源、自然环境之间具有复杂的相互作用，增加森林植被是调节水资源分配，保护自然环境的重要途径。石羊河是甘肃省河西内陆河流域三大水系之一。其上游祁连山冰雪资源和水源涵养林是流域陆地生态系统的主体，被誉为“绿洲水库”。水源涵养林调节降水，保持水土，在区域生态安全和水资源调节中发挥着不可替代作用。石羊河中下游的森林主要是人工林，在河岸分布天然灌木林，发挥着防风固沙改善生态的重要作用［3］。但是，自20世纪中期以来，由于气候变化和人为干扰，祁连山区冰川退缩、雪线上升、融水减少，森林退化，涵养水源能力降低，水土流失面积逐年扩大［3－5］，中下游的人工林也大面积衰败死亡，森林的作用逐渐降低［5］。研究石羊河流域森林对区域水资源和灾害的影响，不仅可为区域开发和灾害防治提供参考，也可提高人们保护森林的意识，对于石羊河流域生态治理具有重要意义。祁连山上游森林的涵养水源［6－8］、保持水土［8，9］以及调节径流作用研究主要集中在黑河流域。石羊河下游植被防风固沙作用的观测与分析较多［5－8］，但石羊河森林影响洪水，特别是河岸森林的作用研究较少。本文参考前人研究结果和观测资料，分析石羊河森林对于区域水和风沙灾害的影响，为区域森林管理和灾害防治提供参考。

1 石羊河流域及其森林概况

1.1 石羊河流域概况

石羊河流域位于甘肃省境内河西走廊东部，祁连山北麓，介于100°57′—104°57′E，37°02′—39°17′N之间，是我国荒漠区三大内陆流域之一。全长300余km，面积41 163km2；其中沙漠、戈壁占38.4%，荒滩占13.6%，山地占34.5%，绿洲仅占13.5%。石羊河流域上游为高山、黄土梁峁地貌及山麓洪积冲积扇，是流域径流主要的产生区和水资源形成区；中游是武威盆地，下游以沙砾荒漠为主，并有剥蚀石质山地和残丘，是径流的散失区和水资源的耗散区。石羊河流域属典型的大陆性气候区，降水量自东北向西南随海拔高度的增加而增大。在海拔3 000m以上的高山区，多年降水量为400～600mm，降水变率为15%；海拔2 000～3 000m的中山区，多年降水量300～400mm，降水变率17%。海拔1 500～2 000m的中游地区的多年降水量为150～300mm，降水变率22%～23%。在海拔1 300～1 500m的中下游和下游地区的多年降水量小于150mm，其中伸入腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠之中的民勤县，多年平均降水量仅110mm［4，5］。

1.2 石羊河流域的森林

《中华人民共和国森林法》将森林分为防护林、用材林、经济林、薪炭林、特种用途林。根据上述分类，石羊河流域的森林主要有防护林和经济林。石羊河上游森林由东大河、祁连、上房寺、夏玛、哈溪、乌鞘岭、十八里堡和昌岭山等几大林区组成，由于该区域为经河西走廊进入西域的门户，破坏程度最为严重。据《河西志》记载，祁连山2 000余年前约有天然森林6.00×106hm2。新中国建立初期的20世纪50年代，云杉林面积大约为1.50×105hm2，从20世纪60年代初到70年代末，森林面积减少16.5%，森林覆盖率减少8%。森林资源的减少使祁连山涵养水源能力下降，雪线不断上升。冷龙岭冰川1956—1976年的20年中，年均后退12.5～22.5m。

1.2.1 祁连山区的水源涵养林 石羊河流域的山地森林覆盖率37.6%，灌木林面积1.78×105hm2，占林业用地面积的71.3%，是该流域山地森林的重要组成部分。在海拔2 500～3 300m山地分布寒温性针叶林，类型有青海云杉（Piceacrassifolia）林和祁连圆柏（Sabinaprzewalskii）林，面积1.33×105hm2，生长缓慢，更新困难。头花杜鹃（Rhododendroncapitatum）灌木林和吉拉柳（Salixgilashanica）灌木林分布在海拔3 000～3 700m的亚高山区阴坡、半阴坡和沟谷地区；在海拔2 600m左右的中低山荒漠带分布金露梅（Potentillafruticosa）灌木林。该地区森林生态系统具有较强的敏感性和脆弱性，一旦遭到破坏。极易被灌木丛草原或草原更替，且很难恢复［3］。

1.2.2 平原区的防护林和经济林 在武威市建成了绿洲灌区农田防护林网3.59×104hm2，四旁植树5 495.2万株。在风沙线已营造防风固沙林1.29×105hm2，封沙育林草1.16×105hm2，在654km长的风沙线上建成以沙枣（Elaeagnusangustifolia）、梭梭（Haloxylonammodendron）、柠条（Caraganakorshinskii）、花棒（Hedysarumscoparium）为主要造林树种的防风固沙林带380km，治理严重风沙口240多个，直接保护农田9.33×104hm2。经过多年发展，已栽植红枣6.00×103hm2，建立酿造葡萄基地5.33×103hm2，葡萄深加工企业生产能力达到3.5×104t。民勤全县国营和集体造林保存面积4.00×104hm2，形成60多条总长350km 的防风固沙林带。全县50%耕地基本上形成了林网化。培育果园300hm2。但是，随着人口增加，土地开发面积扩大，民勤境内有3 000hm2沙枣林已完全枯死，有5 800hm2沙枣林秃顶衰退，约有6 000hm2梭梭林枯梢。植被衰败，风沙日剧，成为中国四大沙尘暴最严重源区之一。

2 森林消减水灾

祁连山水源林把夏秋季集中、过多的降水储存在土壤内，把冬季大量积雪储存于林内，到春天以冰冻和积雪形式储存的降水逐渐消融补给河川，削弱了夏季洪水。加强祁连山冰雪和森林植被保护，是改变目前祁连山河川径流季节分配变差的重要措施。

2.1 森林影响降水分配，减少洪水发生

祁连山森林覆盖率大的支流域，森林有减少年径流量的趋势，径流量年际和月际变化值小（图1）。在祁连山区，1号观测区域的森林覆盖率为2号的2.35倍，枯水季节降水量相差10mm，2号单位面积径流量为1号的4.1倍，1号是3号森林覆盖率的11.17倍，两者降水量相差15mm，但3号观测区单位面积的径流量是1号的286倍。在汛期，1号的降水量是2号的1.17倍、3号的2.15倍，单位面积径流2号和3号分别是1号的12.7倍和250倍。相比较而言，森林覆盖率较大的区域降水量较大时期的河川径流量反而较小，森林涵养水源，在调配区域降水量与河川径流关系中起着决定作用。

图1 祁连山区的森林覆盖率与降水量及河川流量关系

2.2 河岸林稳固河岸，降低洪水灾害

河岸林在防护江河堤防中发挥着不可替代的作用。在石羊河中游（蔡旗），河沿主要分布植被类型有：草甸、灌丛、盐化草甸＋灌木、乔木林和灌丛＋乔木混交林。因此，根据河岸崩塌率（表1），参考土壤保持评价指标，选择植被的植株密度、根系分布结构、植被盖度、层片数和优势植物生活型作为指标进行标准化，比较沼泽化草甸、灌丛、盐化草甸＋灌木、乔木林和灌丛＋乔木混交林的土壤保持能力，得出不同结构植被类型的土壤保持能力指数（表1）。沼泽化草甸的植物密度在83株·m－2以上，盖度达到了95%，但其所在河岸的崩塌率大于灌丛和盐化草甸＋灌木，土壤保持能力小于盐化草甸＋灌木植被。盐化草甸＋灌木的植物种主要是芦苇和赖草，地上部分的赖草密度可达20株·m－2以上，植株密度和植被盖度只小于沼泽化草甸，所在河段的崩塌率最小，土壤保持能力指数最大，盐生草甸＋灌木的保护河岸稳定的能力最大。乔木林的密度和盖度最小，土壤保持能力最小，河岸崩塌率达86%，形成断点，河岸陡坎较大，土壤保持能力指数也最小。石羊河中下游沿河分布的灌丛主要有柽柳和筐柳两类，密度和盖度都大于灌丛＋乔木混交林，河沿崩塌率也只大于盐生草甸＋灌木。石羊河中游河沿的崩塌率与河岸植被类型、结构以及河岸特性相关（表1）。如果以土壤保持能力指数与河沿崩塌率综合比较，盐化草甸＋灌木保护河岸稳定性能力最大，其余依次为沼泽化草甸、灌丛，灌丛＋乔木仅大于乔木林的保护河岸能力。

表1 石羊河中游河岸植被及河岸参数

3 讨论与结论

3.1 位于干旱区的石羊河流域森林具有特殊的水文效应和减灾防灾作用。然而石羊河流域在整个祁连山受人类影响相对较大，森林面积减少分布不均匀［4］，森林对于径流的调节作用相对黑河流域较小。石羊河流域上游，阔叶灌木林占林业用地面积的71.3%，灌木林生态系统是该流域山地森林生态圈的重要组成部分，发挥着涵养水源、保持水土、减少洪水灾害和调节流域水资源分配的作用。在降水量一定时，祁连山区的云杉林、圆柏林和灌木林均无地表径流发生，而放牧草地则有地表径流出现［8，9］。在石羊河中游的河岸林保护河岸能力较优的组合是盐化草甸＋灌木，这与水土保持林主要是林带强大根系作用相一致［10］。灌木林生态系统是该流域山地森林生态圈的重要组成部分，发挥着不可替代的作用。

3.2 森林可以减少洪水量，削弱洪峰流量，推迟和延长洪水的汇集时间。在祁连山区洪水的发生率与降水量、森林覆盖率以及径流量不成比例，但是，相比较而言，森林覆盖率较大的区域降水量较大时期的河川径流量反而较小，森林涵养水源，在调配区域降水量与河川径流关系中起着决定作用，减少了洪水发生率。在祁连山区，夏秋季集中、过多的降水储存在森林枯枝落叶和土壤内，冬季大量积雪储存于林内，到春天以冰冻和积雪形式储存的降水逐渐消融补给河川，满足了春季农业灌溉用水需要，同时削弱了夏季洪水，增加了枯水期径流量，减弱了暴雨或大雨洪涝灾害的破坏力，提高了水资源利用率［7－10］。石羊河流域森林对径流的调节作用研究相对黑河流域较少，降水、森林面积和洪灾之间关系研究缺乏［4］。另外，石羊河流域低山区地貌复杂，沟壑较多，流域破碎，容易发生洪涝灾害［4］。这方面还有待设立定位观测站，进行长期研究。

3.3 石羊河下游的防风固沙灌木林适应区域气候，减灾作用明显。区域沙尘暴与我国西北地区相一致，由于植被盖度和植被高度增大了地表粗糙度，对沙尘暴阻截和消减作用是十分显著的，尤其是高大的农田防护林。从沙漠到绿洲随着地表粗糙度的增加，沙尘暴过程中的平均沙通量、平均气溶胶浓度和地面降尘量均明显下降，其中沙通量的减少最大，减少77.93%。沙尘暴路径上地表粗糙度增加越快，地面对流场的阻力越大，气溶胶浓度下降的速度也越快，从而导致沙尘通量和降尘量的快速下降。民勤治沙站观测结果表明，沙尘暴从荒漠区运动到绿洲内部沙尘通量可减少74.42%。植被对日照的反射率最低。在一定温度范围内，植物具有明显降低区域气温、减少大风和沙尘暴发生的作用。

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