全 文 ：第 巧 卷 第 3期
1 9 9 3年 9月
新 疆 环 境 保 护
EV NIR O NM E NA T P LR O C T E TIO O NF X I NJ I A G N
V o l
.
1 5
S EP
N o
.
3
1 9 9 3
新疆天山北坡云杉林水文特征的探讨
徐德炎
( 新脸林科院森林生态室 )
务
引 言
随着科学 的进步 、 工农业 生产的发展和
人 民物质文化生活水平的不断提高 ,森林在
人类生存和生产中的多种功能 ,无论从理论
上或实践 中都愈来愈多地为社会所认识和重
视 。 在它的生态效益 、 经济效益和社会效益
中 ,尤其突出了森林的生态 效益 。 据悉在
1 9 87 年国际环境会议上 , 各国生态学家对森
林生态效益都作了精辟论述 。 如西德 、芬兰的
生态学家提出森林自身的直接经济效益 (木
材 、 林副产品等 ) 为森林生态效益的 l 3/ , 美
国提出 1 / 4 , 我国提出 1 6/ 。 森林生态功能的
内涵很广 . 我们近几年在开展森林开发项目
环境影响评价过程中 , 我们对天 山坡云杉林
的水文特征作了一些探讨 ,现分述如下 。
1 森林对大气降水的影响
众所周知 ,形成气候的三大因素是 : 太阳
辐射 、大气环流和下垫面 。前两项在 目前的科
学技术上是望尘莫及的 ,无法控制和改变它 。
而在一定程度和事实范围内改变下垫面的性
状是人为可及的 。其中大面积种树种草 ,增加
绿色地被物是一项重要内容 。 在陆地生态气
候系统中 ,森林是其重要组成部分 。 它的存在
必然对其周围的生态气候要素产生积极的影
响 。关于森林对大气降水的影响间题 , 因为影
响降水的因素很复杂 ,如经纬度 、海拔高度 、
地形坡向 、 离海洋的远近 、 大气环流 、气旋 活
动 、 风速风向 、下垫面的物理状况及观测技术
等 。森林影响降水的研究 , 至今广大学者还没
有得出一致的结论 , 仍在探讨之中 。但对森林
影响大气水平降水间题 ,认识 比较一致 。认为
森林能在一定程度上增加水平降水 。 大量的
观测研究资料表明 ,林区与无林空旷区相比 ,
由于林区森林的大量蒸腾 、蒸发可散发 出大
量的水汽 ,致使林 区特别是近地层 空间的湿
度较大 ; 又由于森林蒸腾 、蒸发耗热量的增加
和庞大的林冠层阻挡太 阳辐射投射 到林地
上 ,使林区的温度降低 。这种低温高湿气候特
征 ,必然有利于水汽凝结和雾 、 露 、 雾淞 、 雨淞
的形成过程 。 据 1 9 81 年 8 月 1一 20 日笔者在
天山西部巩留林区的气象观测 资料表 明川 :
平均气温林区较无林空旷 区低 1 . 3℃ ( 已作
海拔高度订正 ) ; 空气相对湿度高 10 % 。 再从
天气现象看 ,在观测的 20 天 中 ,林区有降水
的天数是 8天 ,早上有露的是 20 天 ; 而无林
空旷区分别是 5天和 8 天 ,分别少了 3 天和
1 2 天 。 国内外大量研究资料也充分说 明这一
点 。 如在泰国科拉特高原有所谓 “ 森林夜雨 ”
现象 , 即在旱季期间 ,林区湿度仍然很大 ,夜
间树 、 草枝叶上凝聚的露水有如雨滴降落 ; 我
国云南南部热带雨林林区也有这种现象 , 据
吕炯教授估算 ,这,种水平降水每天平均达 .0
s m m
,整个旱季的总量达 5 0~ 以上
。
关于森林对垂直降水 的影响问题 , 国内
外学者讨论已久 ,尚未得出一致结论 。有的学
者认为森林与垂直降水无关或关系甚微 。 但
部分学者认为 :营造大面积森林 ,改变了当地
下垫面性状 ,也改变了近地层小气候特征 ,对
影响降水会产生很多有利因素 。其一 ,森林通
过发达的根系吸取深层土壤水分供繁茂的枝
叶蒸散形成水汽 ,增加低层空间水汽含量 ;也
消耗大量蒸散潜热 ,使林区低层空间较无林
空旷区的温度低 、湿度大 ,有利于降水的物理
新 疆 环 境 保 护 1 99 3年
形成过程 。这不仅促使林区形成内雨 ,更重要
是可激发外来水汽增加外来降水 ;其二 ,森林
庞大的林冠层 , 一方面增加了地面粗糙度 ,可
将近地层气流抬高几十米至几百米 , 可使近
地层气流的流线抬升和乱流交换得到加强 。
据尤金 · 希迪科 (。 · 。 · 6 y明即 )和波哥乡 x(
. : , ` n 0 0 0 e : H ) 1 9 5 8 年采用飞机和平移气球
观测阁 ,发现林带对气流线抬升影响 的高度
达几百米 ,甚至千米以上 ,气流的这种系统性
抬升有利于云和降水的形成 ;其三 ,森林能给
大气提供大量 的凝结核 , 1 9 7 3 年 v . 史希尔
通过实验指出 , 林地上腐烂的树叶 , 产生大
量 的 假 单 细 胞 杆 菌 属 丁 香 叶 斑 细 菌
( p sel
` d o m o ,
s尹 in s a e )的完整体 。 这些细菌
在一 1. 3℃的过冷水中具有成核性能 ,发生冻
结 ;并在 一 5℃时 , 每克细菌产生 1沪 以上 的
活性核 , 它可以给大气提供大量凝结核 ,促进
森林致雨作用 。
总的看 , 国内外很多学者研究认为森林
影响降水的总量约为 7一 12 % 。
2 山地云杉林 的水源涵养
作用
2
.
1 林冠对降水的截留作用
天山北坡的有林地中云杉占 95 %以上 ,
平均郁闭度 0 . 5左右 ,冠形塔状 ,天然整枝很
差 。所以云杉林的林冠对降水的截留量较大 ,
而且产生多层截留作用 。 即林冠截留形成的
雨滴经过多层转移到最下一层后再滴落地
面 ,一般高度为 3一 sm , 冲击力很小 , 这就避
免了雨滴直接对地面的冲击 ,破坏土壤结构 。
再加上林地一般都保存有 2一 sc m 厚的枯枝
落叶层 。 所以在云杉林内雨滴直接溅击土壤
表面很少 。 据资料闭福特 (E . D . oF dr 19 7 8) 在
南苏格兰人工云杉林内观测 , 1 9 7 6 年全年林
冠截 留率为 30 % , 树干截 留率 27 % ;前 苏联
聂斯切洛夫在季米里亚捷夫农学院观测云杉
林截 留率 4 0一 60 % ,特卡钦科的观测结果是
3 6
.
2%
;据傅辉恩 1 9 7 5一 1 9 7 8 年 6一 9 月在
甘肃省祁连山寺大隆林区云杉林内观测郁闭
度 0 . 3 的林冠截留率为 14 . 7一 24 . 7 % ,郁闭
度 0 . 6 的林冠截 留率为 2 2 . 9一 31 . 2% ,据在
天山 中部林区云杉林内观 测 :a[ , 郁闭度 0 .
d一 0 . 6 的林 区 , 林冠截 留率为 37 . 0一打 .
8 %
。 因此 , 我们按林冠对降水的截留率为
4 0%推算 ,天山北坡云杉林的林冠年截 留量
达 10 . 2 6 7汉 1 0 8m 3 (见表 1 )
表 l 天山北坡云杉林林冠对降水截留 t 汇总表
地区 林地面积 年平均降水量 截 留率 截 留量
( 10毛恤 ) ( m m ) ( % ) ( 1 0 8m 3 )
天山西部林区 2 0 . 6 7 3 7 0 0 . 0 0 4 0 5 . 7 8 0
天山中 、 东部林区 2 2 . 3 9 6 5 0 0 . 0 0 4 0 4 . 4 8 0
合 计 4 3 . 0 6 9 1 0 . 2 6 0
2
.
2 林地枯落物的分布状况及其拦蓄
水分作用
云杉林虽然是常绿的天然整枝较弱的树
种 ,但因林区温度较低 , 针叶分解较缓慢 , 因
此林地上的枯落物储量仍 比较多 , 一般分布
厚度 2一 s cln 。 它一方面防止降水雨滴直接溅
击土壤 ,破坏土壤结构 , 防止土壤随地表透流
冲刷流失 ; 另一方面又能持蓄大量水分 向土
第 3期 新疆生态学会成立大会资首届学术讨论会专辑
壤深层渗透 。 据我们测定 [4j 天山西部林区枯
落物干重为 1 7 . 5一 27 . 5 T/ ha ,天山中东部为
16
.
2一 29 . 4T / ha 。 枯落物的最大持水率为
1 83
.
1 ~ 37 9
.
6 %
,平均持水量天山西部林区
为 63 . 3T /h a ;天 ilJ 中东部为 6 4 . I T / ha 。 林地
枯落物年总持水量天 山西部林区为 0 . 13 沐
1 08m 3
,天山中东部林区为 0 . 1 4沐 10 8m 3 ,两项
合计为 0 . 27 x 1 0 8 n i 3 (见表 2 )
表 2 林地枯落物及持水 t 汇总表
地区 有林地面积 枯落物含量 枯落物持水率 林地总持水量
( 1 0
4
ha ) (T / ha ) (另 ) ( 1 08m 3 )
天山西部林区 2 0 . 6 7 3 1 7 . 5一 2 7 . 5 12 3 . 1一 3 7 9 . 6 0 . 1 3
天山中 、 东部林区 22 . 3 9 6 1 6 . 2一 2 9 . 4 18 3 . 1一 37 9 . 6 0 . 1 4
合 计 4 3 . 0 6 9 0 . 2 7
2
.
3 森林土壤对降水的渗透涵蓄作用
森林土壤的涵水作用是森林影响水文特
征的重要环节 ,天然降水透过林冠层后到达
地表的枯落物 层上 ,再透过枯落物层继续下
渗到土壤中 。 其中一部分继续下渗补给河川
还流 ,另一部分补充地下水 ,最后以山泉的形
式补给河川通流 , 从而大大减少降水的地表
透流 。 据测定困天山西部林区森林土壤的平
均厚度 6 0一 9 c0 m (按中值计算 ) ; 土壤剖面总
孔隙度 53 . 6一 7 . 5 % ,各层土壤加权平均总
孔隙度为 6 4 . 2% ;再考虑土壤在一般情况的
含水率为 47 . 4一 63 . 7%对土壤孔隙度的影
响 。 那 么林地 土 壤持 水 总 孔 隙度为 2 5 .9
1
~
, 天山西部林区有林地总涵水能力为 5 .
35 x l o 8m 3
。 天山中东部林区土壤平均厚度
4 0一 60 cm , 土壤剖面 总孔 隙度 47 . 2一 92 ·
5%
,各层土壤加权平均总孔隙度为 6 3 . 5片
在一般情 况下林地土壤含水率为 8 . 8一 s d .
5写 。 则天山中 、 东部有林地土壤持水总孔隙
度为 2 51 . 7 毫米 ,林区土壤总涵水能力为 .5
6 3 X 1 s0 m 3
。 天山北坡有林地总涵水能力达
1 0
.
9 8 X 1 0
8
m 3 (见表 3 )
表 3 森林土壤涵水能力汇总表
地区 有林地面积 土壤厚度 土壤孔隙度 土壤涵水能力
( 1 04ha ) ( e m ) ( % ) ( 1 0 . m 3 )
天 山西部林区 2 0 . 6 7 3 6 0一 9 0 5 3 . 6一 7 7 . 5 5 . 3 5
天山中 、 东部林区 22 . 3 9 6 4 0一 60 4 7 . 2一 9 2 . 5 5 . 6 3
合 计 4 3 . 0 6 9 1 0 . 9 8
综上所述 ,天山北坡云杉林区对降水的
涵水能力 ,一次性最大值为林冠截留量 、枯落
物持水量与土壤持水量 之和 ,即为 21 · 51 X
1沪m 3 。 按水量平衡分析 ,全林区有地面积为
4 3
.
0 68 万 公顷 , 其年降水总量为 25 . 67 X
l o sm “ ,那么天山北坡有林地一次性的涵水能
力就接近于相同面积的年降水总量 。 也就是
说在一般降水强度 (指非暴雨强度 )情况下 ,
有林地内基本上不产生地表通流 。
新 扭 环 境 保 护 x 9 9 3 年
3 云杉林的保持水土作用
3
.
1 云杉林护土效应
据前所述 ,天山北坡云杉林以纯林为主 。
庞大的林冠层截留降水的 40 % ,透过林冠的
降水又滴落在枯落物上 , 然后透过枯落物层
渗入到土壤中 , 没有直接溅击到土壤上 ,对土
壤结构没有破坏作用 , 另外 , 由于云杉林对土
壤改 良作用很大 ,一般在枯落物层之下有一
层 3一 sc m 厚的松软半分解粗腐殖 质层 , 其
总孔隙度在 7 . 5一 9 2 . 5%之间 ;再下层则为
细腐殖质层土壤 ,一般厚度约 10 一 30 c m ,其
总孔隙度为 7 0 . 6一 7 . 」% 。 这些覆盖物及土
壤对降水都有很高的下渗能力和保水护土能
力 ,可以大大减少或避免地表迁流 ,使林地基
本上不产生水土流失现象 。据 1 9 8 2一 1 9 8 3年
在天 山中部测定 ,年降水量 5 59 . 8~
,在云
杉林内产生地表 迁流 的占降水量的 1 . 1% ,
在采伐迹地占 1 1 . 2% , 在牧草地占 23 . 2%据
傅辉恩在祁连山寺大隆林区作的不同类型土
壤入渗速度试验困 : 苔鲜云杉林地的土壤初
渗和稳渗速度均较农耕地及牧草地分别提高
2 0
.
3一 5 3 倍和 4 9 . 1一 1 17 . 9倍 。
天 山林 .区的有林地在枯落物的保护下 ,
一般不产生地表通流 ,也不发生土壤被侵蚀 ,
还可使森林分布带上方亚高山草甸带产生的
混浊地表透流所夹带下来的土壤或半分解物
质 ,通过林地枯落物层过滤而沉积下来 ,在森
林带下方流出的是清泉 。 据调查天山西部伊
犁河南岸山地的森林植被较北岸山地生长茂
密 ,故分布在北岸的匹里青河年平均含沙量
为 l · 1 4k g / m “ , 而分布在南岸的 加格斯 台河
仅 .0 1 9k g /m 3 。 又如伊犁河上游两大支流 ,喀
什河 (托海站 )流域森林复被率为 6 . 7% ,其
河流多年平均侵蚀模数为 20 5T /km , ,而河水
含沙量为 0 . 4 7 k g / m 3 输沙率为 57 k s/ s , 而巩
乃斯河 (则 克台站 ) 流域森林复被率为 1 .8
l %
, 河流多年平均侵蚀模数为 1 2 6T /km Z ,河
水含沙量为 0 . 3 7 k g / m 3 ,输沙率 1 6 . ` k g / s 由
于巩乃斯河流域的森林翟被率 较喀什河高
n
.
4片 ,故前者较后者的侵蚀模数 、 含沙量及
输沙率分减减少 79 T / km Z 、 0 . I k g /m 3 和 叨 .
k6 g s/
。 由此可见森林防止土壤冲刷和流失的
功能是显著的 。
3
.
2 森林的调节逗流作用
据前所述森林有很 强的涵水护土功能 ,
对降水形成的地表迁流有分散和滞缓作用 ,
从而调节河流流量和削弱洪峰及洪涝灾害的
作用 。 据 N . N . 罗兴在山地栋 一千金榆林和
水青 冈林的研究证明 , 降水在枯落物层 中的
流动速度比无林山坡约慢 40 倍 。 据在祁连山
云杉林 中测定 , 在 S OOm 的坡长情况下 ,地表
迁流在裸露坡面倾刻即下 , 在苔鲜云杉林林
地上流动的时间是 2 小时 ,在 8一 20 c m 的土
壤内流动需 3天 。 由于林地地表通流不能在
短时间过量集中 ,因而减弱大雨或暴雨 时江
河的洪峰流量 ,削弱洪水灾害 ,增加枯水期流
量 ,缩小洪枯 比值 ,还以伊犁河两大支流作比
较 ,喀什河连续最大 四个月迁流量占全年的
6 7 %
,最大 月透流量与最小月迁流量之 比值
为 8 . 5 : 1 ; 而巩 乃斯河则分别为 朽 . J %和
2
.
8 : l
。 后者较前者分别减少 21 . 6 %和 5 . 7 。
4 结束语
月. 1 森林对大气降水的影响问题 . 目前
国内外学者仍有争议 , 意见不一致 ,但是森林
可以增加水平降水的观点是一致的 。 部分学
者研 究认为森林 可以 增 加垂直 降水约 7一
1 2写 。
` . 2 森林的水源涵养作用是很强的 ,据
作者调查测定 ,天山北坡云杉对降水的截 留 、
涵养能力一次的最大值为 21 . 51 % 只 l o sm , ,
占全林 区有林地面积年降水总量的 83 . 8 % ,
即有林地一次的涵水能力接近于同面积的年
降水量 。也就是说在一般降水强度 (指非暴雨
强度 )情况下 ,天山北坡有林地内基本上不产
生地表通流 。
J
.
3 由于森林有强大的水源涵养功能 ,
故林地基本上不产生水土流失使河流流域的
第 3期 新扭生态学会成立大会壁首届学术讨论会专辑
土壤侵蚀模数 、 泥沙含量及输沙率都明显减 少 ,通流的洪枯比值大大缩小 .
参考文献
[ 1〕徐德炎 , 巩留库尔德宁雪岭云杉林气象因子初步分析 , 《新疆林业科技 》 ,
( 2 4一 2 9 )
[ 2〕王正非等 , 《森林气象学 》 , 中国林业出版社 , 1 9 8 5
[ 3〕录叙德等 , 《云杉林水文效应与农业生产关系 》 , 1 9 8 3( 油印本 )
[ 4〕徐德炎等 , 《新疆天山西部林业局森林开发项目环境影响评价报告 》 , 1 9 9 0
印本 )
[ 5〕新疆山地森林土壤编写组 , 《新疆山地森林土壤 》 , 1 9 8 9( 油印本 )
[ 6〕傅辉恩 , 《东祁连山西段北坡森林涵养水源作用的研究 )( 铅印单行本 )
1 9 8 3
,
2 期
年 8 月 (铅
水资源是干旱区城市发展的首要环境因子
— 戈壁明珠石河子水资源分析 (摘要 )①高继宏
(新疆石 河子农学院农经来 石河子 83 20 03 )
新疆石河子市位于天山北麓 ,准噶尔盆地西南边缘的荒摸干旱地区 。市区空间结构和功能
小区布局反映了生态环境的特点 ,被称之为绿洲生态新城 。
由石河子建市过程 ,可见干旱区城市发展与水资源的关系应考虑 : 1 . 总体上正确处理生态
系统与城市经济发展的对立协调 、 相互依存的关系 。 2 . 以高度的 “ 节水意识 ”保护水资源 ,防止
对水的过度开采 : 如规定井距 ,诱导渗透 ,适度截取地下水 ,使地下水提取与补充取得平衡 ;对
地下水层实施人工补充 ;对地下水实行系统控制等 。 3 . 防止人为地浪费水资源 ,提高水的重复
利用率 。 4 . 注意城市产业结构 ,提倡节水产业 ,严格实施节水措施 。
关被词 水资源 干旱区 城市发展 首要环境因子 石河子
① 注 : 该文被 19 9 2 年 4 月 14 ~ 17 日在上海举行的“ 环境与经济协调发展国际会议 ”采用并交流