北京市红门川流域径流对防护林结构变化的响应

朱 丽，秦富仓，姚云峰

(1.内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古呼和浩特010019;2.包头师范学院资源与环境科学系，内蒙古包头014030)

北京市人均水资源量不足300 m3，仅为全国平均水平的15%，世界的4%。北京市水源保护区位于密云、怀柔、官厅水库上游区域，西起延庆海坨山，东至密云雾灵山，是北京的重要水源和生态屏障地，承担着北京市80%以上的城市工业和生活用水。为此北京市以密云、怀柔水库为中心，建立与经营了大规模的水源涵养林[1-4]。水源涵养林的建设对于径流量究竟有怎样的影响或者说什么样的防护林才能够起到水源涵养的作用是目前研究的主要问题。关于这个问题，有许多学者进行了研究，其研究层面也各不相同，大到防护林类型，小到树种[5-10]。本研究以密云县红门川流域为研究对象，从森林类型和木本植物——乔木林、灌木林、其它林地类型这一层面上探讨防护林结构变化对径流的影响。

1 研究区概况

研究区位于北京市密云县东南部，地理坐标117°06′07″—117°06′39″E ，40°23′23″—40°22′15″N 。流域面积128 km2。该区气候类型属于暖温带半湿润季风型气候，年平均温度9℃，1月平均气温-7℃～-9℃，7月平均气温24℃～25℃。平均最低气温-18℃，平均最高气温38 ℃，无霜期175 d，平均年降水量650～700 mm，主要集中在6—8月份，雨热同期。该流域西北高、东南低，地貌类型以山地和丘陵为主，中、低山占 75%左右。西北部以海拔1 000～2 290 m的中山为主，东南部多分布低山和丘陵。土壤主要为褐土和潮土。该区山体主要是白云岩、钙质淋溶褐土。

地带性植被为暖温带落叶阔叶林区，现状植被以针叶林、阔叶林和混交林为主。主要人工植被为油松(Pinus tabulaef ormis)、侧柏(Platycladus orientali)、刺槐(Robinia pseudoacacia)和落叶松(Larix gmelini)等针叶林，天然次生林主要是以山杨(Populus davidiana)、蒙古栎(Quercusmongolica)和椴树(Tilia amurensi)为主的阔叶林和针阔混交林。

2 研究方法

2.1 防护林结构变化分析

根据红门川流域原有1∶1万土地利用图，结合流域1990，1995，2000和 2005年 4期遥感影像，在GIS支持下，得到4期土地利用图。采用ArcView景观分析软件，得到防护林的空间格局变化情况，进行防护林结构变化的分析。

2.2 降水量

采用北京市密云县红门川流域沙厂水库上游定位观测站自1990—2006年的逐日降水数据。该数据来自红门川流域定位观测站自记雨量计，记录每次降水过程，并设立1个口径为20 cm的标准雨量筒收集和测定每次降水以作核对。每次降雨后10～30 min观测并记录。

2.3 径流量

径流量分析是采用北京市密云县红门川流域沙厂水库上游定位观测站数据。

径流观测站为天然断面，因沟道两岸地形较陡，形成梯形断面。径流测定在小水时用接流筒按体积法施测，洪水时用率定水位流量关系曲线和浮标法测速计算流量两种方法同步进行，得到径流数据。该观测站上游无人工水利工程，所以可以认为实测径流数据即为天然径流数据。

3 结果与讨论

3.1 红门川流域防护林结构变化研究

3.1.1 红门川流域防护林结构变化分析 红门川流域防护林森林类型多样，有针叶林、阔叶林、混交林、灌木林和其它林地。1990，1995，2000和 2005年，各林种所占面积不同(表1)。

表1 红门川流域防护林结构变化

由表 1可知，红门川流域 1990，1995，2000和2005年的防护林总面积变化不大。1990年不同类型防护林面积排列次序为:针叶林＞混交林＞阔叶林＞其它林地＞灌木林。其中针叶林的面积为3 012.27 hm2，占防护林总面积的30.74%。而灌木林的面积最小，为859.49 hm2，占防护林总面积的8.77%。1995年不同类型防护林面积排列次序为:针叶林＞混交林＞阔叶林＞其它林地＞灌木林，与1990年完全相同。针叶林的面积有所增多，为3 315.81 hm2，占防护林总面积的33.33%。阔叶林的面积为2 072.71hm2，混交林的面积为 2 658.71 hm2，均比1990年略有减少。2000年不同类型防护林面积排列次序为:针叶林＞混交林＞阔叶林＞其它林地＞灌木林，与1990年和1995年完全相同。针叶林依然是防护林的主要类型，面积为3 142.31 hm2，占防护林总面积的32.16%。灌木林最少，为871.16 hm2，占防护林总面积的8.92%。2005年不同类型防护林面积排列次序为:针叶林＞阔叶林＞混交林＞灌木林＞其它林地，与前几年有所变化，主要是阔叶林面积有所增加，为2 559.34 hm2，占防护林总面积的 26.14%;混交林的面积有所减少，为1 828.06 hm2，占防护林总面积的18.67%;灌木林的面积有所增加，为1 007.47hm2，占防护林总面积的10.29%;其它林地的面积急剧减少，为485.49 hm2，占防护林总面积的4.96%。

在防护林的5个林种中，针叶林、混交林和阔叶林在数量上所占比重很大，不同年份都在80%以上，而且总体上针叶林和阔叶林呈增加趋势，混交林有所减少。而灌木林的比例有所波动，不同年份的面积和比例均不同，但是变化量并不明显。其它林地无论从面积还是比例上来讲，均呈现减少的趋势，尤其在2001—2005年期间，变化较为剧烈。

3.1.2 红门川流域防护林结构变化过程 利用转移矩阵模型分析红门川流域防护林内部结构变化，得到红门川流域1990—2005年防护林结构变化转移矩阵(表2—4)。

表2 红门川流域1990—2005年防护林结构变化转移矩阵

表3 红门川流域1996—2000年防护林结构变化转移矩阵

表4 红门川流域2001—2005年防护林结构变化转移矩阵

由表2—4可以看出，1990—1995年防护林内部针叶林面积变化最大，变化面积为225.44 hm2。混交林面积变化最小，为55.62 hm2。针叶林主要是由其它林地转化而来;阔叶林主要是由混交林和其它林地转化而来;混交林基本都是由针叶林和阔叶林转化而来;灌木林主要是针叶林、混交林和其它林地转化而来;其它林地主要是混交林转化而来。

1996—2000年混交林面积变化最大，变化面积为100.59 hm2。阔叶林面积变化最小，为9.88 hm2。针叶林主要是由混交林和灌木林转化而来;阔叶林是由混交林和灌木林转化而来;混交林由针叶林、阔叶林和灌木林转化而来;灌木林是由针叶林转化而来;其它林地主要是阔叶林和灌木林转化而来。

2001—2005年，针叶林面积的变化最大，变化面积为965.52 hm2。针叶林和阔叶林主要是由混交林转化而来;混交林主要是由针叶林转化而来;灌木林主要是由针叶林转化而来;其它林地主要是由针叶林和混交林转化而来。

通过以上分析，发现在针叶林、阔叶林、混交林和灌木林之间均有相互的转化。1990—1995年和1996—2000年间转化相对较小，2001—2005年间转化剧烈。

3.2 红门川流域径流量变化

由图1可以看出，红门川流域年降水量在1990—2006年之间波动较大，但无明显变化趋势。1994年最多 ，为751.30 mm;1999年最少 ，为160.5 mm ，属于极端干旱年。1990—1998年间降水相对较多，波动也比较大;1999—2006年间降水相对较少，波动不大。径流量1990—1998年，呈现波动趋势，基本保持在3.00×107m3左右;1998年以后，呈现明显的减少趋势，2003年降到最低点，径流量小于1.00×106m3。红门川流域多年平均降水量为472.79 mm，平均径流量为1.61×107m3。由图2可以看出，红门川流域多年平均各月降水量呈明显正态分布，起伏较大。7月降水量最多，为165.91 mm，占全年降水总量的35.09%;12月降水量最少，为0.94 mm，占全年降水总量的0.20%，二者相差非常大。研究区降水非常集中，汛期(6—9月)的降水总量为 421.38 mm，高达全年降水总量的88.51%。红门川流域多年平均各月径流量变化也很大，起伏明显，10月至翌年的 5月，整个流域处于断流状态;径流全部集中在6—9月，最大值在8月，径流量为7.75×106m3，占全年径流总量的48.16%;最小值在6月，径流量为6.38×105m3，占全年径流总量的3.96%，二者差距很大。

图1 红门川流域降水量与径流量年际变化

图2 红门川流域多年平均降水量与径流量年内变化

3.3 红门川流域径流量对防护林结构变化的响应

红门川流域径流量年变化较大，尤其在2000年后流域径流量明显减少，其原因是多方面的。在研究红门川流域1990—2006年降水量，除1999年属于极端干旱年外，其它年份降水量均未发现有明显变化，在此基础上从林分的层次上考虑防护林建设对流域径流量的影响。

3.3.1 径流量与乔木林和灌木林结构变化的响应分析 根据树高、冠幅、胸径、有无主干等，将木本植物划分为乔木和灌木等。针叶林、阔叶林和混交林一般属于乔木林。研究北京市密云县单位面积森林涵养水源量，阔叶林最高，为1 863.98 m3/hm2，其次为混交林和针叶林，分别为1 322.11和1 094.1 m3/hm2，灌木林单位面积涵养水源功能最低，为902.22 m3/hm2[11]，就水土保持和水源涵养的功能方面来讲，乔木林的功能远远大于灌木林的功能。据此，分析乔木林、灌木林和其它林地结构变化对红门川流域径流量的影响。

1990—2005年防护林中的乔木林面积波动增加，从 1990年的 7891.92 hm2增加到 2005年的8 296.48hm2，增加了 404.56 hm2，增幅为 5.13%。而灌木林面积呈缓慢波动增加，从1990年的859.49 hm2增加到2005年的1 007.47 hm2，增加了147.98 hm2，增幅为17.22%。其它林地面积逐年减少，从1990年的1 048.35 hm2减少到2005年的 485.49 hm2，减少了 562.86 hm2，减幅为53.69%(图3)。

图3 不同年份防护林结构变化

乔木林始终是防护林的主体，并且随着乔木林面积的增加以及生长量的提高，防护林水源涵养和水土保持功能的增强，必然会减少水土的流失，使得流域径流量减少并达到稳定状态。

3.3.2 径流量与针叶林、阔叶林和混交林结构变化的响应分析 1990—1995年期间，红门川流域防护林乔木林地逐渐增多，其中针叶林增加的速度最快，为10.08%，而阔叶林和混交林面积都有所减少。在此期间，红门川流域年径流基本稳定在3.00×107m3左右。

1996—2000年，防护林乔木林中的阔叶林和混交林分别增加了38.28和79.63 hm2，而针叶林则减少了173.50 hm2。在此期间，红门川流域年径流量逐年递减，从3.00×107m3减少到 1.00×107m3以下，减少了约66.7%。2001—2005年，防护林乔木林中的针叶林和阔叶林均有较大的增幅，分别为24.40%和21.24%，而混交林减少了910.28 hm2。在此期间，红门川流域年径流量只有2001年为1.62×107m3，其余均在1.00×107m3以下。

1990—2005年，其它林地面积逐渐减少，灌木林地略有增加，而针叶林、阔叶林面积均有不同程度的增加，混交林也有减少，但是防护林中乔木林的面积从80.54%增加到84.74%，呈持续增加趋势。

4 结论

在年降水量没有明显变化的基础上，红门川流域的径流量由1990年的3.00×107m3减少到2005年的1.00×107m3以下，主要是防护林发挥了削洪减洪的功能。但是从研究结果来看，不能准确得到类似于怀柔水库防护林中乔木林逐年增长，灌木林逐年减少，导致径流量逐年减少的结论[12]。也就是说，不同的森林类型和树种是否对径流起到的不同的影响，还需要进一步深入研究。

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