祁连山林草复合流域气象因子、土壤特性及其蒸发对比研究

王 瑾 ，牛 赟 ，敬文茂 ，马 剑

（1.甘肃省科学技术协会，甘肃 兰州730000；2.甘肃省祁连山水源涵养林研究院 甘肃省森林生态与冻土水文水资源重点实验室，甘肃 张掖734000；3.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州730000；4.甘肃张掖生态科学研究院 甘肃省祁连山生态科技创新服务平台，甘肃 张掖734000）

祁连山林草复合流域气象因子、土壤特性及其蒸发对比研究

王 瑾1，牛 赟2，3，4，敬文茂2，4，马 剑2，4

（1.甘肃省科学技术协会，甘肃 兰州730000；2.甘肃省祁连山水源涵养林研究院 甘肃省森林生态与冻土水文水资源重点实验室，甘肃 张掖734000；3.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州730000；4.甘肃张掖生态科学研究院 甘肃省祁连山生态科技创新服务平台，甘肃 张掖734000）

土壤蒸发是森林生态系统水文循环的重要环节，也是流域水量平衡计算的难点，为此，在祁连山大野口流域对土壤特性、土壤蒸发和气象因子进行定位监测，对监测数据用相关系数法进行分析，结果表明：（1）林地比草地土壤年蒸发量低80.99%，林地土壤年蒸发量占降水量的54.16%，而草地占98.02%。在土壤蒸发旺盛期，林地和草地土壤蒸发量分别占全年的80.87%和85.47%；在土壤蒸发平稳期，林地和草地蒸发量分别占全年的19.13%和14.53%。（2）与各气象各因子相关性的平均值比较，林地比草低平均低出3.15%。（3）林地比草地土壤孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度分别高出7.31%、7.63%、4.29%。本文通过林地和草地的土壤蒸发季节变化、土壤蒸发与气象因子相关性、土壤蒸发与土壤特性相关性等对比分析发现，虽然林地比草地土壤特性更有利于土壤蒸发，但气象因子是影响土壤蒸发的主成因子，林地形成的小气象环境抑制了土壤蒸发，使林地保持更多的水分供生长需要.本研究可为全面掌握森林生态水文学的水文循环机理和进行流域水量平衡计算提供科学依据和参考。

土壤蒸发；气象因子；土壤特性；祁连山林草复合流域；甘肃省

植被和土壤是水循环中的重要载体，土壤蒸发是森林生态系统水文循环的重要环节，也是流域水量平衡计算的难点。目前，有些学者采取模型模拟的方法研究土壤蒸发问题，如邵薇薇等[1]利用分布式模型和集总式概念模型的土壤植被参数化方法,计算了潘家口水库流域不同时间尺度上的流域蒸散发，如邴龙飞[2]利用NOAH陆面模式模拟的方法，研究了全国以及各大区不同生态系统类型蒸散和土壤含水量的变化,研究了不同类型蒸散和土壤含水量的关系。如姚小英等[3]利用Penman公式计算了甘肃黄土高原20世纪60～90年代40 a来的潜在蒸散值，分析了潜在蒸散的时空变化特征并与蒸发皿所测值进行比较。如刘树华等[4]利用一维土壤－植被－大气耦合数值模式，研究了我国西北干旱半干旱地区夏季不同植被覆盖度近地面层的水分蒸散过程。有些学者虽然采取了实地定位监测手段，但大多数研究集中在农田、棉田或沙区开展工作，如王新平等[5]利用电子称重式蒸渗仪测定田间蒸散量（ET），并用中子水分仪同步测定沙面下10～150 cm土壤水分含量，求得含水率W（%）。通过研究沙区不同植被区域内，土壤剖面不同深度土体含水率W与ET的关系。朱德兰等[6]通过连续5 a定点观测流域土壤水分、气象要素等资料,利用水量供耗平衡原理,分析了该区域的天然次生林、玉米和苹果3种不同植被类型阶段储水量、耗水量和耗水规律。安能等[7]利用蒸发桶研究了不同土壤水分条件下裸地蒸发和麦地蒸散的日变化规律。

祁连山在全国森林生态水文学研究中地理位置十分重要，在研究水源涵养功能方面成绩比较突出[8-12]，但在林区实地定点监测土壤蒸发的相关研究报告较少，仅常宗强[13]等利用2003年以前的监测数据开展了相关研究，结果表明祁连山水源涵养林土壤蒸发受湿度条件、土壤质地及风速的影响较大,且风速和相对蒸发强度之间存在一定的线形关系。本文利用2004～2006年的监测数据，对地林草气象因子、土壤特性及其蒸发进行对比分析，为为全面掌握森林生态水文学的水文循环机理和流域水量平衡计算提供科学依据和参考。

1 试验区概况

试验区设在祁连山大野口流域的排露沟（100°17′E，38°24′N）， 属 大 陆 性 温 带 高 寒 半湿润山地森林草原气候，该区年平均气温-0.6～2.0℃，极端最高气温28.0℃，极端最低气温-36.0℃；年降水在300～600 mm之间，其中60%以上集中在6～9月，相对湿度50～70%，年水面蒸发量1200 mm左右，无霜期90～120 d，年均日照时数2 130 h左右。试验区土壤和植被随山地地形和气候的差异而形成明显的垂直分布带，土壤主要类型为山地森林灰褐土、山地栗钙土以及亚高山灌丛草甸土三个类型，总的特征是土层薄、质地粗，以粉沙块为主；成土母质主要是泥炭岩、砾岩、紫红色沙页岩等；有机质含量中等，pH值7.0～8.0。试验流域森林类型单一，主要是以青海云杉（Picea crassifolia）林为主，与草地成犬牙状交错，条块状分布在阴坡、半阴坡；阳坡以草地为主，零星分布祁连圆柏（sabina prezewalskii）和灌木等，是较典型的林草复合型流域。

2 研究方法

2.1 土壤特性测定及计算

利用环刀法和土壤吸水量法进行土壤特性测定。在海拔2 700 m 处选择青海云杉林内外设置对照样地，按照土壤发生的自然层次或机械分层（0～10、10～20、20～40㎝）用大环刀（体积200 cm3）每处作三次重复采取土样带回室内处理。首先将环刀土样放置于水层高度不超过环刀上沿的平底塑料容器（容器高 15 cm）中，让其充分吸水24 h后称量土壤孔隙完全吸水的土重（g1，g）；接着将土样环刀在铺有干沙的平底方形塑料容器中放置 2 h后再称量毛管吸水的土重（g2，g），并在烘箱内105℃下烘干后再称量干土重（g3，g），计算公式为，土壤孔隙度(P1)%=(g1-g3)/200×100；非毛管孔隙度（P2）%=(g1-g2)/ 200×100；毛管孔隙度（P3）%=(g2-g3)/200×100；土壤容重（w）g/cm3=g3/200，式中“200”的值为环刀或土壤体积（cm3）。

2.2 土壤蒸发量测定及计算

在海拔2 700 m 处选择青海云杉林内外设置对比样地，即在林内样地和林外草地上各布置3个土壤蒸发器。2004～2006年采用实测法(土壤蒸发器测量)根据水量平衡原理计算土壤蒸发。土壤蒸发器由两个内外壁接触的雪花铁皮桶组成，外桶底部带漏斗，漏斗下安设贮水瓶，收集来自蒸发器的渗透水；内桶平底带网孔可漏水或通气。在样地内取原状土柱放入蒸发器内桶，土柱表面与蒸发器外沿及周围地表相平。同时配置传统的降水测定器、水面蒸发器。土壤蒸发计算公式为E=10(E1-E2)S-1d-1+P-R，式中：E为土壤蒸发量（mm），E1为上次土柱称重（g），E2为本次土柱称重（g），P为两次称重间隔期的降水量（mm），R为两次称重间隔期的渗透量（mm），d为水的密度（g/cm3），S为土柱底面面积（cm2）。

2.3 气象因子观测及相关性分析

根据中央气象局编定的《地面气象观测规范》要求，处理和分析试验区地面气象站2004～2006年的气温（℃）、相对湿度（%）、水汽压（0.1 hpa）、降水（mm）、水面蒸发（mm）、风速（m/s）、日照时数（h）等主要气象因子，并应用spss17.0软件与林草地土壤蒸发（mm）分别进行相关性分析。

2.4 数据处理与分析

应用相关系数分析法对气象因子、土壤蒸发等进行相关系数分析，其计算公式如下：

式中σx、σy分别为气象因子、土壤蒸发的标准差，n为数据对数。

3 结果分析

3.1 林草地土壤蒸发季节变化对比分析

土壤蒸发影响土壤含水量的变化，是土壤失水的干化过程，是水文循环的一个重要环节。由于土壤蒸发受土壤热量、土壤含水量以及水汽压的影响，林草地土壤蒸发均随季节变化而变化。根据2004～2006年在祁连山大野口流域海拔2 700 m处林草地土壤监测结果表明，从12月份开始到翌年1月份和2月份，林地比草地土壤蒸发量分别高出13.15%、22.96%和34.93%，平均高出23.68%；从3月份开始到11月份，林地比草地土壤蒸发量分别低出137.39%、57.43%、92.77%、216.28%、65.23%、33.43%、122.35%、57.30%、6.97%， 平均低出87.68%。但总体看来，林草地土壤蒸发都7月份最大，1月份最小。林地和草地土壤蒸发年均分别为176.99 mm和320.33 mm，林地比草地土壤年蒸发量低80.99%，林地土壤年蒸发量占降水量的54.16%，而草地占98.02%。

图1 祁连山大野口流域林草土壤蒸发季节变化对比Fig.1 Compared evaporation of woodland and meadow with seasons change in Dayekou basin of Qilian Mountains

根据植物生长季节动态的生长期和休眠期以及降水季节动态的丰水期和枯水期的划分，土壤蒸发季节动态变化也可划分为两个时期：蒸发旺盛期（5至9月份）和蒸发平稳期（10至翌年4月份），土壤蒸发旺盛期是气温较高、降水较多、植物生长和微生物等生命活动旺盛的时期，蒸发呈明显的增加趋势，林地和草地土壤蒸发量分别占全年的80.87%和85.47%；土壤蒸发平稳期林地和草地蒸发量分别占全年的19.13%和14.53%。土壤蒸发季节动态变化与气温、降水等气象因子、土壤特性、植物生长、微生物活动等有紧密的联系。

3.2 林草地土壤蒸发与气象因子相关性对比分析

一般地，相关系数|r|＞0.95，存在显著性相关；|r|≥0.8高度相关；0.5≤|r|＜0.8中度相关；0.3≤|r|＜0.5低度相关；|r|＜0.3关系极弱，认为不相关。从表1可见，林草地平均土壤蒸发与与水汽压、降水、气温高度相关，与水面蒸发、日照时数、风速中度相关，与相对湿度认为不相关。林地和草地土壤蒸发与气象因子的相关程度对比也有差异，与水汽压的相关性比，林地比草地高出2.2%，与日照时数、风速、水面蒸发、气温、降水的相关性比，林地比草地分别低出24.21%、14.90%、13.33%、5.66%、4.05%；与气象各因子相关性平均化比较，林地比草低在相关性上总体低出了3.15%。也就是说，气象因子对林地土壤蒸发的影响程度要比草地显得弱些，主要原因是森林生态系统形成了与草地不同的森林小气候。

表 1 祁连山大野口流域林草地土壤蒸发与气象因子相关性对比Table 1 Comparison on correlation of meteorological factors and soil evaporation of woodland and meadow in Dayekou basin of Qilian mountains

林冠层作为森林与外界进行水、热、汽交换的界面使森林形成了与外界大气候相异的小气候环境，具有独特的水、汽、热循环规律。林内温度低、风速小、水汽交换速率低，抑制林地土壤蒸发，保持林地土壤含水量较高，有利于植物正常生长的水分需求和水分转化、存储。

在寒区旱区，人工准确监测土壤蒸发存在一定的困难，因为土壤蒸发量极小和降水过程的影响，用电子称每天测量土壤蒸发量时，人为误差较大。通过分析，较理想地模拟了林草地土壤蒸发与气象因子的模型关系（表2）。祁连山区气候特征为典型的大陆性气候，在这一地区，特别是在入春之后，随着蒙古高气压逐渐衰退，副热带高气压逐渐扩张，温度回升很快，风速加大，土壤蒸发加强，大大促进了这一地区的土壤蒸发过程。因此，如何做好春季林地保墒，保持林木生长所需的土壤水分，防止春旱在祁连山区显得至关重要。

表2 祁连山大野口流域林草地土壤蒸发与气象因子模型对比Table 2 Comparison on models of meteorological factors and soil evaporation of woodland and meadow in Dayekou basin of Qilian Mountains

3.3 林草地土壤特性与土壤蒸发对比分析

3.3.1 林草地土壤特性对比

表3可见，随土层深度增加，林地孔隙度呈现高低高变化趋势，草地孔隙度呈现低高低变化趋势。从总孔隙度看，在0～10 cm、20～40 cm深度的土层上，林地比草地分别高出20.73%、3.57%，在10～20 cm深度的土层上，林地比草地反而低4.09%，林地比草地各土层平均高出7.31%；从毛管孔隙度看，在0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm深度的土层上，林地比草地分别高出12.73%、2.46%、7.90%，各土层平均高出7.63%。从非毛管孔隙度来看，在0～10 cm深度的土层上，林地比草地高出55.84%，在10～20 cm、20～40 cm深度的土层上，林地比草地反而分别低出227.03%、61.18%，但各土层平均值还是林地比草地高出4.29%。从土壤容重来看，在0～10 cm、20～40 cm深度的土层上，林地比草地分别低出186.22%、11.91%，在10～20 cm深度的土层上，林地比草地反而高6.86%，林地比草地各土层平均低出39.91%。总体来看，在0～10 cm土层深度上，总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度林地比草地平均高出6.41%，各土层平均值林地比草地也都较大。土壤容重与孔隙度大小及数量则相反。这说明林地比草地土壤通气性能、透水性性能和持水能力都强。

表3 祁连山大野口流域林草地土壤特性对比Table 3 Comparison on soil properties of woodland and meadow in Dayekou basin of Qilian Mountains

3.3.2 林草地土壤特性与土壤蒸发对比

土壤蒸发量的大小不仅与气象因子密切相关，而且与土壤特性有一定的影响。因为当土壤湿润时，水充满土壤孔隙，林地比草地土壤孔隙度高出7.31%，土壤含水量也相应较高；水分通过毛细管作用，不断快速地向地表运行，林地比草地毛管孔隙度高出7.63%，毛管作用相应较高；水分在地表汽化、扩散程度与林草地的土壤特性不相关，而与气象因子密切相关。当蒸发耗水使土壤含水量降低，小于毛细管水断裂含水量时，毛细管水断开，毛细管传导作用停止，林草地土壤蒸发基本相等，但是土壤水分则以薄膜水形式，由水膜厚的地方向水膜薄的地方运动。由于林地比草地土壤非毛管孔隙度高出4.29%，这种运动速度相应地较高。此时，蒸发不仅在地表进行，土壤内部水分也可汽化，并经土壤孔隙向大气扩散。当土壤含水量降低，接近凋萎系数时，土壤水分由底层向土面的薄膜运动已基本停止,地表土壤内只有气态水进行扩散,林草地的土壤蒸发都极小。从这种土壤蒸发的过程来看，虽然林地比草地土壤特性更有利于土壤蒸发，但不是主成成份，影响土壤蒸发的主要因子是林地和草地对小气象因子的不同改变而引起的，综合表现为林地年均土壤蒸发比草地反而低出80.99%的自然现象。

4 结 论

祁连山大野口流域是较典型的林草复合型流域，土壤蒸发是森林生态系统水分循环的重要环节，也是流域水量平衡计算的难点。因此，在祁连山大野口流域对土壤特性、土壤蒸发和相关气象因子进行监测，通过林地和草地的土壤蒸发季节变化对比、土壤蒸发与气象因子相关性对比、土壤蒸发与土壤特性相关性对比，得出以下结论：

（1）林地比草地土壤年蒸发量低80.99%，林地土壤年蒸发量占降水量的54.16%，而草地占98.02%。在土壤蒸发旺盛期，林地和草地土壤蒸发量分别占全年的80.87%和85.47%；土壤蒸发平稳期林地和草地蒸发量分别占全年的19.13%和14.53%。

（2）与气象各因子相关性平均化比较，林地比草低在相关性上总体低出了3.15%。主要原因是森林生态系统形成了与草地不同的森林小气候。

（3）林地比草地土壤孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度分别高出7.31%、7.63%、4.29%。虽然林地比草地土壤特性更有利于土壤蒸发，但影响土壤蒸发的主要原因是林地和草地的小气候生态环境改变不同而引起的。

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Comparative study on woodland and meadow of meteorological factors,soil properties and its evaporation in composite basin of Qilian mountains

WANG Jing1, NIU Yun2,3,4, JING Wen-mao2,4, MA Jian2,4
(1.Gansu Association For Science And Technology, Lanzhou 730000, Gansu, China; 2.Academy of Water Resource Conservation Forests of Qilian Mountains in Gansu Province, Gansu Province Key Laboratory of Forest Ecology and Frozen-soil Hydrology and Water Resources, Zhangye 734000, Gansu, China; 3.Cold And Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu, China; 4.Academy of Ecology Science of Zhangye, Gansu Science and Technology Innovation Service Platform of Ecology in Qilian Mountains, Gansu Province, Zhangye 734000, Gansu, China )

Soil evaporation was an important link of forest ecosystem hydrological cycle, and was also the diff i cult point in basin water balance calculation. Therefore, the soil properties, soil evaporation and meteorological factors in Dayekou Basin of Qilian Mountains were monitored and observed, and then the monitoring data were analyzed by adopting the correlation coeff i cient method. The results show that (1) Annual water evaporation in woodland soil was 80.99% lower than that in meadow soil, that accounted for 54.16%of annual precipitation, but the soil evaporation in meadow soil accounted for 98.02% of annual precipitation. During the apparent evaporation of soil, that in woodland and meadow soil s accounted for 80.87% and 80.87% respectively, and during the stationary phase of soil evaporation, that of woodland and meadow soils accounted for 19.13% and 19.13% respectively. (2) Compared with the mean value of correlation of each meteorological factor, the correlation of woodland was 3.15% lower than that of meadow. (3) The soil porosity and capillary porosity, non-capillary porosity of woodland soils were 7.31%, 7.63% and 4.29% respectively higher than that of meadow soil. Through comparative analyses on the seasonal variations of soil evaporation, relationship between meteorological factors and soil evaporation and correlation between soil evaporation and soil characteristics, the results indicated that although the soil properties of woodland were more conducive soil evaporation those of meadow, but the meteorological factor was the main factor that affected the soil evaporation, and the small meteorological environment formed on the woodland inhibited of soil evaporation, sothis made the soil keeping more water to meet the need of tree growth. The fi ndings provide scientif i c reference and basis for allsidedly grasping water cycle mechanism of forest ecological hydrology and making water balance calculation of the basin.

soil evaporation; meteorological factors; soil properties; Qilian Mountains; Gansu province

S718.55

A

1673-923X(2014)10-0090-05

2014-03-18

甘肃省基础研究创新群体课题（145RJIG337）；国家科技支撑计划项目子课题（2012BAC08B01）；甘肃省祁连山生态科技创新服务平台项目

王 瑾（1983-），女，甘肃酒泉人，硕士研究生，主要从事生态学方面的研究；E-mail：hackerwj@163.com

牛 赟（1974-），男，甘肃通渭人，博士，在站博士后，高级工程师，主要从事森林水文学方面的研究；

E-mail：niuyun2028@163.com

[本文编校：吴 彬]