森林生态系统具有涵养水源、防风固沙、净化环境、积累营养物质等多种功能，水源涵养功能生态价值在各生态系统功能中位居前列^［1-2］。森林的水源涵养功能指森林生态系统对降水拦截和滞蓄作用，是森林的主要生态效益^［3］，是森林、降水、土壤等共同作用的结果^［4］，在时空尺度上表现出明显的异质性^［5］，水源涵养功能是水资源可持续利用的基础和保障^［6-7］。研究祁连山青海云杉（Picea crassifolia）林水源涵养功能空间变化格局，对预测下游水资源可持续发展和利用有重要的理论指导意义。本研究明确了一次降水事件发生后，云杉林的截留量和穿透量、灌木林的截留量和穿透量、苔藓的截留量和入渗量，能够推算一定面积区域内的产水量，与下游的用水量形成对比，有利于合理用水和节水，预测上游的水资源供给量对保障区域生态安全及有效保护祁连山森林资源增加水源涵养量有重要的科学意义。

关于森林水源涵养功能的研究较多，刘璐璐等^［8］运用综合蓄水法，估算了不同类型森林生态系统的水源涵养能力及其时空变化，Deng等^［9］将单次降雨下的截流（深度）作为评价草地水源涵养能力的关键指标，吴丹等^［10］将草地植被覆盖度作为确定水分调节参数，评估了中国草地生态系统水源涵养功能的时空变化，张雪峰等^［11］应用InVEST 模型探索了草地生态系统水源涵养功能的空间分布特征等。众多研究从森林生态水文过程的大气降水、林冠截留、土壤入渗渗透等某一层面开展水源涵养功能的研究，或者利用InVest、Swet模型估算、预测，多数研究未开展长期连续定位监测，数据的完整性和连续性不强。本文的主要特色体现在两个方面：首先从大气降水、林冠截留、苔藓截留等整个生态水文过程来研究青海云杉林水源涵养功能的空间变化格局；其次，本研究的数据依托国家野外监测站水文监测固定样地内获取，具有数据量大且连续性强的特点，为准确有效分析水源涵养功能奠定基础。

开展青海云杉林生态水文过程水源涵养功能空间格局的研究，分析青海云杉林的生态水文分配效应及其内在机制，为制定上游的调水、保水、蓄水措施提供科学理论依据。本文以不同海拔青海云杉林降水、截留、茎流、灌木截留、苔藓截留等为重点研究对象，通过长期定位的空间观测，分析水源涵养功能的空间异质性特征，阐明乔木林、灌木林以及苔藓的水文劫持分配效应。研究主要解决如下科学问题：①结合林分郁闭度确定青海云杉乔木层、灌木层、苔藓层的截留率、截留量、穿透雨量及水文分配效应；②确定不同降雨量及降雨强度下，穿透雨量和地表径流量的变化情况。

实验区位于甘肃祁连山国家公园中部西水自然保护站辖区的排露沟流域，总面积2.95 hm²，海拔2 200~3 780 m，流域阳坡为山地草原，阴坡为青海云杉林，森林植被空间分布格局明显，在整个垂直梯度带上从高到低依次分布有高山草甸（草本和零星小灌木混生）、灌木带（高山柳和锦鸡儿混生）、乔木林（青海云杉林和祁连圆柏林）、半干旱草原、干旱草原，森林覆盖率28.6%；年均气温0.7 ℃，7月平均气温10~15 ℃，年降水量433.6 mm，年蒸发量1 081.2 mm，相对湿度60%，年日照时数1 892.6 h，日辐射总量461.41 kJ·cm^-2。研究区内以青海云杉为主要建群种，呈斑块状分布在海拔2 400~3 300 m的阴坡或半阴坡；阳坡、半阳坡主要为山地草原，伴生有小灌木。乔木林主要有青海云杉和祁连圆柏（Sabina przewalskii）；灌木优势种有金露梅（Potentilla fruticasa）、箭叶锦鸡儿（Caragana jubata）、吉拉柳（Salix gilashanica）等；草本植物主要有苔草（Carex）、针茅（Stipa）、黄芪（Astragali membranaceus）、火绒草（Leon topodium）、白藜（Chenopodium album）、委陵菜（Potentilla chinesis）等^［12］，研究区样地环境参数见表1。

样地选择同时结合空间尺度和水平尺度，本研究布设在祁连山排露沟流域，利用森林生态站的林冠截留固定样地进行长期定位监测，在空间尺度上沿海拔梯度2 600、2 700、2 780、2 950 m等进行了固定样地布设（图1），同时结合植被类型和郁闭度在相同海拔梯度上沿水平尺度布设临时对照样地进行监测，两样地相距100 m，面积均为25 m×25 m，样地内根据林冠疏密程度随机布设60个口径为20 cm，高为30 cm的截留桶，分别进行了编号，长期定位测定林冠截留，降雨后为防止蒸发立即测定降水和截留，计算截留量和林冠截留率（图2）。

为了更准确地分析降水的空间变化规律，降水观测利用生态站布设的长期定位监测点，海拔2 600~3 800 m，截留观测利用生态站截留固定样地，这样选择保证了数据的长期性和连续性。单次降雨事件发生后，为防止降水蒸发，立即沿海拔梯度在空间尺度和水平尺度上测定林空降水、林冠截留、树干茎流、苔藓枯落物截留、土壤含水量（平时测定未降雨的土壤自然含水量，和降水后的土壤含水量作为对照）等指标，降水及截留过程从1994年至今持续观测，获取了长期连续的原始数据。同时在样地内利用树高测定仪、皮尺、围尺及样线法分别测定青海云杉树高、冠幅、胸径、郁闭度和苔藓枯落物盖度，厚度采用钢卷尺测量，含水量取样室内测定等，分析青海云杉生长因子及微生境因子对降水的截留情况。

本研究采用EXCEL2016软件统计单次降水量、林冠截留量、树干茎流量，计算月降水量、年降水量、林冠截留率树干茎流量、树干茎流率等，利用回归、拟合等分析方法分析了降水量与截留量以及截留率的相关性，并建立了拟合回归模型。利用SPSS 17.0软件中的LSD检验法对不同降水和不同截留中的差异性进行多重比较，并进行了显著性检验。

对生态站2 600~3 800 m海拔23年长期连续的监测数据进行了统计分析（图3）。降水量随海拔的升高而增大，在海拔3 300 m达到峰值，而后随海拔的升高而减小，整个变化趋势遵循多项式y=-4.8922x²+70.582x+261.42 （R² =0.9678）。降水在海拔2 600~3 200 m的百米递增率为6.91%，海拔3 200~3 800 m的百米递减率为6.53%，2 600~3 200 m为青海云杉林主要分布带，由于乔木林高大的树体遮挡，降水较为集中，3 300~3 800 m为灌木林和高山草甸分布区域，树体较小，尤其高山草甸区的小灌木平均高仅为20 cm，且随海拔的升高风速增大，对降水的拦截作用越大，降水会到处飘逸，导致降水量减少，这是3 300~3 800 m随海拔升高降水量减少的主要原因。

郁闭度为0.77、0.61、0.85、0.86的青海云杉林冠截留率分别为43.74%、34.41%、46.48%、48.35%（图4）。排露沟流域青海云杉林冠截留率为34.42%~48.35%，海拔2 600~2 950 m随降水量的增大林冠截留率有增大趋势，截留率一般随降水的增大而增大，但当冠层枝、叶、树干吸水达到饱和状态时，林冠截留率不再随降水的增加而增加，趋于稳定。对监测数据进一步分析发现郁闭度为0.86左右的青海云杉林，降水量为14.10 mm时，截留量为7.49 mm，截留率为53.12%，这时一半降水被林冠层截留；降水增加到23.4 mm时，截留量为18.3 mm，此时截留率为78.21%；降水增加到38.40 mm时，截留量为28.43 mm，截留率为74.02%，此时截留量和截留率不再增加，表明降水量达到38.40 mm时青海云杉林枝、叶、杆的吸水能力达到饱和状态，吸水能力不再增加且趋于稳定，截留率不再随降水的增加而增大。

通过大量长期连续的观测数据分析表明，灌木平均截留率为55.21%，平均截留量为5.19 mm，平均穿透雨量为5.15 mm（图5）。统计多年的长序列降水观测数据，发现随降水的变化平均截留量为3.57~6.61 mm，平均穿透雨量为4.16~7.43 mm。灌木林截留率明显大于青海云杉林，实测发现，平均降水量为8.2~11.9 mm时，截留率为48.6%~61.8%，平均降水量为10.3时，平均截留率为55.2%，如果降水继续减少，截留率也会随之降低，降水继续增加，截留率达到61.8%左右时，不再增加，此时灌木叶、枝、杆吸水达到饱和状态截留能力明显减弱，灌木虽然冠幅较小，但是冠层密度很大，枝、叶生长茂密，对降水的拦截作用较大，因此，截留率较高。

森林水文的截留过程分为三层，第一层为乔木层截留、第二层为灌木层、第三层为苔藓层，苔藓承担着吸附、保存并向土壤输送降水的作用。对23年样地内布设的苔藓截留测定数据分析表明（图6），祁连山排露沟流域青海云杉林苔藓层平均截留率为68.6%；降水为23.04 mm时，林区苔藓截留率最小，为4.94%，此时苔藓已接近饱和吸水状态，随降水量的增加苔藓截留不再增加，趋于较稳定状态；降水小于3.85 mm时，林区内大部分苔藓截留率为100%，有些区域降水达到11.1 mm时，苔藓截留率为100%，降水被苔藓全部截留，这是青海云杉林不易发生地表径流的主要原因；大部分区域降水量为9.48 mm时，苔藓截留率能达到50%左右；不同年份截留率差异较大，2004年最小，为58.36%，其原因主要是平均降水量较大，不难发现降水量是影响截留率的主要因素；截留量随降水量的递减而递减，截留率随降水量的递减而波动递增，前者表现为显著的正相关关系，后者表现为负相关关系。

对实测数据进行了回归拟合发现降水量与截留量显著正相关（R² =0.991，图7）。同时对降水量与截留率也进行了回归拟合，发现降水量与截留率有对数函数关系，函数系数k=18.43，表明两者具有递增对数函数关系（R²=0.7844），两者具有较强的相关性。降水量和截留量随日期的变化趋势完全相同，和截留率大致相同，但也有差异，这与上述回归拟合和显著性检验具有一致性，2024年6月20日降水量最大，为42 mm，对应截留量最大，为29.055 mm，截留率并不为最大；相反，2024年5月26日降水最小，为1.3 mm，此时截留量也为最小，为0.37 mm，截留率并不为最小，因此，从图上也能直观反映出上述拟合和显著性检验的正确性。

祁连山区降水随海拔的升高而增大，以3 300 m海拔为界，3 300 m以下降水随海拔的升高而增大，3 300 m以上降水随海拔的升高有波动下降趋势。此研究结论与众多结论类似，众多研究结论表明林区降水一般随海拔的升高而增大^［13-14］，3 300 m为青海云杉分布上限，以下主要是青海云杉林分布带，海拔越低风速越小，加之青海云杉高大的树体，降水不易被飘散，雨滴会集中垂直落入地面；海拔越高风速越大，且3 300 m以上主要分布灌木，树体小，对较大风速难以阻挡，导致大部分降水会随风飘散，不能垂直降落地面，这是3 300 m以上降水随海拔的升高波动下降的主要原因。

本研究得出青海云杉林冠层截留率为34.41%~48.35%，灌木林冠平均截留率为55.21%，苔藓截留率为68.66%。彭焕华^［15］认为祁连山青海云杉林冠截留率为27.9%~53.8%，对比分析两者数据接近，但也有差异，从影响林冠截留的因素分析，冠层郁闭度、坡向、海拔、历时降水量及风速、风向等均有影响，冠层郁闭度应该是主要影响因素，植被冠层对降水能与量的调节改变了冠层下降水的分配格局，从而显著地影响流域水文过程。已有研究表明冠层截留能力和冠层郁闭度以及叶面积指数呈正相关关系^［16］，因此，冠层郁闭度对林冠截留率有显著影响，同时与降水量和降水强度关系较大，与降水量呈非直线关系增加^［17］；坡向影响较小^［18］，因为青海云杉林均分布在阴坡或半阴坡，阳坡或半阳坡没有分布，单纯看海拔影响降水，降水影响截留，但海拔越高乔木生长越差，冠层郁闭度显著下降，海拔与截留的关系难以确定，需要我们今后继续深入探讨研究。

不同植被类型截留率差异明显，主要是由于不同植被的冠层郁闭度不同，导致对降水的拦截程度差异明显；其次，降水量和降水强度对截留率影响较大，呈现较好的对数函数关系^［19-21］，本研究得出降水量与截留率有递增对数函数关系，研究结论具有一致性。

祁连山西水排露沟流域在海拔2 600~3 300 m内降水随海拔的升高而增大，3 300 m降水达到峰值，3 300 m以上随海拔的升高而降低。整个空间变化遵循多项式y=-4.8922x²+70.582x+261.42（R² =0.9678），海拔2 600~3 200 m的百米递增率为6.91%，海拔3 200~3 800 m的百米递减率为6.53%。

祁连山排露沟流域青海云杉林平均林冠截留率为34.41%~48.35%，郁闭度分别为0.77、0.61、0.85、0.86的青海云杉林冠截留率分别为43.74%、34.41%、46.48%、48.35%。海拔2 600~2 950 m林冠截留率随林空降水量的波动增大而增大。

灌木林平均截留率为55.21%，平均截留量为5.19 mm，平均穿透雨量为5.15 mm，灌木林截留率明显大于青海云杉林。

苔藓平均截留率为68.66%，降水量为9.48 mm左右时，苔藓截留率达到50%，研究发现截留量苔藓>灌木层>青海云杉林冠层。

降水量与截留量具有显著的线性正相关关系（R² =0.991，P<0.01），与截留率有较显著的递增对数函数关系（R² =0.7844，P<0.05）。