水源涵养功能是森林生态系统的重要功能之一。由于林分结构不同，其水源涵养功能会产生较大的差异。在水源涵养型植被的恢复过程中，林分垂直结构对林分水源涵养功能的发挥有着尤其重要的影响，但目前缺乏相关的研究。为认识黄河流域土石山区水源涵养林垂直结构改变对其水文功能的影响，以宁夏六盘山香水河小流域内4种典型林分（华北落叶松+灌木复层林、华北落叶松纯林、稀植乔木的天然灌丛林、天然灌丛林）为对象，在2012～2013年两个生长季内（6-10月份）定位观测了各林分的结构特征、冠层和枯落物水文特征、林下蒸散量及土壤水文物理性质的变化，并采用层次分析法评价了林分林冠层、枯落物层和土壤层及整体的生态水文功能。主要结论如下：1）林分结构特征分析：4种典型林分由于垂直结构不同，其群落物种组成及树种生长规律有所差异。总体来看，复层林的物种组成要比单层林更为丰富。4种典型林冠的生长季叶面积指数的季节变化（变异系数）表现为天然灌丛林>华北落叶松+灌木复层林>稀植乔木的天然灌丛林>华北落叶松人工纯林，这可能与各林分由于物种组成和垂直结构不同而导致树种叶片生长和凋落的时空差异有关。2）林分冠层水文特征：在2012年生长季中，对4种典型林分冠层截留率进行了比较，结果表现为天然灌丛林（25.92%）>华北落叶松纯林（23.38%）>华北落叶松+灌木复层林（22.81%）>稀植乔木的天然灌丛林（22.07%）。这说明与单层林相比，复层林可有效地减少林分冠层的无效截持量，从而进一步增加了林内有效水分的输入。冠层截留量与叶面积指数的回归分析表明：在不同降雨强度条件下（除暴雨外），冠层截留量随着林分叶面积指数的增加而增加，二者的关系可以很好地用指数函数来表达（P<0.01）。为更好地反映林分垂直结构对冠层截持的影响，利用修正后Horton冠层截留模型模拟了4种典型林分的截留量，结果表明：4种林分单位叶面积指数的冠层截留量介于0.378～0.956mm/LAI之间，降雨蒸发率α介于0.079～0.271之间。由于该模型考虑了降雨蒸发率、冠层吸附降雨容量及叶面积指数的变化对冠层截留量的影响，结合本研究来看，一方面林分树种组成的变化可使垂直结构更加复杂，同时林分叶面积指数也发生了变化，从而直接影响了地上部分对降水的截留量；另一方面，林分垂直结构变化也会使得林分环境发生相应地变化，从而影响林冠层降水的蒸发率，最终导致不同林分冠层截留量的差异。与单层林相比较，具有相同叶面积指数的复层林可通过减少林冠层的无效截留量来增加林内的有效降水。整体上，单位叶面积指数的针叶林截留容量大于阔叶林。3）枯落物层的生态水文特性：4种典型林分的枯落物的厚度集中在2.1～3.2cm之间，蓄积量为8.78～16.73t/hm2，其中华北落叶松人工纯林的枯落物厚度和蓄积量最大，天然灌丛林最小。林分枯落物最大持水量和有效拦蓄量均表现为华北落叶松+灌木复层林最大，其次为华北落叶松单层林，再次为稀植乔木的天然灌丛林，天然灌丛林最小。回归分析表明：枯落物的最大持水量（Y）与枯落物层的蓄积量（X1）和叶面积指数（X2）有关，而与枯落物厚度无关，三者的关系可以表达为Y=-2.865+1.932X1+3.224X2。以上结果说明，单层林通过复层改造后，树种组成变化导致了其枯落物种类的改变，从而进一步影响其分解程度，并最终致使其持水性能发生变化。4）林下蒸散特征的比较分析2012年生长季内对4种典型林分林下日均蒸散量测定表明：稀植乔木的天然灌丛林最大（1.09mm/d），华北落叶松+灌木复层林（0.96mm/d）次之，而华北落叶松纯林(0.88mm/d)和天然灌丛林较小(0.69mm/d)。在排除林外气象因子变化对林内环境的干扰外，林下蒸散量随着林分叶面积指数的增加而呈对数函数的下降趋势（R2=0.639，P<0.01）。这说明单层林在复层改造中，可能通过其林分总叶面积指数的变化而影响其林下蒸散量。5）土壤的生态水文特性：与华北落叶松人工纯林相比，华北落叶松+灌木复层林0-100cm土壤各层次的容重降低了5.52%~12.07%，土壤孔隙度提高了4.82%~38.45%；而稀植乔木天然灌丛0-60cm剖面的容重比天然灌丛林分别降低了10.09%~18.10%，土壤孔隙度分别提高了5.02%~74.33%。稀植乔木天然灌丛的土壤最大持水量、田间持水量和毛管持水量在0-60cm土层上比天然灌丛林分别提高了32.00%，26.31%，23.49%；而华北落叶松+灌木复层林与单层纯林相比，各指标分别提高了38.45%，1.22%，0.17%；土壤蓄水性能表现为华北落叶松+灌木复层林（3063t/hm2）>华北落叶松人工单层纯林（2590t/hm2），稀植乔木天然灌丛（3287t/hm2）>天然灌丛（2937t/hm2）。除10-20cm土层外，稀植乔木天然灌丛林各层的土壤稳渗速率均与天然灌丛林呈显著性差异（P<0.05）；华北落叶松人工纯林经过林内补植灌木后，不同土层的稳渗速率分别提高了50.86%，14.90%，6.25%和34%，各种林分类型的土壤稳渗速率与其孔隙度呈极显著地正线性关系（P<0.01）。以上结果说明，对单层林进行复层林改造后，由于物种组成的多样化使土壤有机质含量及根系在土壤中的穿插程度有所增加，从而改变了土壤水分物理性质，最终提高了土壤水文功能的地有效发挥。6）4种典型林分的生态水文功能的综合评价林分垂直结构的变化不仅会影响降水在林冠层的再分配，也会改变林分其他层次的水文功能。本文采用层次分析法建立了林分生态水文功能的层次结构模型，并用综合评分法对4种典型林分进行了评价，结果为：林冠层生态水文功能以华北落叶松人工纯林最优，稀植乔木的天然灌丛林最差；枯落物层的生态水文功能以华北落叶松+灌木复层林的最优，天然灌丛林的最差；而土壤层以稀植乔木的天然灌丛林最好，天然灌丛林最差。不同林分生态水文功能整体表现为华北落叶松+灌木复层林（0.708）>稀植乔木的天然灌丛林（0.893）>华北落叶松人工纯林（0.782）>天然灌丛（0.708），说明复层林的综合生态水文功能要好于单层林。