黄土半干旱区水土保持林主要树种耗水特性研究
【摘要】：本文针对干旱半干旱地区植被建设中植被与水资源关系不协调的问题,以土壤—植物—大气连续系统(SPAC)理论为基础,在山西省方山县北京林业大学径流林业试验基地上,选择主要的水土保持造林树种作为研究对象,在2002～2004年的生长季期间,利用先进的仪器和设备,同时运用多种方法和手段,分析不同水分环境条件与林木生长的关系,系统地研究该地区主要造林树种蒸腾耗水的水分生理生态学特征和耗水规律,其结果不仅有助于干旱半干旱地区植被建设中生态用水定额的确定;而且也将对今后该地区森林植被建设中物种选择和合理林分密度设计的起到科学的指导作用。
本文主要开展了以下几方面的研究:
◆ 半干旱区的降水资源环境与植被建设的关系
◆ 8个主要造林树种的水分生理生态学特性研究
◆ 黄土半干旱区适宜林木生长的最佳土壤水分条件
◆ 林木的土壤水分环境条件及土壤水分生产力特征分级
◆ 试验林地土壤蒸发耗水规律
◆ 林木的蒸腾耗水量的模拟与预测
◆ 试验林分的蒸散量及分量组成比例
水量平衡原理、土壤物理学、SPAC理论、森林水文学、森林培育学是本研究试验设计和结果分析的理论基础;Farquhar气孔限制理论、土壤水动力学原理、空气动力学能量平衡理论是具体数据估算的理论依据。
主要研究结果如下:
◆ 研究地区近50年来多年平均年降水量504mm,降水量总体上呈现下降的趋势;降水主要集中在植物生长季节(5～9月);降水四季分配中降水集中于盛夏,春末夏初降水偏少,秋冬土壤补墒不足,是长期影响该地区春季造林成活率的关键所在;各季节的降水变率冬季最大,春季次之,秋季大于夏季;28%变率的降水年际变化是造成该地区防护林林分不稳定的重要原因之一。降水资源及其年际动态仍然是影响林木生长的关键因素。
◆ 在无水分胁迫盆栽试验条件下,研究和对比了树种的蒸腾耗水特性,结果表明,苗木蒸腾速率和气孔导度的的日变化曲线呈单峰型,水分利用效率的日变化趋势为上午时段的水分利用效率明显高于下午时段的水分利用效率,针叶树种的蒸腾速率和气孔导度最低,阔叶树种最高,灌木树种位于中间;各树种苗木的蒸腾速率和气孔导度值由高到低的排序依次为刺槐、白榆、紫穗槐、
黄土半干旱区水土保持林主要树种耗水特性研究
沙棘、山杏、柠条、油松和侧柏;水分利用效率由高到低的排序依次为侧柏、
柠条、油松、刺槐、紫穗槐、白榆、沙棘和山杏。对不同土壤水分条件下树种
苗木的各项生理指标研究表明:随着土壤含水量的增加,大部分树种苗木的蒸
腾速率、气孔导度和水分利用效率随着增加。
,在不同的土壤水分条件下,光合速率对光强的响应曲线不相同,其光
合速率的光响应变化趋势遵循二次项模型。在高土壤水分条件下,光合作用对
光强变化的响应与土壤水分条件基本无关,敏感性较低;随着水分胁迫的加重,
光合作用对光强响应的敏感性增强。
.确定了刺槐与侧柏在干早、半干旱地区以提高水分利用效率为核心的
适宜土壤水分条件和林地土壤水分管理标准:
刺槐适宜的SwC闭值为11.0%~15.5%(近似于田间持水量的52.0%~
74.0%),最适SWC为13.0%(近似于田间持水量的62.0%)左右;所允许的
最大土壤水分亏缺SWC为1众O%(近于田间持水量的48.0%)左右;土壤水合
补偿点为4.55%(近似于田间持水量的21.7%)左右。
侧柏适宜的SwC闭值在9.5%~13.5%(近似于田间持水量的45.0%一
64.0%之间;最适的SwC在10.5%(近似于田间持水量的50.0%)。所允许的最
大土壤水分亏缺SwC为8.5%左右(田间持水量的40.5%);土壤水合补偿点3.91%
(近似于田间持水量的18.6%)左右。
,林地土壤水分季节性变化划分为:冬季土壤水分稳定期(头年12月至
翌年3月上旬)、春季土壤水分损耗期(3月中旬至6月下旬)、夏季土壤水分恢
复期(7月、8月和9月上旬)、秋季土壤水分消退期(9月中旬至n月下旬)4
个阶段。林地土壤水分的季节性垂直变化划分为:土壤水分速变层(0~30cm
左右的土层)、土壤水分活跃层(30~SOcm左右的土层)、土壤水分过渡层(80~
18Ocm的土层)、土壤水分相对稳定层(180cm或更低土层以下)4个层次。
.调查不同密度刺槐林分林下植物状况,研究林下植被对林地土壤水分
环境的指示作用,随着林分密度的增大,其土壤水分、光照强度有显著减小的
趋势,林下植被的种类和数量减少,物种丰富度和物种多样性指数降低,逐步
由典型的中生植物向早生植物过渡,反映出高密度林分林地土壤的水分竞争激
烈,渐渐出现干早、半干早地区成龄人工林土壤干化的现象。
.提出以光合速率和叶片水分利用效率为指标的土壤水分生产力分级标
准,界定出“无产无效水”、“低产低效水”、“中产高效水”、“高产中效水”
“高产高效水”的概念及其土壤水分临界含水量。
分析表明:各试验林分绝大部分时间林木生长都处于较严重的土壤水分胁
迫状态;除在水分条件较好的8月、9月时间里,土壤含水量能达到或接近“高
产高效”土壤含水量之外,其它时间均处于“低产低效水”的水分范围之内。
摘要
.通过土壤蒸发与水面蒸发、土壤水分的关系,建立了土壤蒸发模型,
并根据林内外的太阳辐射比例关系计算相应的林地土壤蒸发
【关键词】：适宜土壤含水量 土壤水分有效性 林分蒸腾量的模拟 林分蒸散量 测算方法 【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2005
【分类号】：S727.22
【目录】：
- 摘要4-8
- ABSTRACT8-17
- 1 引言17-35
- 1．1 林木耗水的概念18-20
- 1．2 不同尺度的植物蒸腾耗水研究综述20-27
- 1．2．1 叶片蒸腾耗水研究20-21
- 1．2．2 单株蒸腾耗水研究21-23
- 1．2．3 林分尺度的蒸腾耗水研究23-25
- 1．2．4 区域尺度的植物蒸腾耗水研究25-26
- 1．2．5 SPAC水分传输综合模拟法26-27
- 1．3 植物蒸腾作用与影响因子相互关系的研究27-30
- 1．3．1 生物因子的影响27-29
- 1．3．2 环境因子的影响29-30
- 1．4 国内植物蒸腾耗水研究现状30-32
- 1．5 问题与展望32-35
- 2 研究目的意义和研究内容35-37
- 2．1 研究目的意义35
- 2．2 研究内容35-36
- 2．3 关键技术36-37
- 3 研究地区概况37-42
- 3．1 地理位置和自然概况37-39
- 3．2 试验地布设及其基本概况39-42
- 3．2．1 试验地和田间实验条件39-40
- 3．2．2 盆栽试验40-41
- 3．2．3 试验地测位布设41-42
- 4 研究方法42-48
- 4．1 试验观测方法42-46
- 4．1．1 土壤水分42
- 4．1．2 土壤蒸发42
- 4．1．3 气象要素42-43
- 4．1．4 树木水分生理43-44
- 4．1．5 林木生长44-46
- 4．1．6 数据统计处理46
- 4．2 技术路线46-48
- 5 研究地区的降水资源条件48-57
- 5．1 半干旱地区的环境特点48-50
- 5．2 研究地区的降水资源分布特征50-55
- 5．2．1 资料及计算方法50-51
- 5．2．1．1 所用资料50
- 5．2．1．2 方法选择50-51
- 5．2．2 年降水量分布特征与变化规律51-52
- 5．2．3 月降水量的分布特征与变化规律分析52-54
- 5．2．4 年内季节降水量分布特征及变化规律分析54-55
- 5．2．5 研究区的降水保证率55
- 5．3 小结55-57
- 6 主要造林树种的水分生理生态特性研究57-71
- 6．1 盆栽苗木的水分生理生态特性57-64
- 6．1．1 充分供水条件下苗木水分生理特性57-62
- 6．1．2 不同土壤水分条件下苗木蒸腾作用的比较62-64
- 6．2 光合作用的光响应64-69
- 6．3 小结69-71
- 7 林木生长适宜的土壤水分条件71-90
- 7．1 土壤水分对光合作用的影响72-77
- 7．2 土壤水分对蒸腾作用及气孔运动的影响77-81
- 7．3 土壤水分对水分利用效率的影响81-83
- 7．4 土壤水分对光合作用的影响机理83-86
- 7．5 刺槐、侧柏适宜土壤水分条件86-88
- 7．6 小结88-90
- 8 试验林地土壤水分状况及土壤水分有效性评价90-107
- 8．1 林地土壤水分动态90-100
- 8．1．1 土壤水分的季节性动态91-93
- 8．1．2 林下植被对不同密度林地土壤水分环境的指示作用93-98
- 8．1．2．1 研究内容与指标选取94-95
- 8．1．2．2 林分种类对林下植被的影响95-96
- 8．1．2．3 林下植被层物种多样性特征96-98
- 8．1．3 土壤水分的垂直动态98-100
- 8．2 林地土壤水分有效性及其生产力分级评价100-104
- 8．2．1 林地土壤水分有效性及其生产力分级标准102-104
- 8．2．2 林地土壤水分有效性及其生产力评价104
- 8．3 小结104-107
- 9 试验林地的林木耗水和林地蒸散107-163
- 9．1 生长季林地土壤蒸发109-116
- 9．2 林木蒸腾耗水量116-142
- 9．2．1 生长季林木蒸腾耗水量的测定和计算116-139
- 9．2．1．1 应用理论和方程117-119
- 9．2．1．2 各计算参数的确定：119-132
- 9．2．1．3 计算验证：132-133
- 9．2．1．4 计算结果：133-139
- 9．2．2 林木叶面积生长与林木蒸腾量关系139-142
- 9．3 蒸散耗水和水量平衡142-160
- 9．3．1 蒸散耗水的测定计算142-148
- 9．3．1．1 土壤水动力学蒸散计算原理142-143
- 9．3．1．2 土壤水分特征参数143-144
- 9．3．1．3 计算结果144-148
- 9．3．2 两种蒸散量计算方法结果比较148-152
- 9．3．3 植树带水量平衡152-154
- 9．3．4 潜在蒸散量154-160
- 9．3．4．1 林木需水量与潜在蒸散量154-155
- 9．3．4．2 潜在蒸散量的计算155-160
- 9．4 小结160-163
- 10 结论与建议163-173
- 参考文献：173-186
- 附录186-190
- 作者简介190-191
- 导师简介191-192
- 获得成果目录清单192-193
- 致谢193
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