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《华东师范大学》 2011年
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天童常绿阔叶林不同演替阶段生态水文特征研究

沈会涛  
【摘要】:森林与水的关系一直是森林生态研究的中心议题,森林生态系统对水分的时空分配、传输转换以及水文循环机制的影响是其核心。常绿阔叶林是亚热带地区的地带性植被,在人类干扰下导致这类森林逐渐减少,形成了处于不同退化程度的次生林、灌丛和人工林等。在人类活动频繁的浙东丘陵,既分布着处于不同退化程度的次生林和灌丛,同时也保存着较完好的地带性常绿阔叶林。本研究从常绿阔叶林不同演替阶段生态系统的林冠层、枯落物层和土壤层三个主要层次的水文特征出发,力图系统地探讨不同演替阶段森林类型中水分的时空分布及其蓄持、运移、转换机制,同时对各降雨分量的水化学性质进行研究,旨在揭示亚热带常绿阔叶林生态系统水文变化特征和动态规律,不仅对中国亚热带东部地区的森林生态恢复以及可持续经营具有重要科学意义,也可以为全球的常绿阔叶林研究提供重要的参考价值。 本研究结果主要有: (1)穿透雨空间变异性特征 常绿阔叶林不同演替阶段穿透雨的空间变异系数随降雨量的增加而降低。对穿透雨承接数量估算的结果表明:1)采用Kimmins方程计算,取显著水平α为0.1,可接受误差为10%时,灌丛、木荷林和栲树林穿透雨采样装置数量分别为16、5和4个就能满足穿透雨采样;2)采用Monte Carlo模拟时,取置信区间为95%,当灌丛、木荷林和栲树林穿透雨采样数量分别超过16、10和10个时,不超过5%的误差。 (2)冠层降雨分配特征 灌丛、木荷林和栲树林的穿透雨率分别为66%,55%和77%,不同演替阶段林内穿透雨率随林外降雨量的增加而增大。穿透雨量和林外降雨量呈较好的线性关系(P0.01),关系式为:TF=a+b·PG。 灌丛、木荷林和栲树林的树干茎流量分别占林外降雨量的9%,14%和6%。各林分类型的树干茎流量与林外降雨量之间呈较好的线性关系(P0.01)。在实测结果中,当林外降雨量大于3.3mm时,灌丛林内产生树干茎流;当降雨量为4.1mm时,木荷林和栲树林开始产生树干茎流。 林冠截留率的排列顺序为:木荷林(31%)灌丛(25%)栲树林(17%),林冠截留率与大气降水量呈幂函数关系(P0.01)。利用林冠截留数据进行经验模型拟合,来描述林冠截留量I(mm)与降雨量PG(mm)的关系,结果表明采用幂函数方程(I=a·PGb)的模拟效果较好。 (3)枯落物层水文特征 枯落物层现存量的排列顺序为:木荷林(6.45 t·hm-2)灌丛(6.42 t·hm-2)栲树林(5.71 t·hm-2)。灌丛、木荷林和栲树林枯落物层的最大持水量分别为13.38、11.93和9.39 t·hm-2。3种林型枯落物层的有效拦蓄量分别为8.09 t·hm-2、6.64 t·hm-2和5.03 t·hm-2,随演替进程,有效拦蓄量降低。不同演替阶段枯落物层在前2个小时内持水量和吸水速率增加较快,之后增加趋势明显变缓;持水量和吸水速率与浸泡时间之间的关系式分别为W=a·ln t+b和V=k·tn。 (4)土壤层水文特征 灌丛的平均土壤容重(0.30 cm)最大,为1.17 g·cm-3;木荷林和栲树林的土壤容重均为0.99 g·cm-3。不同林型土壤容重随着土层加深而增大,总孔隙度和非毛管孔隙度均随土层加深呈减小趋势。各林型土壤层(0-30 cm)最大贮水能力在131.66-145.02mm之间,栲树林土壤贮水能力最强,木荷林最弱。有效贮水能力排序为:灌丛(16.43mm)栲树林(12.61mm)木荷林(12.59mm)。 土壤水分的季节变化可分为土壤水分积累期(2008年11月-2009年4月)和土壤水分消耗期(2009年5月-10月),大气降水是土壤含水量变化的主要控制因子。 不同演替阶段土壤入渗特征较为一致,入渗速率随着时间推移而减小,最后达到稳定;表层土壤入渗率较大,随土壤深度的增加,入渗率减小。采用Kostiakov模型和Horton模型这两种经验模型可以模拟不同演替阶段常绿阔叶林土壤层的水分入渗过程。 (5)降雨分量化学特征 大气降雨通过森林冠层后,穿透雨和树干茎流中的化学性质发生变化,这种变化与不同演替阶段森林冠层和树皮表面的特征有关。穿透雨和树干茎流中pH值随演替进程逐渐降低,且均低于大气降雨,表现出明显的酸化现象。穿透雨和树干茎流中电导率随演替进程呈增加趋势。在浓度特征方面,各离子浓度随演替的进程均呈现增加趋势。不同演替阶段穿透雨和树干茎流中Ca2+、SO42浓度与林外雨相比较低,这可能是由于森林冠层和树皮表面对两种离子的吸附作用;进入林内SO42-含量的减少,能有效防止土壤酸化。而K+、Mg2+、Na+浓度均高于林外降雨,表现出养分的富集现象。在年输入量方面,Ca、Na和S元素在不同演替阶段常绿阔叶林中的净输入量为负值;而K和Mg元素净输入量为正值。此外,树干茎流中各养分的输入量明显低于穿透雨,主要是由于茎流量较少,仅占穿透雨量的8-25%。
【学位授予单位】:华东师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:S715

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