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《西北农林科技大学》 2019年
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黄土丘陵区典型植被枯落物分布特征及其水文效应

王忠禹  
【摘要】:枯落物是生态系统的重要组成部分,黄土丘陵区典型植被枯落物分布特征及其水文效应的研究可为区域退耕还林(草)工程生态成效及修正土壤侵蚀预报模型提供理论基础。本研究以黄土丘陵区典型植被枯落物为研究对象,通过野外调查对11种植被(刺槐、油松、沙棘、柠条、狼牙刺、杠柳、铁杆蒿、白羊草、鹅观草、狗尾草和茵陈蒿)地表枯落物蓄积量和土壤中枯落物混入量进行系统研究,分析枯落物蓄积量分布特征,明确土壤中混入枯落物所占比重;通过坡面样线法研究了4种典型植被(刺槐、柠条、铁杆蒿和白羊草)地表枯落物和土壤中枯落物坡面分布特征,量化枯落物(地表枯落物蓄积量和土壤中枯落物混入量)对土壤理化性状的影响及其函数关系;通过定点监测对6种典型植被(刺槐、油松、沙棘、狼牙刺、铁杆蒿和白羊草)枯落物年凋落量、凋落器官组成及凋落动态规律进行分析,以期阐明区域植被枯落物初级生产力及其生态系统发展可持续性;通过浸泡吸水研究地表枯落物、土壤中枯落物、凋落物器官和逐月凋落物持水和拦蓄能力,旨在阐明枯落物的降雨拦蓄及水土保持效益;通过水分蒸发监测试验测定7种典型植被(刺槐、油松、柠条、沙棘、狼牙刺、铁杆蒿和白羊草)枯落物的水分蒸发性质及混入土壤对土壤水分影响特征,以期为进一步发掘植被枯落物的生态服务功能研究提供理论依据。研究结果表明:(1)典型植被样地枯落物总蓄积量为261.07~1860.69 g·m~(-2),枯落物广泛存在于各植被样地表层土壤(取样深度为0~5 cm,调查深度小于2.29 cm),土壤中枯落物混入量占枯落物总蓄积量的21%~73%。受径流冲刷和泥沙分离—输移—沉积过程的影响,枯落物沿坡面分布存在较强的差异性,枯落物覆盖量和混入量均表现为坡下高于坡上,分别是其1.04~2.48倍和1.04~1.41倍,而枯落物覆盖量和混入量在坡中波动较大。枯落物混入土壤对土壤理化性状有显著影响,表现为土壤容重、粘结力和水稳性团聚体几何平均直径(WAS-GMD)随枯落物混入量的增大而线性降低(p0.01,n=40),土壤有机碳和全氮含量在铁杆蒿和白羊草样地中随枯落物混入量的增大而线性增加(p0.05,n=10)。(2)典型植被样地枯落物年凋落量为66.68~473.50 g·m~(-2),其中落叶是最主要的凋落物,分别占其枯落物凋落总量的48.17%~91.09%;枯落物逐月凋落量为1.86~160.21 g·m~(-2),呈现单峰型、双峰型及不规则型的年动态变化特征,包含了凋落的高峰期、平缓期和间歇期三个阶段;乔、灌植被枯落物凋落主要集中在生长期,占到年凋落量的81.50%~89.74%,而草本植物和油松枯落物的凋落在生长期和休眠期差异不明显;总体而言,枯落物年凋落量占蓄积量的10.09%~35.83%,植被枯落物周转期为3.79~10.91 a,分解速率表现为灌木乔木草本。(3)典型植被枯落物持水量随浸泡时间呈对数函数增加(R~2≥0.79,p0.01)。对于洗出的土壤中枯落物,其最大持水量为3.90~6.03 g·g~(-1),均显著高于地表枯落物最大持水量(1.56~2.91 g·g~(-1);p0.05);而当枯落物混入土壤后,其持水量为0.86~2.07 g·g~(-1),整体比地表枯落物有效持水量低了15.73%。由于枯落物器官在密度、比表面积和结构特征等方面存在显著差异,其持水性也存在较大变化,各植被枯落物不同器官最大持水量为为1.20~4.35 g·g~(-1)。受到枯落物凋落节律的影响,逐月凋落的枯落物最大持水量存在显著季节变化,其变化范围为1.19~3.95 g·g~(-1)。(4)枯落物径流拦蓄量为2.56~30.73 t·hm~(-2),其中土壤中枯落物径流拦蓄量占总拦蓄量的14%~78%。凋落物全年径流拦蓄量为1.33~13.33 t·hm~(-2),其中落叶拦蓄总量最大,占凋落物总拦蓄量的57.19%~86.12%;总体而言,全年凋落物径流拦蓄量占枯落物径流总拦蓄量的8.84%~52.47%,植被的差异造成枯落物凋落量的不同,进而对植被枯落物水土保持功能产生影响。(5)当降雨结束后,吸水饱和的枯落物持水量随时间呈指数函数降低(R~20.98,p0.01)。受枯落物所处环境水热条件的影响,枯落物自然环境条件下蒸发速率为0.23~0.70 g·g~(-1)·h~(-1),显著高于室内,是其10.52~22.16倍。此外,自然环境条件下枯落物水分蒸发速率随时间的延长而逐步减小,且两者间存在极限著的对数函数关系(R~20.71,n=12,p0.01);而室内枯落物水分蒸发速率同样则表现为随时间的延长逐步降低趋势,两者间存在显著的指数函数关系(R~20.41,n=20,p0.01)。(6)枯落物混入土壤能显著增大土壤含水量,相较于裸土,枯落物混入可增大土壤含水量3.18%~19.15%。枯落物持水性、组织密度和混入量均可显著影响土壤含水量,土壤含水量随枯落物最大持水量和枯落物混入量呈线性或指数函数增加(R~20.94,n=6,p0.01),随枯落物组织密度呈线性降低(R~2=0.76,n=6,p0.01),另外,枯落物混入土壤土壤含水量与裸土含水量的差值,随裸土含水量的增大而线性增大(R~20.16,n=25,p0.05或R~20.28,n=18,p0.01)。研究表明,在蒸发量较大的环境下,枯落物混入能增大土壤降雨拦蓄量(1.75~5.82%),在蒸发强度较小的环境下,枯落物混入土壤相比裸土土壤水分流失降低2.30%~10.88%。枯落物的蓄积是一个逐年累积的过程,不同植被间枯落物覆盖量和混入量存在差异,其沿坡面分布也存在较强的差异性;枯落物广泛存在于表层土壤(0~5cm),土壤中枯落物混入量可占枯落物总蓄积量的21%~73%。凋落物主要由落叶组成,是枯落物蓄积的主要来源;受植物生长节律和植被类型的影响,凋落物组成及其凋落量具有明显的季节变化。受枯落物组成、形态特征及凋落节律的影响,其持水性也存在显著差异,进而影响其拦蓄能力。枯落物混入土壤后,其持水量较地表枯落物有效持水量低了15.73%,其径流拦蓄量占总拦蓄量的14%~78%。此外,枯落物混入土壤能显著增大土壤含水量,相较于裸土,枯落物混入可增大土壤含水量3.18%~19.15%,且土壤含水量随枯落物最大持水量和枯落物混入量呈线性或指数函数增加,随枯落物组织密度呈线性降低。本文通过对该区域典型植被枯落物分布、凋落、持水、拦蓄、蒸发及混入表土水分响应等性质的深入研究,明确了枯落物在降雨拦蓄、涵养水源、防治水土流失等方面发挥着重要作用。
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