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《中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心》 2017年
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黄土高原退耕还林的土壤水分效应研究

张晨成  
【摘要】:近年来黄土高原大规模的退耕还林使得该区成为我国植被变化最剧烈的地区。然而,造林后土壤水分供给负反馈导致土壤干层在黄土高原广泛出现。同时气候暖干化更加剧了森林需水与土壤供水之间的矛盾,危及区域水资源供给安全。如何利用有限水资源维持黄土高原人工林生态系统持续发展是目前该区生态建设的重要目标,而其核心就是土壤水分。因此,研究退耕还林的土壤水分效应,在理论上有助于揭示人工林生态系统水源涵养机理,在实践上对于该区有限水资源利用,以及对人工林管理具有重要的现实意义。本论文以黄土高原人工林生态系统为研究对象,对人工林0~5.0 m土层的土壤水分进行了大面积调查研究,定量分析了不同土层影响土壤水分分布及主要因素,研究了南北样带土壤干燥化效应及影响因素,动态监测并分析了林下植被和去除林下植被小区尺度土壤储水量的变化特征及其影响因素,通过分析小区尺度上层林木降水再分配过程土壤水分净输入(指除去冠层截留净输入土壤的水分)、地表径流和生长期剖面土壤储水量变化的基础上,根据水量平衡原理对林下植被的蒸散耗水特征及其影响因素进行了研究,同时结合生态疏伐管理研究了不同疏伐处理下人工林土壤水分平衡,所取得主要结论如下:1.评估黄土高原退耕还林的土壤水分效应。人工林土壤含水量普遍低于农地,土壤储水量平均减少169.6 mm。3.0~4.0和4.0~5.0m土层土壤储水量比1.0~2.0、2.0~3.0 m浅土层要损失量最大,土壤储水量消耗随着土层深度增加而增加。不同降雨区土壤储水量消耗不同。降雨量550mm区域,土壤储水量损失的最高,为214.7 mm,450~550 mm区域土壤储水量损失195.7mm,450 mm区域土壤储水量减少的最少,仅为36.0 mm。土壤水分消耗与退耕前土壤水分、降雨量、气温和坡度呈显著正相关。2.评估不同土层土壤水分空间格局的主导因素。不同类型人工林地土壤水分分布不同。土壤含水量表现为经济林生态林灌木,深层土壤水分变异性较大。降雨量和粘粒含量对不同土层土壤水分分布格局影响最大。随着土层深度增加,局地因素对生态林土壤水分影响较大,气象因素对经济林土壤水分影响较大,而在灌木地局地影响和气象因素差异不大。3.南北样带土壤干燥化效应及影响因素。在垂直方向上,剖面土壤含水量逐渐减小,土壤水分亏缺严重,形成土壤干层。土壤干层平均厚度为289.1 cm,干层平均含水量为7.7%,干层起始平均深度为151.9 cm。不同降雨区土壤干层有较大的变异性,由湿润区到干旱区,土壤干层水分先减小后增加。环境因子解释的变异性对土壤干层总变异性的比例为38.0%。局地因素单独解释变异性比例(16.5%)大于气候因素单独解释的变异性比例(4.2%)4.坡面尺度退耕还林的土壤水分效应。距边坡越远土壤储水量愈高,300 cm处样点可代表测定尺度下土壤储水量的平均值。在垂直方向上,边坡增大了土壤水分的变异性。不同植被类型下,土壤水分空间分布格局受植被类型主导,沟道、坡位、微地形等因素处于次要地位。5.黄土区人工林林下植被对土壤水平衡的影响。人工刺槐林地,穿透雨占林外降雨量比例约87.3%,其次为冠层截留占林外降雨量比例约为10.4%,茎干流最小约占林外降雨量比例的2.3%。观测期内上层林木蒸腾耗水量约为265.0mm,林下植被蒸散耗水量约为120.5 mm,林下植被蒸散耗水量约占生长期森林耗水量的31.3%。6.生态疏伐对人工林土壤水平衡的影响。整个观测期内,疏伐40%和90%处理土壤水分分别亏缺82.4 mm和38.5 mm。随疏伐程度增加土壤水分消耗减小。同时随着疏伐增加到90%时,林下植被蒸腾耗水增加52.5 mm。林下植被蒸腾的增加抵消了疏伐林分的水分蒸腾部分。综上所述,黄土高原大规模退耕还林消耗了深层土壤水分,土壤水分严重亏缺形成持久的土壤干层,对区域人工林生态系统产生深刻影响,同时林下植被蒸散耗水是人工林生态系统不可忽视的水分耗损项,对该区进行生态疏伐可以显著改变土壤水分循环过程。
【学位授予单位】:中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S714

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