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北京山区典型森林生态系统水分运动过程与机制研究

贾剑波  
【摘要】:森林与水关系研究是森林生态系统中经久不衰的研究热点,为了研究华北地区森林生态系统中的水分运动过程与运动机制,本文以北京山区侧柏林、油松林、栓皮栎林等典型林分为研究对象,利用首都圈森林生态定位站的长期的实地观测和隔水控光试验对几种典型森林生态系统的水分运动过程进行研究,并通过冠层结构指标和生理指标特征变化以及与水分运动的响应关系进一步揭示森林生态系统水分运动的机制,力求揭示华北地区森林生态系统内林水关系全部水文过程和部分生理驱动机制,同时为指导该地区生态功能导向性森林植被建设提供科学依据。主要研究结果如下:(1)2008-2015年北京山区年降水量约539.64mm,略低于北京地区多年平均降水量(580mm),降水相对变率和变异系数较小。以小于30mm的小雨或中雨为主(占年场次的80%);对年降水量贡献最大的大雨和暴雨(占年降水量的50%);水平降水主要由植物表面和土壤表面的凝结水和表层土体吸附水构成。非生长季土壤吸附水为水平降水的主体,而生长季以凝结水为主,两个组分在生长季和非生长季呈现相反的规律,年水平降水量占年降水量的3-5%,非生长季的平均为24.0±1.5mm,而生长季只有8.0±0.5mm。空气温度、土壤温度和风速与水平降水量呈现负相关;80cm土层处存在土壤水分亏损,在针叶林中表现明显。(2)树干液流速率与蒸腾速率晴天变化都呈现先增大后减小的单峰趋势,蒸腾量与空气温度、太阳辐射、饱和水汽压差、土壤含水量和土壤温度都存在较强的相关性,空气温度相关性最高。北京山区全年蒸腾量约500mm左右,生长季蒸腾量约占全年的80%;土壤日蒸发量在介于0.68~1.51mm之间,高于枯落物蒸发量,生长季土壤蒸发量在100mm左右。典型晴天下蒸散日变化表现为双峰曲线,生长季蒸散量大于非生长季,侧柏全年蒸散量约为570mm左右,生长季450mm左右,占全年70%以上。空气温度、冠层净辐射、土壤含水量、相对湿度等与蒸散量相关性高。(3)乔木体内储水呈现季节性变化,生长季内储水量随时间逐渐减小,而非生长季相反。乔木体内日净储水量0-0.04mm之间,乔木体内储水呈现季节性变化,生长季内储水量随时间逐渐减小,而非生长季相反;土壤层(每层20cm)储水量全年在15-30mm之间,表土壤储水量在6、7、8月波动较大,而对于下层土层而言,各层常年稳定在20mm上下;根际区全年平均68mm左右;对根际区上升日平均补给量1.7mmm;从水量平衡来看,北京山区典型森林生态系统5年平均水分输入量为543.26-600.44mm,输出量为562.56-621.76mm,研究期内垂向水量收支大致平衡。(4)冠层气孔导度、大气水汽通道调控系数与蒸腾速率的变化趋势一致。在日内呈现先增加后减小的趋势。从月季变化来看,差异性不大,生长季的变化幅度略微高于费生长季。阔叶的冠层气孔导度高于针叶林地。温度、相对湿度和VPD与冠层气孔导度间表现出较强的相关性,但相关性仅限于一定范围内。叶面积指数在一定范围内对水平降水、土壤含水量起到部分调控;水分利用效率与气孔导度呈负相关关系,且气温控制其峰值的大小,辐射控制峰值出现的时段。


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