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辽西低山丘陵缓坡林地土壤水分动态及其植被承载力研究

刘青柏  
【摘要】:土壤水分是限制干旱半干旱地区植被恢复和重建的主导因子,研究林地土壤供水与林木需水之间的动态平衡关系,对于提高森林植被的稳定性和生产力、加快生态脆弱区的植被恢复具有重要意义。本文以辽西低山丘陵缓坡林地油松刺槐混交林、油松纯林、刺槐纯林、西伯利亚杏纯林为试验对象,通过野外定位观测试验和盆栽试验,进行了土壤水分动态、林木耗水特性和林地植被承载力的研究。试验在北票市林木良种繁育中心进行,设置了4种林分类型固定试验地,以无林地为对照,观测内容主要包括土壤水分、树干液流及气象因子等;布设油松、刺槐和西伯利亚杏盆栽试验,测定各树种在不同水分梯度下水分生理及光合生理参数。主要研究结果如下:(1)不同林分类型土壤水分相关物理性状。总体看,在0-20 cm和20~40 cm两个土层内油松刺槐混交林持水性、渗透性、土壤有机质含量和d0.01 mm的粒级含量高于各类型纯林,纯林高于无林地,油松刺槐混交林为该地区水土保持林的最优林分类型。采用指数模型θ=ae-bs模拟了4个林分类型和无林地的土壤水分特征曲线。确定了各林分类型的土壤萎蔫系数,分别为:油松刺槐混交林3.95%,油松纯林4.30%,刺槐纯林4.70%,西伯利亚杏纯林4.00%和无林地4.80%。(2)不同林分类型土壤水分时间动态特征。土壤水分日变化方面,在晴天的夜间,土壤0-20 cm土层含水量保持较高数值,白天呈“V”字形变化;阴天时,变化趋势与晴天相似,但程度上大幅减弱。土壤含水量日变化与大气温度呈极显著负相关,与大气相对湿度呈极显著正相关。根据森林土壤水分季节性变化特点,将其划分为4个时期,分别为:土壤水分消耗期(4月至5月),土壤含水量低、变化幅度较小;土壤水分恢复期(6月至8月),土壤含水量高,波动较大;土壤水分消退期(9月至10月),土壤含水量由高转低逐渐消退;土壤水分稳定期(11月至翌年3月),土壤冻结,土壤水分变幅很小。用灰色关联分析法对土壤表层含水量的影响因子进行分析。有降水天气条件下气象因子与土壤表层含水量季节变化的关联度:林内温度大气温度相对湿度风速,分别为0.88、0.81、0.77和0.72;无降水天气条件下:风速相对湿度林内温度大气温度,分别为0.92、0.86、0.74、0.61。构建了4种林分类型和无林地0-20 cm土壤含水量季节变化的时间序列模型ARIMA(1,1,1)。(3)不同林分类型土壤剖面水分动态分布特征。总体看,土壤剖面自然含水量大小排序为:油松刺槐混交林西伯利亚杏纯林、油松纯林刺槐纯林无林地。变异系数大小排序为:无林地油松纯林刺槐纯林西伯利亚杏纯林混交林;构建了4个林分类型和无林地的以0-10 cm、10~20 cm和20~30 cm三个土层含水量估算30~100 cm剖面土层含水量的线性回归方程,将大幅降低观测工作量;通过聚类分析将土壤剖面划分为三个水分变化特征层次:土壤水分速变层(0-30 cm),特点为土壤含水量均值较高,全年变异系数较大;土壤水分稳定层(60-100 cm),土壤含水量均值较高,变异系数较小;土壤水分过渡层(30~60 cm),土壤含水量均值低,变异系数处于前两者之间。采用半方差函数模型描述了土壤含水量水平空间分布特征。(4)不同树种耗水特性。采用热扩散探针法(TDP)进行了树干液流观测,油松、刺槐和西伯利亚杏树干液流呈现出明显的日变化特征,夜间的液流密度极小甚至降至为0,白天晴天时树干液流密度变化呈宽峰型单峰曲线,阴天呈锯齿状多峰型,雨天基本上无液流活动。生长季各月份晴天时液流密度日均峰值为:油松刺槐西伯利亚杏;采用时间序列模拟了3个树种液流密度的季节变化;空气温度、光照强度、水汽压亏缺与树干液流呈显著正相关,空气相对湿度与树干液流呈显著负相关,构建了基于环境因子变化的3个树种树干液流预测模型。(5)土壤水分对林木树干液流和光合生理的影响。土壤剖面水分动态对不同树种树干液流密度影响差异较大:在0-100 cm土层深度内,对于油松和刺槐,有较深层次土壤水分与树干液流关联度大的趋势;对于西伯利亚杏,0-60 cm土壤各层次水分状况与树干液流关联度大。土壤水分对林木光合指标的影响存在阈值效应,各树种的净光合速率Pn和水分利用效率WUE随土壤含水量的增加而加大,当土壤含水量到达一定的阈值以后,Pn和WUE又逐渐减小。采用聚类分析方法将土壤水分有效性进行了分级,划分为高产高效水、中产中效水、中产低效水和低产中效水4个等级。(6)土壤水分植被承载力。建立了3个树种生长期内各月份的树干日液流量(y)与树干直径(x)关系的指数模型,估算了3个树种不同径阶单木耗水量。对试验林土壤水分有效性进行了动态评价,结果表明,试验林在土壤水分恢复期内林地土壤水分可达到中效水和高效水范围,在土壤水消耗期和消退期,林地土壤含水量较低,但高于萎蔫系数,为决定植被承载力的关键时期。提出了以现有试验林密度为基础,以土壤水分消耗期的有效水分储量和土壤水分消退期、消耗期的单木耗水量为依据确定密度的增减,进而确定最大承载力的方法。估算了油松、刺槐和西伯利亚杏不同径阶的最大保留密度,分别为:油松径阶在10-22cm范围内承载力1621~294株·hm-2,刺槐径阶在10-24cm范围内承载力2069~287株·hm-2,西伯利亚杏径阶在6-14cm范围内承载力4186~1059株·hm-2。为辽西地区林分密度管理提供了参考依据。综上,本研究揭示了研究区域不同林分类型土壤水分时间动态和剖面分布规律,划分了4个土壤水分时间动态时期和3个土壤剖面水分分布层次,明晰了主要造林树种耗水特性,量化了林木需水定额;提出了林地土壤水分生产力分级标准,为土壤水分有效性评价提供了依据;提出了林地植被承载力的估算方法,估算了油松、刺槐和西伯利亚杏不同径阶的最大保留密度。研究结果为该地区林地土壤水分高效利用和森林可持续经营提供了科学依据。


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