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六盘山北坡叠叠沟小流域华北落叶松生长及水分影响研究

管伟  
【摘要】: 本文在处于半干旱区的六盘山北坡的叠叠沟小流域研究了当地主要造林树种华北落叶松的生长及其耗水规律,定量分析了水分条件等主要环境因素对生长的影响,详细刻画了华北落叶松在水分限制条件下的生长过程与特点。有关结果充实了半干旱地区林水相互关系研究中水分驱动植被生长方面的内容,利于促进发展半干旱地区森林植被建设和管理的理论与技术,提高林水协调管理的水平,为当地植被恢复与植被建设提供科学指导。主要研究结论为: 1.华北落叶松树干的年内径向变化规律 径向变化由真正的生长和水分引起的胀缩两部分组成,具有明显的日变化和季节变化。日变化主要受树干含水量直接影响,随天气类型和太阳辐射而变化:晴天时,直径变化可分出明显的膨胀、生长和收缩阶段;阴天时,直径在夜间膨胀生长,白天的收缩阶段表现为弱,树干直径基本不变;雨天时,树干吸水使直径持续增大,直至雨停,只要日降水量≥5 mm,直径日变化量就明显大于正常值。季节变化主要决定于生长,生长速率表现为前期快后期慢,可分为三个阶段,在迅速生长(5~6月)、缓慢生长(7~8月)和生长基本停止(9~10月)阶段,对应的12棵不同大小样树的直径日平均变化量分别为38.1μm、9.2μm和-3.9μm,其中9~10月份的负生长是由树干缩水引起的,2006年生长季(5月5日~10月28日)的生长量平均为2419.3μm。 2.不同因素对华北落叶松径向生长的影响 树木个体生长和空间特征的影响:在年内直径迅速生长阶段,所有生长特征(胸径、树高、冠幅、冠厚等)均与树干径向变化极显著正相关,其中胸径和树冠特征的影响高于树高特征;空间特征(竞争指数、大小比数、空间距离、胸径分化度)中只有竞争指数具有显著负影响。在缓慢生长阶段,各生长特征均存在极显著正相关,冠幅和树高的影响增强;而空间特征中仅有空间距离呈显著正相关。在生长基本停止阶段,所有树木生长和空间特征均无显著影响。 土壤水势的影响:若以日内时间尺度分析,直径变化对同期土壤水势变化的响应不显著;但随时间尺度增加到日、3日和旬,二者相关性逐渐增强,达到显著相关,尤其是40~100 cm土层;若以月为时间尺度时,则只在60~80 cm土层显著相关。综合来看,3~10日是研究土壤水势与树干直径变化的合适时间单位。 有效影响土层及其季节变化:由于存在土壤水分供给限制,树干直径变化的有效影响土层具有明显的季节变化。对不同土层日耗水量与直径日变化量的相关分析表明:5月份土壤水分条件较好,1 m土层平均水势为-182.1 KPa,0~40 cm土层为有效影响土层;6月份水势降为-323.9 KPa,有效土层下移到80~100 cm;7月份随水势继续下降(-515.3KPa),在降雨首先补充上层土壤和表层土壤大量蒸发的共同影响下,有效土层回升到40~60 cm;8月份随着进入1年中降水最多的时期,土壤水分条件得到好转,水势回升到-438.2 KPa,但由于暴雨多,土壤水分条件变化剧烈,难以看出明显的影响土层;9月份由于降雨的累积,1 m土层水势上升到-320.5 KPa,有效土层则恢复到0~40 cm,该土层对应的土壤水势为-49.9 KPa;10月份以后树干直径停止生长,且随土壤和大气湿度降低出现收缩,土壤水分消耗和直径生长间不再具有相关关系。 气象条件的影响:1)日变化影响:太阳辐射量和空气温度均只在5~6月份对直径日变化存在显著影响,并存在1~5 d的滞后;降水量和空气湿度则在整个生长季内具有显著影响且无滞后;饱和水汽压差与直径变化呈显著正相关,并滞后1~5 d,其相关性弱于空气湿度;风对直径变化影响不显著。2)月变化影响:各因子按影响显著性排序为太阳辐射>大气水势>空气湿度>最大风速>饱和水汽压差>平均风速,气温、土温以及降水量的月变化影响十分不显著。综合来看,水分因子尤其是空气相对湿度在整个生长季内是影响直径生长的限制性因子,而太阳辐射和气温仅在生长季前期具有影响。气象因子对直径生长的影响还与林木个体优势度有关,优势木对温度变化的响应更明显;但在具有明显个体差异的林木之间,它们的树干直径生长与降水量、空气湿度等表示水分条件的气象因子之间的相关程度并没有明显差别,说明水分因子对树干直径生长具有最重要的影响。 3.华北落叶松树干液流特征及影响因素分析 树干液流速率的日和季节变化:晴天条件下,树干液流速率白天呈单峰型,夜间仍有0.1 cm/min的微弱液流;阴天液流速率到达峰值的时间比晴天滞后2 h,而且峰值存在不同程度的降低;液流速率在降水过程中降到夜间水平,但降水结束后则视天气条件马上恢复到阴天或晴天的相应水平。典型晴天时,9株样木树干液流速率在直径迅速生长、缓慢生长和基本停止生长阶段平均峰值分别为0.510、0.412、0.219 cm/min,日均值(24小时)则分别为0.152、0.120和0.105 cm/min。生长季内单株样木平均累积液流量在三个生长阶段分别为773.38、688.90和479.71 L。 树木个体生长和空间特征的影响:各特征对液流速率均没有显著影响,但由于林木大小与边材面积成比例,各生长特征均与树干液流通量显著相关,且树木个体差异很大,如胸径17.7 cm的样木平均液流通量为13.845 L/d,而胸径5.7 cm的样木则为5.294 L/d。在考虑林木直径的影响时,能大幅改善树干液流累积量的拟合程度。 土壤水分的影响:5~8月份,树干液流主要与根系层(0~40 cm)或其中某些土层的水势显著相关,即根系层的土壤水分对树木蒸腾具有限制作用;9月份各土层水势与树干液流速率均无显著相关,10月份的相关性进一步下降,表明在雨季后土壤水分条件改善以后没有明显的限制土层。 气象条件的影响:5~9月份,太阳辐射对树干液流速率具有极显著影响,是主导因子;空气温度仅在5月份呈极显著正相关;土壤温度的相关性不如气温显著;空气湿度则呈极显著负相关;降水过程中的瞬时树干液流速率显著降低;但在阵性降水的日期内,日均液流速率同降水量呈正相关,可能是对降水输入提高土壤水分的响应;大气水势和饱和水汽压差同树干液流速率均呈正相关,但6月份和8月份的影响不显著;风速对树干液流速率的影响不明显。 通过对树干液流速率的拟合,计算出0~100 cm土壤水势、日太阳辐射量和日均气温对树干液流速率的最大影响范围分别为1.876、0.055和0.048 cm/min,说明土壤水分是影响林木蒸腾的最主要因子。 对液流速率和累积液流量的模拟:建立了太阳辐射量、1 m土层水势和空气平均温度的日值与日均树干液流速率的回归方程,R值为0.832,将回归方程系数表现为树木生长和空间特征(胸径、冠幅、冠厚、空间距离和竞争指数)的函数;并基于液流速率的拟合方程进一步建立了生长季树干液流累积量的拟合方程,R值为0.826。此外,利用树木胸径和累积时间为自变量建立了另外一个树干累积液流量回归方程,其R值为0.859。 4.华北落叶松径向生长(变化)的模拟 径向日变化:1)利用日太阳辐射量作为自变量,建立华北落叶松径向生长(变化)的拟和方程,回归方程系数表示为胸径和冠幅的函数,R值为0.905。2)利用空气湿度作为自变量拟合,回归方程系数表示为胸径和胸径分化度的函数,R值为0.881。3)在直径生长的不同阶段分别选择主要影响因子建立了树干直径日变化回归方程。其中,在直径迅速生长阶段,选择空气湿度、日均气温、日均风速和饱和水汽压差作自变量,回归方程系数表示为胸径和冠幅的函数,R值为0.813;在直径缓慢生长阶段,选择日降水量、空气湿度和大气水势作自变量,回归方程系数表示为胸径、冠幅和空间距离的函数,R值为0.830;在直径基本停止生长阶段,选择日降水量、1 m土层水势和日最大风速作自变量,回归方程系数表示为胸径、冠幅和空间距离的函数,R值为0.801。 径向累积生长量的拟合:1)以时间作自变量,回归方程系数表示为胸径和冠幅的函数,R值为0.937。2)以太阳辐射量的累积值作自变量,回归方程系数表示为胸径、冠幅和胸径分化度的函数,R值为0.857。3)以日均气温的累积值作自变量,回归方程系数表示为胸径和冠幅的函数,R值为0.892。4)将不同直径生长阶段的由环境因子拟合的日变化方程累加,得到整个生长季的树干直径累积变化方程,R值为0.888。⑤以华北落叶松累积蒸腾耗水量为自变量,回归方程的系数表示为胸径的函数,R值为0.849。 5.华北落叶松的连年生长规律及影响分析 连年高生长和直径生长:按年高生长速率,可划分为缓慢生长期(栽植后5年)和迅速生长期(5~20年),坡下位林木在缓慢生长期内的年均高生长为0.34 m,迅速生长期为0.54 m。造林后10 a内,坡上位林木生长最缓,年均高生长0.272 m,坡中位林木最快,为0.538 m,而坡下位林木生长速度中等,平均为0.423 m。华北落叶松连年地径(离开地面15cm的生长锥测定值)生长速率也表现为坡中位最快,年均生长1.2 cm,坡上位其次,小于1.0 cm,而坡下位最慢,只有0.4 cm。 连年高生长的影响因素:相同立地同龄林木高生长受林木生长和空间特征影响,对造林后20 a的年均高生长,各特征按影响排序为竞争指数>胸径>冠层厚度,其他因子没有显著影响,但冠幅和空间距离的相关系数相对较高。不同立地同龄林木的高生长同土层厚度呈正相关,其次受林分密度影响。气象因子中,前一年生长季降水量的影响最大,当年高生长随着生长季之前12个月的平均温度升高而增加,其它因子没有显著影响。 连年直径生长的影响因素:1)受林分密度制约,密度适中、林分相对郁闭利于生长,如坡中位的林木;密度过低,未形成森林环境,则生长缓慢,如坡上位林木;密度过高,则限制生长,如坡下位林木。2)受土层厚度影响,坡上位样地,土层薄(30 cm),水分保存和供给能力低,抑制了直径生长。3)胸径、树高、冠幅和冠厚均与直径生长呈正相关。4)直径生长同当年生长季前的气象因子相关性不高,而主要受当年生长季的水分条件影响。


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