晋西黄土区不同密度刺槐林地土壤水分补偿特征

为研究晋西黄土区不同密度刺槐人工林对土壤水分的影响,分别选取2 400株/hm2与1 300株/hm2刺槐人工林代表研究区高、低密度刺槐林分,以裸地为对照,分别利用Enviro-SMART土壤水分定位监测系统和翻斗式自记雨量计对0—150cm深度范围内各土层体积含水量与林外降雨进行定位观测。结果表明:(1)从不同降水年份来看,在干旱年和平水年,低密度刺槐生长季平均土壤储水量高于高密度刺槐,在研究年份中,低密度刺槐多年平均土壤储水量比高密度刺槐多年平均土壤储水量高6.80 mm。(2)在土壤剖面垂直方向,干旱年、平水年高密度刺槐对0—30cm土层土壤水分的消耗高于低密度刺槐,丰水年0—30cm土层土壤水分消耗各刺槐林间差异不显著(P0.05)。(3)综合分析降雨入渗深度、入渗量及雨季土壤水分补偿度等指标,研究区天然降雨可对低密度刺槐林分生长所消耗的土壤水分进行有效补充,不会出现人们所担心的黄土高原在植被恢复过程中会造成水分的不足而导致新的生态退化。但考虑到高密度刺槐林对土壤水分的消耗,建议在研究区进行刺槐林植被建设过程中多考虑采用低密度刺槐林的配置方式。     

晋西黄土区不同密度刺槐林对土壤水分的影响

在晋西黄土区蔡家川流域刺槐林地调查的基础上,选择密度为1 400株/hm2与2 200株/hm2的刺槐林地分别代表研究区低密度和高密度的刺槐林,并以裸地作为对照。通过设立固定样地,定位观测样地0—150cm土层的土壤水分,研究不同密度刺槐林地土壤水分状况及时空变化规律,并以土壤水分亏缺度和补偿度研究试验区降雨对刺槐林地土壤水分补偿与恢复效应。结果表明:(1)低密度刺槐林年平均土壤储水量比高密度刺槐林年平均土壤储水量绝对值高7.49mm,且低密度刺槐林达到土壤适宜储水量的天数比高密度刺槐林多60d;(2)从土壤剖面的垂直方向看,高密度和低密度刺槐林对30—150cm土层土壤水分消耗量无明显差异,但高密度刺槐林对表层土壤(0—30cm)的消耗远大于低密度刺槐林;(3)综合考虑不同降雨强度下土壤水分恢复程度、降雨补偿土壤深度等指标,研究区高密度刺槐林地土壤水分亏缺相对较大,研究区自然降雨不足以充分补给土壤水分,而低密度刺槐林地土壤水分经降雨补给可恢复到较高的水平。总体来看,研究区低密度刺槐林地土壤水分状况较好,建议研究区刺槐林种植密度以不超过1 400株/hm2为宜。     

晋西黄土区人工林地土壤水分特征及其对降雨的响应

为了研究黄土区人工林地土壤水分特征及其对降雨的响应,以晋西黄土区人工刺槐林地、人工侧柏林地、人工刺槐侧柏混交林地为研究对象,利用EnviroSMART土壤水分定位监测系统和翻斗式雨量计对其2014年3月1日—2015年3月31日0—200cm土层的土壤含水量和降雨量进行了连续观测。观测结果表明:(1)人工侧柏林地0—200cm土层蓄水量为496.67mm,刺槐侧柏混交林地为349.88mm,人工刺槐林地为307.48mm。人工刺槐林地较人工侧柏林地和混交林地多消耗189.19mm和42.40mm土壤水分,且多消耗的水分主要来源于深层土壤,这可能导致人工刺槐林地深层土壤"干化"。(2)3种林地0—200cm土层土壤水分的年内变化可以划分为土壤水分消耗期(3—5月)、土壤水分积累期(6—8月)、土壤水分消退期(9—11月)、土壤水分稳定期(12月至翌年2月)。在土壤水分消耗期、积累期和消退期,3种林地土壤水分变化量存在显著差异。(3)在小雨、中雨、暴雨3种降雨条件下,人工侧柏林地对降雨的响应深度最深,人工刺槐林地最浅;对于同一林地而言,降雨的响应深度随降雨量的增加而增加;土壤含水量对单场降雨的响应程度随土层深度的增加而减弱。     

黄土高原人工林深层土壤水分利用研究

探讨黄土高原人工林的深层土壤水分利用状况,对该区植被恢复的可持续发展具有重要意义。以黄土高原半干旱偏旱区、半干旱区、半湿润区的刺槐林和柠条林为研究对象,通过野外实地调查,分析了不同气候区人工林0—800 cm土层土壤水分含量、深层(200—800 cm)土壤水分消耗量及土壤耗水速率,探究了不同气候区人工林对深层土壤水分的影响。结果表明:(1) 3个气候区农地土壤含水量显著高于刺槐林和柠条林。刺槐林、柠条林在2个气候区0—800 cm土层的土壤水分含量变化范围分别为6.64%～11.01%,6.38%～11.41%,均在半干旱偏旱区平均土壤含水量最低。(2)刺槐林和柠条林的深层土壤耗水量、深层土壤耗水速率均以半干旱偏旱区最高,分别为:808 mm,698 mm,32.33 mm/a,31.76 mm/a。(3)人工林在半干旱偏旱区和半干旱区的植物根系较半湿润区活跃,特别是在0—300 cm土层,对土壤水分影响较大。(4)土壤质地是人工林深层土壤水分变化的重要因素之一。黏粒含量与土壤水分呈正相关,砂粒含量与土壤水分呈负相关。半干旱偏旱区、半干旱区、半湿润区的黏粒含量依次增加,砂粒含量则相反。不同气候区人工林对深层土壤水分影响不同,同时受根系和土壤质地影响较大,因此选择合理的人工植被配置模式对深层土壤水的保护和持续利用非常重要。     

黄土半干旱区不同密度刺槐林地的土壤水分动态

 通过对1998—1999年5—10月2个生长季不同密度刺槐林的连续观测,研究林地土壤水分运动规律及年际变化特征。结果表明:春季不同密度刺槐林地的土壤水分差异较小,并有随林分密度增大而减小的趋势,林分密度越小土壤深层储水量越高。不同密度的刺槐植树带随着林分密度的增大,渐渐隐现出干旱、半干旱地区成林的土壤干化现象,而且随着降水的减少和林木个体水分消耗的递增,林分内水分供需矛盾越来越显著。对于自然集水斜坡面积在8m2以上的刺槐植树带内,深层土壤水分能得到较好的补偿。随着林分密度的增大,林下植被种类和数量越来越少,逐步由中生植物向旱生植物过渡,其生物总量、盖度、长势和植物体含水量也随之降低,反映出林地土壤的水分环境容量随林分密度变化的特征。     

陕北黄土区人工刺槐林地土壤水势特征

为了研究黄土区人工林地土壤水分特征曲线及土壤水势特征,以陕北黄土区人工刺槐林地为研究对象,利用中子水分仪和中国科学院地理科学与资源研究所设计的负压计,对其2015年4月1日—2015年10月31日0—200cm土层的土壤含水量和土壤水势进行了连续观测,并运用灰关联法分析了表层(0—40cm)、中层(50—120cm)、深层(130—200cm)及4—10月土壤水势灰关联度。结果表明:(1)陕北黄土区人工刺槐林地各土层土壤水分特征曲线可用Gardner模型幂函数方程θ=aS-b进行拟合,拟合参数a值大小为表层土壤(0.103 8)中层土壤(0.094 4)深层土壤(0.086 0);b值大小为表层土壤(0.284)中层土壤(0.291)深层土壤(0.298)。(2)通过土壤水分特征曲线求得人工刺槐林地土壤水分常数,田间持水量和凋萎系数的平均值分别为25.53%和8.42%,最大有效水范围平均达17.11%。通常用土壤水吸力为0.1 MPa时,比水容量值来表征土壤供水能力,人工刺槐林地该值的大小表现为表层土壤(56.73%)中层土壤(53.74%)深层土壤(50.84%)。(3)人工刺槐林地土壤水势垂直空间分布表现为表层土壤水势从-0.21 MPa逐层增加到-0.08 MPa,中层土壤水势动态波动较大,整体呈下降趋势,深层土壤水势稳定在-1.14 MPa附近。灰关联度分析得出R12(0.899 8)R23(0.711 5)R13(0.702 8),人工刺槐林地土壤水势表层与中层关系较为密切,深层与中层关系次之,表层与深层关系最差。(4)人工刺槐林地0—200cm土层土壤水势,4—6月呈下降趋势,7—8月显著上升,9—10月再次下降。从各月土壤水势灰关联度来看,R_(10)(0.868 9)R_(05)(0.806 7)R_(09)(0.780 4)R_(07)(0.676 3)R_(06)(0.654 8)R_(08)(0.611 4),人工刺槐林地土壤水势10月,5月,9月变化态势与4月关联度较高;土壤水势7月,6月,8月与4月关联度较差。     

晋西黄土区长期人工林恢复对土壤水分和养分性质的影响

黄土高原地区是我国水土流失和环境问题严重的地区之一,人工植被恢复可以有效改善土壤性质,提高土壤质量,明确长期人工植被恢复后土壤水分和养分性质的响应差异,有利于进一步有效改善生态环境。选取晋西黄土区自然恢复的次生林地、人工刺槐林地、人工油松林地3种典型植被恢复类型为研究对象,通过测定土壤物理性质以及有机碳、氮磷钾元素含量等土壤养分,对比分析长期不同人工林恢复条件下的差异。结果表明:(1)次生林地、刺槐林地和油松林地在0-20 cm浅层土壤的容重分别1.15,1.04,1.06 g/cm³,次生林地的容重最大,土壤容重随着土层深度的增加而增大;(2)次生林地在浅层的土壤水分状况优于刺槐林地和油松林地,土壤水分消耗期(生长季开始前)过渡到积累期(生长期开始)时,次生林土壤水分动态变化更剧烈;(3)次生林地土壤碳储量较高,油松林地土壤氮、磷储量较高。3种林地土壤养分垂直变化差异显著,且均具有明显的表聚性,有机碳、全氮、全磷、速效氮和速效钾含量均随着土层深度的增加而减少,而速效磷含量随着土层深度的变化表现为先增大再减小。以水养条件为依据,建议在植被恢复过程中多以保育次生林为主来达到较好的水碳储量等生态效益,有利于优化晋西黄土区的林分管理,促进植被恢复和生态建设。     

晋西黄土高原水土保持林适宜密度研究

黄土高原区水土流失严重,由于降水、温度等自然气候的限制因素,关于适宜的林分密度的研究至关重要.从林分生长状况,林下枯落物蓄水能力,林下草本植物多样性和林地土壤物理特性等方面,对山西省吉县蔡家川流域不同密度的人工林进行了研究.结果表明,从林分生长状况,恢复地表草本植物多样性,改良土壤物理性质的角度出发,该地区营造刺槐林时密度以1 325株/hm~2为宜,油松林的密度以1733株/hm~2为宜,侧柏刺槐混交林的密度以2 089株/hm~2为宜.从增加林地枯落物的蓄水能力考虑,该地区营造刺槐林时密度以2 133株/hm~2为宜,油松林的密度以2222株/hm~2为宜,侧柏刺槐混交林的密度以2 356株/hm~2为宜.刺槐、油松、侧柏刺槐混交林中,侧柏刺槐混交林地草本植物多样性指数和均匀度指数最高,刺槐林地土壤的非毛管孔隙度最大,土壤涵养水源能力最强.     

黄土丘陵区不同土地利用方式对土壤水分及地上生物量的影响

[目的]研究不同土地利用方式下的土壤水分状况及其与植被群落特征的关系,为黄土丘陵区的植被恢复和重建提供理论依据。[方法]采用野外调查的方法和数理统计分析方法开展研究。[结果]纸坊沟流域主要植被类型的地上干生物量为310.0~10 036.2g/m2,平均地上干生物量由大到小依次为:林地灌木地农田人工草地天然草地。地上鲜生物量与株高存在极显著的正相关关系(R2=0.967 4,p0.01)。不同土地利用方式0—100cm土层土壤含水量较高,且土壤水分变异较大;100cm以下土壤含水量相对稳定,坝地玉米和梯田玉米的极易效水量分别为221.73和221.99mm;柠条和刺槐的土壤含水量最低,土壤水分类型为难效水,分别为311.44和333.09mm;其他6种土地利用方式的土壤水分为中效易效水。[结论]黄土丘陵区人工林灌植被的种植导致深层土壤水分的大量消耗,不利于该区植被恢复和建设的可持续发展。     

黄土区人工林地水分供耗特点与林分生产力研究

通过定位观测,分析了黄土区人工刺槐和油松林地供水与耗水关系、土壤水分动态及林木生长情况。结果表明人工刺槐和油松林4,5,6三个月林地土壤水分消耗大于供给,水分供耗矛盾突出,土壤贮水减少;雨季水分供给充足,土壤贮水增加;在干旱季节和年份,相同条件下,密度大的林分林地水分供耗矛盾突出,林地水分亏损严重;不同坡向,水分亏损量大小顺序为阳坡>半阳坡>阴坡;0～300 cm土层土壤水分调查显示,阳坡、半阳坡密度较大的中林林分林地土壤含水量较低,出现干化现象;从水分生产力来看,由于林地水分供应不足,林木生长不同程度受到限制,林分生产力逐年降低。     

不同密度樟子松固沙林土壤水分特征

[目的]探讨樟子松固沙林合理栽植密度,为进一步深入分析樟子松固沙林水量动态平衡、衰退原因及林分稳定性评价提供参考。[方法]以科尔沁沙地南缘3种密度(400,600和800株/hm2)的33a樟子松固沙林为研究对象,连续监测了生长季降雨、0—200cm土壤含水量、200cm以下渗漏量,分析了3种密度下土壤水分特征及差异。[结果](1)3种密度下土壤水分时空变化趋势基本一致,0—30cm为降雨影响剧烈层,60cm以下受40mm降雨影响,降雨结束后均表现蒸渗型水分消退特征,之后转换为蒸散型;(2)0—200cm土壤体积含水量大小为:400株/hm2600株/hm2800株/hm2,且差异显著(p0.05);(3)200cm以下均有水分渗漏,其中800株/hm2最低,为0.4mm。[结论]丰水年3种密度林分基本能够维持水量平衡,但正常降水或极端降水年份会增加土壤蓄存水消耗,可能出现水分亏缺或衰退现象。建议生产中樟子松固沙林适宜密度应控制在400株/hm2左右。     

川西亚高山不同植被类型土壤贮水与入渗性能试验

为川西亚高山不同植被类型水源涵养效益评价与林分结构合理配置提供科学依据,对亚高山不同植被类型土壤贮水及入渗性能进行研究。结果表明：1）9种植被类型土壤0-30 cm土层滞留贮水量具有极显著差异,变化在363.2-691.1 t/hm^2之间,从大到小排序为原始冷杉林（691.1 t/hm^2）〉云杉林（687.6 t/hm^2）〉落叶松林（659.8 t/hm^2）〉针阔混交林（656.3 t/hm^2）〉灌丛（631.8 t/hm^2）〉针叶混交林（620.8 t/hm^2）〉农田（592.2 t/hm^2）〉刺槐林（393.36t/hm^2）〉荒地（363.2 t/hm^2）。2）根据土壤入渗性能可将9种植被类型分为4类——云杉林、针阔混交林为第1类,入渗性能极强;落叶松林、针叶混交林2个植被类型为第2类,入渗能力强;原始冷杉林、灌丛为第3类,入渗能力较强;刺槐林、荒地、农田3个植被类型为第4类,入渗能力差。3）采用Kostiakov入渗模型反映不同植被类型土壤入渗过程,方程拟合度R2在0.894-0.984（P〈0.01）之间,拟合效果较好,表明该模型可以较好地描述不同植被类型土壤入渗过程。     

大伙房水库流域不同植被类型枯落物层和土壤层水文效应

为了研究大伙房水库流域森林生态系统枯落物层和土壤层水文效应,以流域内3种不同植被类型为研究对象,采用浸泡法、环刀法对其枯落物层和土壤层水文功能进行定量研究。结果表明:(1)3种植被类型枯落物蓄积量为23.20～39.11t/hm~2,表现为刺槐天然次生林油松人工林落叶松人工林,且阔叶林枯落物半分解层蓄积量大于未分解层,而针叶林则相反。(2)枯落物层最大持水量为50.24～109.19t/hm~2,有效拦蓄量为41.70～90.71t/hm~2,均表现为刺槐天然次生林油松人工林落叶松人工林,刺槐天然次生林枯落物层持水功能较好。(3)枯落物未分解层、半分解层分别在浸水10,8h基本达到饱和,持水量与浸水时间呈明显对数关系(R20.91);枯落物在浸水1h内吸水速率变化最大,4h左右吸水速率明显减缓,吸水速率与浸泡时间呈明显幂函数关系(R20.93)。(4)3种植被类型土壤容重均值变化范围为1.10～1.25g/cm~3,总孔隙度变化范围为27.96%～30.19%,土壤有效持水量变化范围为21.11～29.39t/hm~2,不同植被类型土壤层持水能力表现为刺槐天然次生林油松人工林落叶松人工林,土壤入渗速率与入渗时间呈明显幂函数关系(R20.90)。综合3种植被类型枯落物层及土壤层水文功能表明刺槐天然次生林的水源涵养功能较强,建议在该流域加强天然次生林的保护和恢复。     

晋西黄土区典型林地土壤水分变化特征

选择晋西黄土区蔡家川流域5种典型林地(山杨×辽东栎天然次生林、人工油松×刺槐混交林、人工油松林、人工刺槐林、人工侧柏林)作为研究对象,在每块样地中心布设1个土壤水分观测点,采用TRIME-TDR土壤水分测定仪定位观测2016—2018年1—12月的土壤体积含水量,测定深度为200 cm,每20 cm为1个测层,每月分上、中、下旬进行土壤水分含量观测,分析不同林地类型土壤水分年内变化规律和土壤水分垂直变化规律。结果表明:(1)研究区不同林地土壤水分年内变化可以划分为稳定期(1—3月)、波动期(4—6月)、增长期(7—9月)和消耗期(10—12月)4个时期,5种林分类型的年平均土壤储水量按照从大到小的排序为天然次生林地(338.68 mm)>人工油松林地(319.74 mm)>人工侧柏林地(314.15 mm)>人工油松×刺槐混交林地(303.37 mm)>人工刺槐林地(292.03 mm),刺槐林地耗水量最大。(2)在雨季末,研究区5种林分类型林地土壤水分均得到了正向补充,且土壤水分的恢复能力大小排序为次生林地>针叶林地>混交林地>刺槐纯林。(3)研究区土壤水分垂直变化可划分为土壤水分含量速变层和土壤水分含量相对稳定层2个层次;随着土层深度增加,不同林地类型剖面平均含水量总体上先增大后减小。不同林地类型表层土壤水分含量为侧柏林地>次生林地>油松林地>油松×刺槐混交林地>刺槐林地;土壤水分的补充深度为天然林地>针叶林地>油松×刺槐混交林地>刺槐纯林。     

晋西黄土区不同密度刺槐林土壤入渗特征及其影响因素

为研究林分密度对土壤入渗性能的影响,以晋西黄土区5种密度(1 075,1 300,1 575,1 800,2 150株/hm~2)刺槐(Robinia pseudoacacia Linn.)林为研究对象,采用双环入渗法测定其土壤入渗过程,并对入渗特征指标与土壤理化性质的相关性进行分析。结果表明:(1)不同密度刺槐林土壤入渗过程的变化规律一致,均经过瞬间入渗(0～5 min)、缓慢入渗(5～40 min)和稳定入渗(40 min后)阶段。(2)土壤初始入渗速率、稳定入渗速率、平均入渗速率和累积入渗量在不同林分密度下差异显著(P0.05),不同密度刺槐林土壤入渗能力表现为1 075～1 800株/hm~2,随林分密度增大,土壤入渗能力增强,在密度1 800株/hm~2后有减弱的趋势。故从林地土壤入渗能力角度,建议今后研究区刺槐林的经营密度以1 800株/hm~2为宜。(3)采用Kostiakov模型、Horton模型、Philip模型和通用经验模型对不同密度刺槐林的土壤入渗过程进行模拟,从决定系数R~2来看,通用经验模型的R~2最大(0.990),故拟合效果最好,可作为晋西黄土区刺槐林土壤入渗过程的预测模型。(4)土壤入渗与土壤理化性质密切相关,不同密度刺槐林的土壤入渗性能与土壤容重呈极显著负相关(P0.01),与有机质和0.25 mm水稳性团聚体含量呈极显著正相关(P0.01),与孔隙状况和质量含水率也有一定正相关性。     

黄土残塬沟壑区刺槐林枯落物水源涵养功能综合评价

为了对黄土残塬沟壑区刺槐林枯落物水源涵养功能综合评价,并提供以功能导向型的林分改造理论依据。于2017年7—8月在山西省吉县蔡家川流域选取475,900,1 575,1 850,2 525株/hm~2不同密度的刺槐林为研究对象,采用坐标综合评定法对不同密度刺槐林分枯落物层水源涵养功能进行综合评价。结果表明,5种林分密度梯度中,当林分密度为1 575株/hm~2时,刺槐林枯落物层能充分发挥其水源涵养功能,而林分密度过高(2 525株/hm~2)或者过低(475株/hm~2)枯落物发挥水源涵养功能的能力均急剧减弱。为了使刺槐林枯落物水源涵养功能正常发挥,其林分密度应控制为1 500株/hm~2。建议现有林分改造中,宜将刺槐林向该密度进行调控。     

青海云杉造林密度与水源涵养功能的响应关系

以青海省大通县安门滩小流域7种造林密度的青海云杉人工林为研究对象,利用浸水法、环刀法测定林下枯落物、草本层及0—60cm土壤层的持水量,定量评价不同密度的青海云杉人工林水源涵养功能。结果表明:(1)不同造林密度下的林分枯落物最大持水量变化范围为1.97～7.60m3/hm2,枯落物持水量最大的造林密度为1 725株/hm2,造林密度为2 300株/hm2的枯落物持水量最小;不同造林密度的林下草本层持水量变化范围为1.97～7.17m3/hm2,林下草本层持水量最大的造林密度为1 575株/hm2。(2)0—60cm土层的水源涵养功能与土壤物理性质、土壤渗透性及贮水性密切相关,土壤容重的变化范围为1.20～1.43g/cm~3,土壤总孔隙度变化范围为46.53%～53.30%,土壤容重与土壤总孔隙度随造林密度变化趋势呈负相关,密度1 575株/hm~2的林地具有最小的土壤容重和最大的土壤总孔隙度;土壤渗透性能主要取决于土壤的非毛管孔隙度,二者呈显著性相关,密度为1 575株/hm~2的土壤渗透性能最强,密度为2 300株/hm2的林分土壤渗透性最差;0—60cm土层的饱和蓄水量变化范围为2 792.50～3 197.90m3/hm2,造林密度为1 575株/hm2的土壤饱和蓄水量最大。(3)利用林地总贮水量评价水源涵养功能,林地总贮水量大小依次为D1575(3 207.37m3/hm2)D2300(3 164.67m3/hm2)D1900(3 157.17m3/hm~2)D1650(3 141.12m3/hm2)D1475(3 105.91m3/hm2)D1725(2 998.32m3/hm2)D1350(2 803.68m3/hm2)。研究结果说明造林密度为1 575株/hm2的青海云杉林水源涵养能力较好,这与当地2m×3m的造林规格相匹配,为青海黄土高原高寒区的青海云杉人工林可持续经营提供理论依据。