干旱半干旱地区主要树种叶片水分利用效率研究综述

树种选择是干旱、半干旱地区森林植被恢复与重建的关键环节, 而水分利用效率(WUE)是表征树种抗旱性和水分利用特征的基本生理参数, 是目前树种选择研究中的一个热点和难点问题。文中在介绍树木叶片WUE概念和研究方法的基础上, 从树木叶片WUE在树种和生活型之间的差异和时空变化规律及其对光照、水分、温度、CO₂和O₃浓度等环境因子的响应等方面阐述了干旱、半干旱地区主要树种叶片WUE研究的进展情况, 指出目前树木叶片WUE研究中存在的问题及今后研究展望。     

祁连山2种植被下冻土的季节变化及数值模拟

[目的]探究祁连山地区冻土的季节性变化以及植被对祁连山季节冻土的影响,建立冻土深度与温度的关系。[方法]对比观测了祁连山排露沟小流域的阴坡青海云杉林下土壤和阳坡草地土壤冻结融化过程,定量分析土壤冻结层随季节的变化。[结果](1)祁连山区季节性冻土每年10月中下旬开始冻结,4月冻土层上界面开始融化,8月消融完毕。该冻结融化过程可划分为单向冻结、单向融化和双向融化3个阶段段。(2)青海云杉林内土壤的冻结起始时间与草地土壤基本相同,但冻结速率比草地快,最大冻结深度比草地大;青海云杉林土壤冻结层融化阶段的起始时间亦与草地基本相同,融化速率相近,但青海云杉林下冻土融化持续的时间更长。(3)积温决定土壤冻结融化进程,当冻结小时积温达到约-460℃·h,土壤开始冻结;当小时积温达到约62℃·h,土壤冻结层的上界面开始融化。[结论]土壤冻结层深度与小时积温的相关系数达到0.9以上,可用于预测预报冻土的冻结状态。     

六盘山半干旱区华北落叶松人工林林下日蒸散特征及其影响因子

【目的】在半干旱的六盘山北侧叠叠沟小流域研究华北落叶松人工林的林下日蒸散变化特征,分析其对环境变化的响应规律,以期为准确计算和预测森林蒸散、实现森林精细化管理和缓解林水矛盾提供科学依据。【方法】选择华北落叶松人工林典型样地,在2013年8—10月,监测林内外气象条件,并选取能代表多种气象因子综合作用的潜在蒸散作为影响林下蒸散的气象指标;在样地内代表性地点布设11个微型蒸渗仪,其中5个保持自然状态,6个进行防雨处理,以加大土壤湿度变化范围和利于分析土壤湿度对林下蒸散的影响;逐日监测林下蒸散量和蒸渗仪内土壤湿度;分析林下蒸散对土壤湿度和气象因子的响应规律,在此基础上建立考虑二者综合影响的林下日蒸散模型。【结果】研究期间的林下日蒸散波动幅度较大,但随气温、太阳辐射、降雨量逐渐降低而逐渐减小;林下蒸散明显受到诸多气象因子影响,但主要气象因子存在月份和天气类型差异,从8月份的饱和水汽压差变为9月份的太阳辐射和10月份的日最高气温,多云天为潜在蒸散和太阳辐射,晴天为温度,阴雨天为潜在蒸散;除潜在蒸散这个体现多个气象因子综合影响的气象指标外,土壤湿度也是影响林下蒸散的重要因素,且其影响在防雨和自然处理下表现一致;林下日蒸散随潜在蒸散和土壤湿度增加均呈先快速升高、后缓慢升高、在达某个阈值(日潜在蒸散4.5 mm·d~(-1),土壤体积含水量35%或相对含水量0.56)后趋于平稳的变化趋势;建立了耦合日潜在蒸散(PET,mm·d~(-1))和土壤体积含水量(VSM,%)影响的林下日蒸散(ET_U,mm·d~(-1))模型,并基于实测数据拟合了模型参数:ET_U=(-0.045PET~2+1.392PET)[1-EXP(-1.292VSM)],精度较高(R~2=0.80)。【结论】六盘山半干旱区华北落叶松人工林林下日蒸散量随潜在蒸散和土壤湿度增加而升高,后增速渐缓并在超过阈值后趋于平稳,综合考虑这二者影响的林下蒸散模型能准确计算和预测林地蒸散。     

六盘山半干旱区华北落叶松林土壤水分时空变化与影响因素

分析森林土壤湿度时空变异规律,研究植被蒸腾、林地蒸散和气象因子对土壤湿度的影响,对干旱地区的植被恢复、林水协调管理和植被生态水文功能提升都有重要意义。在宁夏六盘山北侧半干旱的叠叠沟小流域,建立了华北落叶松人工林标准样地,利用气象站、热扩散探针、微型蒸渗仪、时域反射仪等设备,同步监测了2013年7—10月的气象条件、林木蒸腾、林地蒸散、土壤湿度的动态变化,并分层(0—20,20—40,40—60,60—80cm)探讨了土壤湿度的主要影响因子。结果表明:(1)受随机降雨事件影响,土壤湿度呈现相应的脉冲性变化;整体而言,表层(0—20cm)土壤湿度(32.69%)较低,以下各层较高(40.00%左右);土壤湿度的变异程度随土层加深和降雨增大而逐渐减弱。(2)影响土壤湿度的主要气象因子为温度、饱和水汽压差和气压;林木蒸腾和林地蒸散与整个研究期间主根系层(0—60cm)土壤湿度的相关性显著。(3)土壤湿度与各因子的相关系数随土层加深而变小,在主根系层明显,在以下土层(60—80cm)不明显。综上可知,森林土壤湿度同时受降水输入和蒸散输出影响,各土层湿度的时间变化规律相似;但表层土壤的湿度低、变幅大,土壤湿度对影响因子的响应敏感性和变幅随土层加深而逐步缩小。     

六盘山南部华北落叶松人工林土壤有机碳含量

研究造林措施和林龄对宁夏六盘山南部不同坡向华北落叶松人工林土壤有机碳的影响。结果表明:造林后,各坡向的土壤有机碳含量均呈现先下降、后上升的变化过程,其对造林干扰的敏感程度随土层加深而减弱;在阳坡半阳坡,造林10年后的幼龄林0～45cm土层土壤有机碳密度(96.33t·hm-2)仍低于灌丛(122.12t·hm-2),造林20年后的中龄林(189.27t·hm-2)已高于灌丛,说明土壤碳库已得到恢复;在阴坡半阴坡,幼龄林和中龄林的土壤碳密度分别为192.37和222.03t·hm-2,均低于天然次生林(256.64t·hm-2),说明造林20年后土壤碳库仍未恢复;阳坡半阳坡林地在造林后第8年0～45cm土层有机碳含量降至最低,相对阳坡灌丛(32.13g·kg-1)的降幅为3.72g·kg-1,需在造林后第16年才能恢复到造林前的灌丛水平;阴坡半阴坡林地在造林后第16年降至最低,相对阴坡次生林(66.30g·kg-1)的降幅为22.77g·kg-1,需在造林后第32年才能恢复到造林前次生林水平;阴坡造林后,其土壤有机碳比阳坡损失量大,损失期长,恢复较慢,但阴坡土壤碳库的绝对值在任何林龄阶段都高于阳坡,说明阴坡森林土壤的碳储存能力高于阳坡;在阳坡半阳坡灌丛采用扰动较弱的稀植造林时,造林后第10年0～45cm土层有机碳含量平均为31.05g·kg-1,虽仍低于灌丛(35.55g·kg-1),但却远高于扰动较强的全面整地后常规密度造林(23.17g·kg-1)。     

宁南山区华北落叶松林枯落物水文特征研究

森林枯落物层具有重要的生态水文功能,对六盘山北侧叠叠沟小流域华北落叶松林下枯落物吸水速率、释水速率和截留降雨动态变化及其影响因素进行了研究.结果表明,枯落物吸水速率与浸泡时间呈对数函数关系,释水速率与时间呈幂函数关系.枯落物饱和持水能力较强,可达到自身重量的4倍.对生长季内枯落物持水量动态变化的观测表明,当长时间无雨时,持水量显著下降;当降雨发生时,持水量迅速增加,这种动态过程随着降雨发生而不断重复.此外,由于林冠下穿透降雨分布不均匀和前期枯落物干燥,有时可出现枯落物透过雨量大于降雨量的现象.对枯落物持水量与环境因子的相关分析表明,持水量与林内降雨量呈显著正相关(P<0.01),而与林内气温、太阳辐射、风速、大气水势和饱和水汽压差呈显著负相关(P<0.01).     

祁连山区林地的土壤贮水量坡位响应

同一坡面上不同坡位土壤贮水量差异的研究,有助于了解坡面土壤水分分布特征,指导坡面植被恢复和坡面治理.对祁连山排露沟小流域阴坡上不同坡位土壤水分差异,分析表明:1)生长季平均土壤贮水量自坡上到坡下呈“单峰”变化:坡中和坡中下最高,分别为201和198 mm;坡中上和坡下次之,分别为177和175 mm;而坡上最少,为159 mm.2)6月、7月和9月,坡中、坡中下土壤贮水量显著高于其他坡位.5月和8月,不同坡位土壤贮水量差异较小,但坡中、坡中下土壤贮水量仍略高于其他坡位.3)在任何天气条件下,不同土层土壤贮水量沿坡面的变化规律均表现为自坡上到坡下呈“单峰”变化.0 ～ 30 cm土层土壤贮水量,在持续无雨、小雨或连阴雨的天气条件下,均表现为坡上最低,坡中最高.30 ～ 80 cm土层的贮水量,在不同天气条件下,坡中和坡中下的土壤贮水量总量最高;在持续无雨或小雨的天气下,坡中上最低;连阴雨的天气条件下,坡上最低.因此,中坡位由于接收坡上来水,水分条件最好.这说明在坡面尺度上进行林业管理时,考虑不同坡位的水分条件,合理管控不同坡位林分密度,有利于实现林-水可持续发展.     

六盘山主要植被类型的生物量及其分配

2009年,在宁夏六盘山南部林区香水河小流域,调查研究了主要森林类型的生物量及其层次和器官分配。结果表明:不同森林的活体植被总生物量(t·hm^-2)差别较大,依次为华山松(102.70)>桦木林(84.42)>山杨林(79.97)>华北落叶松人工林(58.37)>疏林(44.91),按各类森林面积加权平均为78.37,远高于灌丛(20.77)、草地(1.07)和草甸(2.29)。各类森林的枯落物现存量(t·hm^-2)为:华北落叶松人工林(18.21)>华山松林(11.99)>桦木林(10.90)>山杨林(7.67)>疏林(7.06),也都远高于灌木林(3.13)、草甸(0.82)和草地(0.49)。森林生物量集中在乔木层(占91.04%),灌木层仅占8.09%,草本层更低至0.87%。森林生物量的器官分配比例:乔木层为树干(54.06%)>枝(21.04%)>根(16.92%)>皮(5.34%)>叶(2.65%);灌木层为枝干(62.68%)>根(30.55%)>叶(6.77%);草本层为地上茎叶(58.82%)>根(41.18%)。乔木层地上与地下生物量比值的平均值为4.49,几种阔叶林都在4.0左右,但华北落叶松林为6.41,华山松林为5.80,都远大于灌木林的2.82、草地的1.89及草甸的1.20。不同林分的生物量均随林龄和林冠郁闭度的增大而几乎线性增加,并随林分密度的增加而增大,但在密度超过900株·hm^-2后生物量增速减缓并渐趋其最大值。     

六盘山华北落叶松林的结构随林龄变化及其水文影响

[目的]探讨林分结构随林龄的变化及其所带来的水文影响,为六盘山半干旱区森林植被建设和经营管理提供理论依据。[方法]在六盘山半干旱区叠叠沟小流域,以主要人工林类型—华北落叶松人工林为研究对象,基于1993—2002年的日气象数据,应用林分结构耦合模型和BROOK90生态水文模型,通过情景模拟,得到植被结构(平均树高、胸径、郁闭度、LAI)随林龄的变化,及其对水分平衡分量(截留量、蒸腾量、土壤蒸发量、产流量)的影响。[结果]华北落叶松林随林龄的增加可分为快速生长期(林龄5～15 a)、缓慢生长期(林龄15～40 a)和稳定期(林龄大于40 a)。在快速生长期,林分平均树高、平均胸径、郁闭度和冠层LAI均随林龄的增加而快速增大,年均增长率分别为0.48 m·a^-1、0.54 cm·a^-1、0.03、0.19;在缓慢生长期,林分平均树高、平均胸径和郁闭度呈缓慢增大趋势,而冠层LAI则呈先增大后减小的趋势;在稳定期,林分结构基本稳定。在快速生长期,年均截留量和蒸腾量随林龄增加而快速增大,年均增长率分别为1.91、24.13 mm·a^-1     

华北落叶松枯落物覆盖对地表径流的拦阻效应

在宁夏固原六盘山叠叠沟小流域坡面径流小区(长0.9 m、宽0.5 m)内进行了10种枯落物覆盖量(0.0、0.5、1.0、3.0、5.0、7.0、10.0、15.0、20.0、25.0 t·hm-2)、5个入口流量(10、20、30、40、60 mL·s-1)的地表径流试验.结果表明:当枯落物覆盖量从0.0 t·hm-2增加到25.0 t·hm-2时,地表径流流速与无枯落物覆盖相比减小了57.50%～72.27%;地表径流流速随入口流量增加而明显加大,尤其是无枯落物覆盖时增加最快;在坡度为14°的条件下,枯落物覆盖对地表径流流速的阻延值△V(cm·s-1)与单宽流量q(mL·s-1·cm-1)、枯落物覆盖量G(t·hm-2)的关系为:△V=3.617 7q0.507 5G0.431 5(R2=0.910 2);枯落物覆盖量增加使地表曼宁阻力系数n值加大,在枯落物覆盖量小于10.0 t·hm-2时,n值随枯落物量增加而急剧加大;当枯落物覆盖量在10.0～25.0 t·hm-2范围内增加时,n值的加大趋势逐渐变缓;n值与枯落物覆盖量之间呈较好的二项式关系.