黄土丘陵半干旱区柠条林株高生长过程新模型

黄土丘陵半干旱区柠条林的株高生长不随时间单调增加,在生长末期因生长动力小于生长阻力,株高随时间小幅度减小。采用宁夏固原上黄生态站柠条林的生长观测资料,以经典Logistic方程为基础,添加了生长阻力因素,建立了柠条林生长的改进模型,使得生长速率在生长末期出现负值;并以高密度柠条成林多年生长观测数据为依据,建立了连年生长模型。用数学建模和统计检验的方法对数据进行处理,其结果表明,改进模型较Logistic方程具有更高的拟合度和相关系数。建立的模型与传统生长方程不同,由于微分方程中引入了阻力因子,故生长曲线中存在极值坐标且不具有严格单调性。将多年的株高生长曲线综合到一个坐标系内后,新模型中位置参数a与内禀生长率b的比值随着生长呈现逐渐增大的趋势。改进模型的生长顶点出现在8月,与柠条林株高的实际生长过程吻合;计算了新模型的生长顶点与生长期结束时的株高的差值,并将该值记为生长损失。由于柠条林的灌丛较为矮小,在越冬时干梢现象对株高的影响不可忽略,该过程导致生长方程中第二年初始点小于第一年最末点;在考虑了该现象后所建立的连年生长模型中,2002年和2003年干稍现象的终止点位于2月,与植物生长的节律吻合。本研究为描述半干旱区灌木林生长过程提供了依据。     

黄土丘陵半干旱区土壤水资源利用限度

以柠条为对象,采用中子水分仪对黄土丘陵半干旱区人工植被恢复过程中土壤水分与植物生长进行长期定位观测.结果表明:撂荒地播种后,随着时间推移,植物群落保持水土能力增强,根系吸收利用水分的土层深度增加、土壤含水量下降.林地土壤出现干层,且干层土壤的深度和厚度逐年增加.植物对土壤水资源的利用限度为干层土壤深度等于最大补给深度时的土壤储水量.在黄土丘陵半干旱区人工柠条林地土壤水资源利用限度是0～290cm土层的土壤储水量为249.4mm.当人工林地土壤水资源接近或等于土壤水资源利用限度时,需要采取措施降低土壤水分消耗,或增加土壤水分补给,维持根系吸收利用水资源的相对稳定.     

枝条覆盖对半干旱黄土丘陵区平茬柠条林地土壤水分的影响

为了研究枝条覆盖对林地土壤水分的影响,提高土壤水分利用效率。2013年5—9月,以半干旱黄土丘陵区平茬柠条林为对象,采用中子水分仪对未覆盖和枝条覆盖林地土壤水分进行定位观测,研究了枝条覆盖对林地土壤水分的影响。研究期间共观测到降雨28次,总降雨量达495.9 mm。未覆盖和覆盖林地降雨补给量与降雨量之间均呈极显著正相关关系。枝条覆盖使林地降水入渗补给系数由0.50增加至0.70,明显提高了林地次降水补给量和入渗深度。覆盖林地各月土壤水分消耗量均高于对照林地,整个生长季,前者比后者多消耗了37.56 mm土壤水分,仅相当于所增加的降雨补给量的1/3。在丰水年,覆盖一直表现出对林地土壤水分的正效应,剖面0—260 cm范围内土壤水分条件有明显改善。     

平茬对半干旱黄土丘陵区柠条林地土壤水分的影响

半干旱黄土丘陵区多年生柠条人工林地发生土壤旱化,研究柠条林平茬对土壤水分影响对于防治土壤旱化具有重要意义。采用中子仪测定土壤水分,对未平茬和平茬柠条林地土壤水分进行测定,分析了平茬对土壤水分的影响。结果表明:未平茬和平茬柠条林地降雨补给量(R₁,R₂)同降雨量(P)显著正相关(P<0.05)。定义降雨耗损量(林冠截留量和地表径流之和)占降雨量的百分比为降雨耗损率,未平茬林地降雨损耗率(L₁)和平茬柠条林地降雨损耗率(L₂)分别与其降雨前土壤表层(0-20 cm)含水量(S₁,S₂)呈明显指数关系(P<0.05):L₁=2.54exp(0.22S₁),L₂=2.40exp(0.27S₂),表层含水量相同时,平茬林地降雨损耗率明显高于未平茬林地。平茬后,林地降雨最大入渗深度减小,土壤水分利用深度减小;短时间内(2个月左右)林地20-160 cm含水量增加,之后平茬林地土壤含水量与未平茬林地土壤含水量接近;丰水年和丰水年后的第一年,平茬林地含水量低于未平茬林地,0-400 cm土壤储水量比未平茬林地最多低45.9 mm。平茬后200-400 cm土层土壤水分有少量增加,但是0-200 cm土层土壤含水量损失更严重。平茬3a后,平茬对柠条林地土壤水分的影响减弱。     

植物生长与土壤水关系调控起始期

确定植物生长与土壤水关系调控起始期是可持续利用土壤水资源的基础.以柠条为研究对象,采用中子仪对黄土丘陵半干旱区撂荒地,1～5年生柠条林生长和土壤水分进行长期定位观测和分析.结果表明:1a内,随着时间推移,柠条利用土壤水分深度从播种时的表层土壤增加到220cm;随着林龄增加,除丰水年2年生柠条林地土壤储水量增加外,柠条利用土壤水分深度和耗水量增加,林地土壤储水量下降.在2004年生长末期,3年生柠条林地100cm土层的土壤含水量低于萎蔫系数,4年生柠条林地土壤旱化加剧,柠条生长与土壤水关系调控起始期是第5年.此时需要调控柠条生长与土壤水关系,采取措施降低柠条水分耗水量,实现土壤水资源可持续利用.     

黄土丘陵半干旱区柠条林密度对土壤水分和柠条生长的影响

研究密度对土壤水分和植物生长的影响对森林植被恢复和生态建设具有重要的意义。以黄土丘陵半干旱区人工柠条为研究对象,对相同立地条件下不同密度柠条林生长与林地土壤水分进行了长期定位观测和分析。研究表明,1—5年生柠条不同密度林地土壤水资源量差异显著,从第3年开始,土壤水资源量随着密度增加而增加;10—12年生柠条密度越低土壤水资源量越高(Treatment4除外,T4),不同密度之间水资源量差异不显著。1—3年生柠条密度越高会促进其株高生长;从第四年开始,柠条密度过高会抑制其株高生长;1—5年生柠条密度越高基径生长越快,不同密度生长差异不显著;10—12年生密度过高(Treatment1,T1)或过低(T4)均会抑制柠条株高与基径生长。在柠条播种后第5年,高密度试验小区(T1和Treatment2,T2)柠条林地最大入渗深度土壤水资源量降到水资源利用限度,此时需要依据土壤水分植被承载力通过平茬来降低林分密度,以达到减少土壤水分消耗和可持续利用土壤水资源之目的。     

半干旱黄土丘陵区撂荒坡地土壤水分循环特征

为深入了解半干旱黄土丘陵区土壤水分循环特征和为开展荒地造林工作提供背景数据,在宁南上黄生态试验站,选取典型多年撂荒坡地,进行土壤水分的长期定位观测,分析其土壤水分补给、消耗特征与时空变异性。结果表明:研究区降雨入渗量和入渗深度随降雨量增加而增加,入渗补给系数约为0.44,雨水资源化率有待提高。定义全年一半以上的次降水事件中能被有效补给的土层深度为降水普遍入渗深度,则研究区降水普遍入渗深度为0—40 cm,观测期内最大入渗深度不超过300 cm。同时,土壤水分的蒸散发量在丰水年平水年干旱年,主要蒸散发作用层位于0—200 cm土层范围内,最大蒸散发深度达到300 cm以下。该区土壤储水量的季节变化为"V"型,剖面土壤平均含水量的垂直变异则呈现反"S"型。土壤水分的变异系数随土层深度的增加表现出幂函数递减趋势,结合有序聚类法的分层结果,可采用0.20和0.05两个CV值将撂荒地土壤剖面划分为水分活跃层(0—40 cm)、次活跃层(40—200 cm)和相对稳定层(200 cm以下)3个层次。     

半干旱区人工林草地土壤旱化与土壤水分植被承载力

近年来在黄土高原地区多年生林草地。出现了以土壤旱化为主要特征的土壤退化现象。退化土壤反过来影响植物的生长和发育,最终将导致植物群落衰败和生态系统的退化,从而影响到林草植被的长期稳定,经济效益和生态效益的持续稳定发挥,这已成为当前林草植被建设的重大问题之一。分析了土壤旱化现象与土壤干层的关系,探讨了土壤干层的划分标准。认为防止土壤旱化的主要措施就是控制林草地密度和生产力,而控制林草地密度和生产力的理论依据就是土地植被承载力。在黄土高原大部分地区植物吸收和利用的土壤水分主要依靠当地的天然降水。土壤水分是限制植物生长的决定因子,该类地区土地植被承载力实质上为土壤水分的植被承载力。作者定义土壤水分植被承载力为土壤水分承载植物的最大负荷。它是指在较长时期内,在现有的条件下,当植物根系可吸收和利用土层范围内土壤水分消耗量等于或小于土壤水分补给量时,所能维持特定植物群落健康生长的最大密度。探讨了土壤水分植被承载力的确定方法和影响因素,认为凡是影响林草地土壤水分的补给和消耗,植物群落生长发育和植物水分利用效率的因素,包括地理位置、地形、气候、植被类型及其发育阶段,抚育管理措施都影响土壤水分植被承载力数值。开展土壤水分植被承载力研究对于林草地合理经营与管理具有重要意义。