六盘山叠叠沟小流域典型坡面土壤水分的植被承载力

确定土壤水分的植被承载力是我国北方半干旱地区合理调控土壤水分和植被生长关系、科学恢复林草植被的核心问题。我国北方半干旱地区的土壤水分主要来自大气降水, 作为土壤水分限制型生态系统的坡面植被, 植物种类和植被密度等结构特征与降水量紧密相关。根据六盘山石质山区的特点, 基于水量平衡原理, 建立了阴坡华北落叶松(Larix principis-rupprechti)和阳坡草地的土壤水分植被承载力数学模型, 即由4~10月的生长季降雨量(P)计算得到可承载的叶面积指数(Leaf area index, LAI)公式: LAI_tree= exp((0.773 1×P-186.12)/146.46)和LAI_grass= exp((0.511 2×P-345.93)/227.89), 并提出了考虑坡面水分再分配影响的不同坡位的土壤水分植被承载力计算方法。阴坡华北落叶松的植被承载力(用LAI表示)从坡顶的1.45升高到坡中的4.83, 然后稳定在3.0~3.3。对于阳坡草地, 土壤水分可承载的LAI从坡顶的0.37上升到坡中的0.46, 然后在0.41~0.47之间变动, LAI的计算值与实测值较为接近, 计算结果比较合理。     

林冠截持降雨模型的初步研究

通过对林冠截持过程的研究,将单场降雨划分成很多个小的时段,顺序计算各小时段内降雨在林冠内的分配,建立了一个林冠降雨截持模型.模型考虑了冠层和树干干燥度对冠层雨期蒸发的影响,并在计算雨期蒸发时引入冠层叶面积指数、单位林地面积上树干表面积.运用模型对华北落叶松林的降雨截持进行模拟,结果表明,模拟穿透雨与实测穿透雨基本吻合,误差在±1 mm范围内,但在小降雨(＜6 mm)时模拟值偏低;树干茎流量模拟值偏低,茎流模拟相对误差随着降雨量增大而减小.同时模拟了穿透降雨的过程,结果与林内自动气象站实测穿透降雨的过程基本吻合,模拟效果较好.     

不同林龄尾巨桉人工林凋落物和土壤C、N、P化学计量特征

为正确认识桉树(Eucalyptus spp.)人工林凋落物和土壤C、N、P时空分配格局及两者间的关系,对5个林龄尾巨桉林分凋落物及土壤C、N、P含量及化学计量比进行测定分析。结果表明,凋落物的C含量均显著大于土壤,且不同林龄间凋落物C含量无显著差异,1年生人工林土壤表层(0~20 cm)的C含量显著小于3~7年生,其他土层C含量在不同林龄间差异不显著。凋落物的N含量均显著高于土壤,且1年生人工林显著大于其他林龄的,而土壤表层的N含量以7年生人工林最大,1年生的最小。凋落物的P含量除1年生人工林显著大于3年生外,其他林龄间均无显著差异,土壤的P含量在不同林龄间的差异均不显著。凋落物C∶N随林龄呈逐渐增大趋势,且显著大于土壤层。凋落物的C∶P和N∶P在不同林龄间的差异不显著,但均显著大于土壤层。凋落物的N含量与表层土壤的C、N含量呈极显著负相关,凋落物的C∶N与表层土壤的C∶P,N∶P呈显著正相关,表层土壤C、N积累受到凋落物N的制约。因此,在桉树人工林经营管理过程中如何降低凋落物分解的N限制性、提高养分传递效率及合理施肥显得十分重要。     

雷州半岛尾叶桉和湿加松人工林的蒸腾耗水规律

为正确认识大径材桉树及湿加松耗水规律,为地区人工林树种选择、栽培及抚育提供指导,应用TDP热扩散探针技术,对10年生尾叶桉和湿加松树干液流进行连续监测,并同步测定各气象因子,分析了雷州半岛地区尾叶桉和湿加松蒸腾耗水的日变化特征和季节变化规律,并与气象因子建立了相关模型。结果表明:尾叶桉和湿加松边材液流均表现出典型的昼高夜低的单峰型日变化特征,各月平均液流速率不同,且旱雨季差异显著;其中峰值尾叶桉雨季(0.127 cm/min)和旱季(0.096 cm/min)分别是湿加松雨季和旱季的1.30倍和1.57倍;日平均液流速率尾叶桉雨季(0.045 cm/min)和旱季(0.033 cm/min)分别是湿加松雨季和旱季的1.27倍和1.54倍;启动时间和迅速下降时间雨季两树种间差异不大,但旱季尾叶桉要提前湿加松约1—1.5 h启动,并晚0.5—1 h迅速下降。影响两树种边材液流速率的主要气象因子相同。尾叶桉人工林年平均单株日耗水量为12.79 L/d,是湿加松的1.33倍,林分蒸腾耗水量尾叶桉(582.16 mm)和湿加松(483.24 mm),分别占同期年降雨量的34.2%和28.4%,且两树种旱雨季蒸腾耗水量均雨季显著大于旱季。     

雷州半岛桉树人工林凋落物量和养分循环研究

为了解雷州半岛地区桉树人工林凋落物量和养分归还特征,对不同林龄人工林凋落物量和养分动态连续12个月进行监测。结果表明,桉树人工林的凋落物总量为5 a9 a7 a,5 a生桉树人工林的凋落物总量显著高于7和9 a生林分,且7和9 a生林分间没有显著差异。不同林龄桉树人工林凋落物总量具有明显的季节变化,均呈双峰型,峰值出现在雨季初期和末期。林分结构因子同凋落物量相关性不显著,但气候因子中的月均温与凋落物量存在显著正相关关系。不同林龄桉树人工林的养分年循环量由凋落物量和凋落物养分含量共同决定,氮、磷、钾元素的养分年归还总量为9 a7 a5 a,且彼此间达到显著差异。凋落物养分元素归还高峰期集中在雨季前后,以冬季养分归还量较低。因此,为增加桉树人工林产量且利于人工林地力恢复,桉树人工林应适当增加种植年限,且采伐季节选择在冬季。     

三种整地措施下尾巨桉人工林碳储量及其分配格局

以不炼山＋人工穴垦、不炼山＋机械带垦和炼山＋机械全垦3种不同整地组合下的2.5年生尾巨桉人工林为对象,对其碳储量及其分配格局进行研究。结果表明：(1)3种整地组合下尾巨桉各器官碳含量平均值为44.37％~57.42％,大小顺序为叶>干>枝>根>皮,带垦最大(51.21％),炼山全垦最小(49.95％);不同整地组合尾巨桉人工林林下地被物层的碳含量均无显著差异(P>0.05);土壤层(0~100 cm)碳含量均随土层深度的增大而减小,各层土壤平均碳含量总体趋势表现为带垦>炼山全垦>穴垦。(2)穴垦、带垦、炼山全垦措施下乔木层总碳储量依次为18.01、30.49和23.56 t.hm-2,各器官碳储量大小顺序为干>根>叶>枝>皮;除皮外,其余器官碳储量排序均为带垦>炼山全垦>穴垦。(3)尾巨桉人工林生态系统的总碳储量表现为带垦(197.03 t.hm-2)>炼山全垦(161.16t.hm-2)>穴垦(144.77 t.hm-2);不同整地措施碳储量分配格局均为土壤层>植被层>枯落物层。土壤层和乔木层碳储量均是带垦最大,在整个生态系统碳储量中处于主导地位,占整个系统碳储量在93％以上;不同整地组合措施对枯落物层的碳储量无显著影响。因此,从提高尾巨桉林分系统碳储量方面考虑,在雷州半岛及相似立地条件地区进行尾巨桉人工林造林时宜采取不炼山＋机械带垦的整地组合方式。     

雷州半岛尾巨桉人工林土壤呼吸动态变化及其对气象因子的响应

为探讨桉树(Eucalyptus spp.)人工林土壤呼吸及其对气象因子的响应,采用LI-8100A土壤碳通量自动测量系统,对雷州半岛北部尾巨桉(E.urophylla×E.grandis)人工林的土壤呼吸速率进行监测。结果表明,尾巨桉人工林土壤呼吸速率具有明显的时间变化特征,表现为单峰曲线型变化趋势,2016年5月和翌年2月分别达到最高值[(3.17±0.12)μmol m–2s–1]和最低值[(1.18±0.16)μmol m–2s–1],年均值为(2.34±0.70)μmol m–2s–1。根据相关系数,土壤呼吸速率的影响因子以土壤温度气温气压光合有效辐射饱和水汽压差土壤湿度。主成分分析表明,温度、光合有效辐射等引起的热能量变异和土壤湿度等引起的水分变异是土壤呼吸速率的主要影响因子。回归分析表明,气象因子综合模型能解释土壤呼吸速率94.0%的变异情况,模型可靠性较高。尾巨桉林土壤表面全年CO2通量为893.31 g C m–2a–1。气象因子的综合作用能更全面地解释土壤呼吸的时间变异情况。     

华北落叶松人工林蒸散及产流对叶面积指数变化的响应

定量评价林地蒸散和产流等水文过程对冠层叶面积指数(LAI)的响应,对于深入认识森林植被的生态水文过程及其发生机制,实现半干旱区林水综合管理和区域可持续发展是非常必要的。应用集总式生态水文模型BROOK90,模拟分析了不同降水年型(丰水年、平水年、枯水年)下,位于半干旱区的宁夏六盘山叠叠沟小流域内华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)人工林的水文过程对冠层LAI变化的响应关系。结果发现:林分总蒸散量、冠层截留量、蒸腾量与LAI都呈显著的正相关关系(R~20.99,P0.01),而土壤蒸发量、产流量则与LAI均呈显著的负相关关系(R~20.99,P0.01);在不同的降水年型下,各水文过程变量与LAI的关系都可以很好地用指数函数来表达,且都存在着一个LAI阈值。当LAI低于阈值时,各水文过程变量随LAI的变化幅度较大;但高于阈值时,各变量的变化十分缓慢并趋于稳定。在不同降水年型下,各变量LAI阈值之间存在着一定的差异。一般地,丰水年各变量的LAI阈值要大于枯水年,尤其是冠层截留和土壤蒸发。在丰水年,各水文过程变量随LAI增加而变化的速率要比在平水年、枯水年更快,说明在水分充足年份中各变量的波动更多取决于LAI变化,而在水分亏缺的年份中则可能更多地受到水分条件的限制。模拟结果表明,通过减少冠层LAI(如间伐)导致的林分的降低蒸散耗水和增加产流的作用是有限的,这是由于林分蒸散降低的幅度要比LAI降低的幅度小。例如,在平水年,当LAI从4.2变为2.0(减少幅度52.4%)时,林分年蒸散仅从357.2 mm减少至333.9 mm(减少幅度6.5%)。