六盤山疊疊溝坡面生態(tài)水文過程與植被承載力研究.pdf

1、考慮林水矛盾和優(yōu)化林水相互關(guān)系是在西北半干旱地區(qū)進行林業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)時必須重視的核心問題，本文在處于半干旱區(qū)的六盤山北坡疊疊溝小流域研究了當(dāng)?shù)刂饕脖活愋偷纳L及其耗水規(guī)律，有關(guān)結(jié)果充實了半干旱地區(qū)林水關(guān)系研究中植被和水分相互影響的內(nèi)容，利于促進發(fā)展半干旱地區(qū)森林植被建設(shè)和管理的理論與技術(shù)，提高林水協(xié)調(diào)管理水平，為當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)與植被建設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)。主要研究結(jié)論為：
　　1.典型植被樣地的土壤水文物理性質(zhì)
　　不同植被類型的

2、土壤物理性質(zhì)：0~100cm土層平均土壤容重為華北落葉松（0.92 g/cm3）＜虎榛子灌叢（1.03 g/cm3）＜陽坡草地（1.12 g/cm3）＜半陰坡草地（1.15 g/cm3）＜沙棘灌叢（1.16 g/cm3）。土壤非毛管孔隙度大小順序是陽坡草地（10.45％）＞華北落葉松（7.49％）＞沙棘灌叢（5.86％）＞虎榛子灌叢（4.86％）＞半陰坡草地（4.84％）；土壤毛管孔隙度大小順序是虎榛子灌叢（52.9％）＞華北落葉松（5

3、1.1％）＞半陰坡草地（48.38％）＞陰坡草地（46.85％）＞沙棘灌叢（44.65％）；土壤總孔隙度大小順序是華北落葉松（58.59％）＞虎榛子灌叢（57.82％）＞陽坡草地（57.29％）＞半陰坡草地（53.22％）＞沙棘灌叢（50.51％）。
　　不同植被類型的土壤持水性能：土壤毛管持水量的大小順序依次為華北落葉松（511.01 mm）＞半陰坡草地（492.73 mm）＞沙棘灌叢（485.69 mm）＞虎榛子灌叢（476.

4、60mm）＞陽坡草地（468.46mm）。土壤非毛管持水量大小順序依次為陽坡草地（104.49 mm）＞半陰坡草地（78.74 mm）＞華北落葉松（74.81mm）＞沙棘灌叢（52.17mm）＞虎榛子灌叢（43.74mm），其中陽坡草地土壤非毛管持水量遠大于其它樣地的一個重要原因是其土壤石礫含量遠高于其它樣地。土壤最大持水量大小順序為華北落葉松（585.82mm）＞陽坡草地（572.94mm）＞半陰坡草地（571.47mm）＞沙棘灌叢（

5、537.87mm）＞虎榛子灌叢（520.34mm）。
　　地形與土壤物理性質(zhì)的關(guān)系：土層厚度隨海拔升高而降低，隨坡度增加而變薄。土壤容重隨土深增加而逐漸增大。土壤總孔隙度、毛管孔隙度隨坡位下降和坡度增加逐漸減少，并可看出總孔隙度隨植被覆蓋度加大而升高。非毛管孔隙度受多因素影響，但從坡向角度考慮時，陰坡非毛管孔隙度要高于陽坡，這主要是植被根系和土壤生物的影響造成的。陰坡和半陰坡的土壤物理性質(zhì)明顯好于陽坡。
　　2.土壤水分動態(tài)

6、
　　土壤水分變化分期和分層：結(jié)合研究期間降水分布比較了不同典型樣地（0~180 cm）土壤水分的季節(jié)變化，可分為土壤水分積累期、消耗期和恢復(fù)期；不同樣地（0~180 cm）土壤水分垂直變化可大致分為土壤水分速變層、利用層、次要利用層和穩(wěn)定層4個層次。
　　土壤含水量變異系數(shù)的坡面變化：0～100 cm土層的土壤水分變異系數(shù)（CV%）在陰坡從坡下部華北落葉松林樣地（22.4%）向上呈波浪式增加趨勢，到坡頂草地樣地（3-8號樣

7、地）最大（35%），較大的波動對植被生長十分不利；坡下部的華北落葉松樣地（3-3號樣地）變異系數(shù)也較大，這是因該樣地位于林緣附近導(dǎo)致土壤含水量變異程度增加；其他樣地的土壤含水量變異程度相似，變異系數(shù)范圍在16%~22%之間，變化也較平緩；陽坡草地土壤含水量變異系數(shù)沿坡面從下向上呈波浪式增加趨勢，坡底1號樣地最?。?2%），坡頂樣地最大（38.5%），而坡中下部1-3號樣地較?。魂柶缕旅嫱寥浪肿儺愊禂?shù)范圍在22.1%~38.5%之間。半

8、陰坡土壤含水量變異系數(shù)的范圍為23.5%~43%，在坡面呈單峰型變化趨勢，即坡中部的2-3號樣地最大（43%）。
　　不同植被類型均處于土壤水分虧缺狀態(tài)：由于本區(qū)降雨是土壤水分的唯一來源，土壤水分消耗量（植被蒸騰和土壤表面蒸發(fā)量之和）遠大于降水量，導(dǎo)致了土壤水分長期虧缺狀態(tài)。土壤虧缺量的值是指土壤水分含量低于土壤田間持水量的值，其中，不同植被類型樣地的虧缺依次為：虎榛子灌叢＞半陰坡草地＞沙棘林＞華北落葉松林＞陽坡草地。不同植被類型

9、下的土壤水分有效性依次為：陽坡草地＞華北落葉松＞沙棘林＞半陰坡草地＞虎榛子灌叢。
　　3.華北落葉松樹干液流特征及影響因素
　　樹干液流速率的日內(nèi)和季節(jié)變化：在整個生長季內(nèi)，華北落葉松樹干液流速率呈逐漸下降趨勢，最高值出現(xiàn)在5月份（0.22 cm/min），最低值出現(xiàn)在10月份（0.013 cm/min）。不同月份的樹干液流速率的日變化（啟動時間、上升過程、到達高峰時間、下降過程和到達低谷的時間）規(guī)律趨于一致，基本呈單峰型曲

10、線。生長季內(nèi)各月平均液流速率大小順序為：5月（0.27 cm/min）＞6月（0.25 cm/min）＞8月（0.21 cm/min）＞7月（0.2 cm/min）＞9月(0.13 cm/min)＞10月(0.054 cm/min)。
　　土壤水分的影響：土壤水分不僅影響樹干液流速率的峰值，也影響其日進程（啟動時間、上升過程、下降過程等）。干旱條件下的液流啟動時間和速率峰值比濕潤條件下延遲1 h，液流速率變化曲線比較陡峭。無論土壤

11、是干旱還是濕潤，單位邊材面積的日累計液流量的變化過程趨勢基本相同，呈“S”型增長曲線。充足的土壤水分供給可促進植株蒸騰耗水，而在干旱條件時，植株可通過減少蒸騰來維持其生存。
　　樹木生長特征的影響：不同徑階樣樹的液流速率變化過程基本一致，其生長季平均值（0.113 cm/min）也相差不多。但是，由于不同徑階樣木邊材面積相差很大，造成樣木液流通量相差很大。建立了單株液流通量最大值與邊材面積的回歸方程（R2=0.8848）。林分日蒸

12、騰量和葉面積指數(shù)（LAI）不是簡單的正比關(guān)系，當(dāng) LAI小于4時，日蒸騰量大致隨LAI增加而加大；但當(dāng)LAI繼續(xù)增加時，日蒸騰量增大很小，逐漸趨于最大值。
　　氣象條件的影響：在5~9月份，太陽輻射對樹干液流速率有極顯著影響，是主導(dǎo)因子；空氣溫度僅在5月份呈極顯著正相關(guān)；土壤溫度的相關(guān)性不如氣溫顯著；空氣濕度則呈極顯著負相關(guān)；降水過程中的瞬時樹干液流速率顯著降低；但在陣性降水的日期內(nèi)，日均液流速率同降水量呈正相關(guān)，可能是對降水輸入

13、提高土壤水分的響應(yīng)；大氣水勢和飽和水汽壓差同樹干液流速率均呈正相關(guān)，但6和8月份的影響不顯著；風(fēng)速對樹干液流速率的影響不明顯。
　　4.典型植被的降雨截留
　　華北落葉松：華北落葉松林冠的次降雨截留率變化在1.25%~63.5%，截留量變化在0.06 mm~9.20 mm，總截留量為57.22 mm。林冠截留量在低雨量級時隨降雨量增加而加大，但增加幅度有限，越來越趨于飽和截留量；華北落葉松林外降雨與林內(nèi)穿透雨的關(guān)系可表示為一

14、元線形回歸模型（R2=0.9384）。次降水的樹干莖流量所占比重較小，變化在0.001 mm~0.383 mm，平均莖流率為0.2%，樹干莖流率隨次降雨量增加呈線性加大（R2=0.5347）。
　　灌木：虎榛子灌叢的次降雨林冠截留率變化在1.681~24.3%，平均為13.21%，表現(xiàn)為隨雨量級增加呈下降趨勢；次降雨的灌木莖流量變化在0 mm~2.95 mm，平均莖流率為8.52%；沙棘灌叢的次降雨林冠截留量變化在0.511~16

15、.23mm，平均截留率為43.5%；次降雨的沙棘灌叢樹干莖流變化在0 mm~5.26 mm，平均莖流率為14.64%。可見灌木的莖流是水量平衡中不可忽視的重要組分。
　　枯落物截持：對降水量和枯落物截持量進行線性回歸，擬合方程為：0.582I l?1.229?P R2?0.546；一般情況下它的吸水作用是自身的的4倍，持水量相當(dāng)于4 mm的降水。能很好的涵養(yǎng)水源，增加地表入滲的作用。同時，枯落物在釋水過程的6d后，基本達到分干狀態(tài)

16、，而這個過程可以持續(xù)6h左右，枯落物這種緩慢釋水的這種特性，能起到很好發(fā)揮枯落物的涵養(yǎng)水源功能。不同植被類型下枯落物的有效攔蓄深依次為：華北落葉松林地（3.22 mm）＞虎榛子灌叢（3.18 mm）＞半陰坡草地（1.53 mm）＞陽坡草地（0.56 mm）＞沙棘林（0.17）。
　　5.樣地水量平衡分析
　　在綜合生長季內(nèi)降雨截持、植被蒸散和土壤水分變化等研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究發(fā)現(xiàn)華北落葉松人工林樣地水量平衡中喬木蒸騰量最大

17、，占同期降水量的50%~80%；林下土壤蒸發(fā)、植被蒸騰及林冠層降水截留量分別占同期降水量的12%、10%和10%左右；莖流量、降水產(chǎn)流量均較少，不到同期降水量的1%。5月、9月和10月份土壤水分存在虧缺，而6月、7月和8月份同期降水量則可滿足林地水分需求?？傮w上說，整個生長季降水量基本可滿足林地植被的蒸騰耗水，1號樣地（陽坡草地）和2號樣地（半陰坡草地）群落的蒸散量分別為237.8mm和204.2mm，兩個樣地平衡項均為正值。
　

18、　6.坡面典型植被的生長特征
　　華北落葉松高生長：對本研究涉及的陰坡華北落葉松人工林林分，以其年高生長速率可劃分為緩慢生長期（栽植后5年）和迅速生長期（5～20年）。栽植后前10年的平均生長速度以坡上位的6-8號樣地最緩，為0.248 m/a；坡中位的6-5號樣地居中，為0.472 m/a；坡底部的6-1號樣地最高，為0.483 m/a。連年高生長有多種影響因素，相同立地同齡林木的高生長受林木生長和空間特征影響；不同立地同齡林木

19、的高生長同土層厚度呈正相關(guān)，其次受林分密度影響。林分密度與林木高生長相關(guān)性不很高，說明密度不能很好映林木間競爭關(guān)系。
　　陰坡草本植被：陰坡坡面共出現(xiàn)29種植物，各月的物種豐富度均隨坡長增加表現(xiàn)為先升高后降低，呈明顯的單鋒格局，峰值在坡中部出現(xiàn)。物種豐富度最大值出現(xiàn)在生長季中期，而生長季初期和末期最小。陰坡落葉松林下的草本生物量在生長季變化在21.3～337.9 g/m2之間，平均149.9 g/m2。
　　陽坡草本植被：陽

20、坡坡面共出現(xiàn)23種植物種類，物種豐富度從坡腳向坡頂呈波浪式逐漸較少趨勢?？偵锪侩S沿著海拔的增加在坡面，生物量呈現(xiàn)出波浪式的變化，其中在坡腳的1-1號樣地最大，生物量最大為2437.5 g/m2；其次是坡中部的1-5號樣地，生物量為1951.3 g/m2，而位于坡下部的1-3號樣地生物量最小，為1230.1 g/m2。地下生物量以則在坡中下部的1-3號樣地最大，坡中上部的1-7號樣地最小。隨著從坡腳沿海拔向坡頂?shù)难由欤?個不同樣地的地上

21、地下生物量的比值依次分別為：11.36％、25.61％、12.48％、10.64％和20.35％。
　　半陰坡草本植被：半陰坡坡面共出現(xiàn)26種植物，物種豐富度從坡腳向坡中部呈波浪式變動趨勢，而由坡中部向坡頂則逐漸降低?？偵锪垦睾０卧黾映尸F(xiàn)波浪式變化，其中在坡中上部的2-7樣地最大，為2617.8 g/m2；其次是坡底部的2-1號樣地，為1968.3 g/m2；位于坡下部的2-3號樣地最小，為1330.7 g/m2。地下生物量的變

22、化趨勢與總生物量一致，而地上生物量的變化規(guī)律在整個坡面上不很明顯，可見半陰坡草地的總生物量變化趨勢取決于地下生物量變化。由坡腳沿海拔向坡頂延伸，5個不同坡位樣地的地上地下生物量比值依次為19.15％、28.65％、25.91％、13.21％和44.67％。同時也發(fā)現(xiàn)半陰坡草地各樣地的地上生物量也均明顯小于地下生物量。
　　枯落物現(xiàn)存量：不同植被類型下的枯落物現(xiàn)存量大小順序為虎榛子灌叢（2985 g/m2）＞華北落葉松（948.5

23、g/m2）＞半陰坡草地（567.4 g/m2）＞沙棘林（498.1 g/m2）＞陽坡草地（204.5 g/m2）?？萋湮飻?shù)量的坡面分布規(guī)律為：半陰坡草地，坡底的2-1號樣地枯落物現(xiàn)存量最高（567 g/m2），而坡頂?shù)?-8號樣地則較少（110 g/m2）；在陽坡草地，坡底的1-1號枯落物現(xiàn)存量最大（398 g/m2）；在陰坡華北落葉松坡面，枯落物生物量最大值出現(xiàn)在坡中部的3-5號樣地（1486 g/m2），最小值出現(xiàn)在坡頂?shù)?-9號樣