本文關(guān)鍵詞： 土壤水分動(dòng)態(tài) 林木耗水 植被承載力 林分類(lèi)型 半干旱地區(qū)　出處：《沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：土壤水分是限制干旱半干旱地區(qū)植被恢復(fù)和重建的主導(dǎo)因子,研究林地土壤供水與林木需水之間的動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系,對(duì)于提高森林植被的穩(wěn)定性和生產(chǎn)力、加快生態(tài)脆弱區(qū)的植被恢復(fù)具有重要意義。本文以遼西低山丘陵緩坡林地油松刺槐混交林、油松純林、刺槐純林、西伯利亞杏純林為試驗(yàn)對(duì)象,通過(guò)野外定位觀測(cè)試驗(yàn)和盆栽試驗(yàn),進(jìn)行了土壤水分動(dòng)態(tài)、林木耗水特性和林地植被承載力的研究。試驗(yàn)在北票市林木良種繁育中心進(jìn)行,設(shè)置了4種林分類(lèi)型固定試驗(yàn)地,以無(wú)林地為對(duì)照,觀測(cè)內(nèi)容主要包括土壤水分、樹(shù)干液流及氣象因子等；布設(shè)油松、刺槐和西伯利亞杏盆栽試驗(yàn),測(cè)定各樹(shù)種在不同水分梯度下水分生理及光合生理參數(shù)。主要研究結(jié)果如下：(1)不同林分類(lèi)型土壤水分相關(guān)物理性狀�？傮w看,在0-20 cm和20～40 cm兩個(gè)土層內(nèi)油松刺槐混交林持水性、滲透性、土壤有機(jī)質(zhì)含量和d0.01 mm的粒級(jí)含量高于各類(lèi)型純林,純林高于無(wú)林地,油松刺槐混交林為該地區(qū)水土保持林的最優(yōu)林分類(lèi)型。采用指數(shù)模型θ=ae-bs模擬了4個(gè)林分類(lèi)型和無(wú)林地的土壤水分特征曲線。確定了各林分類(lèi)型的土壤萎蔫系數(shù),分別為：油松刺槐混交林3.95%,油松純林4.30%,刺槐純林4.70%,西伯利亞杏純林4.00%和無(wú)林地4.80%。(2)不同林分類(lèi)型土壤水分時(shí)間動(dòng)態(tài)特征。土壤水分日變化方面,在晴天的夜間,土壤0-20 cm土層含水量保持較高數(shù)值,白天呈“V”字形變化；陰天時(shí),變化趨勢(shì)與晴天相似,但程度上大幅減弱。土壤含水量日變化與大氣溫度呈極顯著負(fù)相關(guān),與大氣相對(duì)濕度呈極顯著正相關(guān)。根據(jù)森林土壤水分季節(jié)性變化特點(diǎn),將其劃分為4個(gè)時(shí)期,分別為：土壤水分消耗期(4月至5月),土壤含水量低、變化幅度較小；土壤水分恢復(fù)期(6月至8月),土壤含水量高,波動(dòng)較大；土壤水分消退期(9月至10月),土壤含水量由高轉(zhuǎn)低逐漸消退；土壤水分穩(wěn)定期(11月至翌年3月),土壤凍結(jié),土壤水分變幅很小。用灰色關(guān)聯(lián)分析法對(duì)土壤表層含水量的影響因子進(jìn)行分析。有降水天氣條件下氣象因子與土壤表層含水量季節(jié)變化的關(guān)聯(lián)度：林內(nèi)溫度大氣溫度相對(duì)濕度風(fēng)速,分別為0.88、0.81、0.77和0.72；無(wú)降水天氣條件下：風(fēng)速相對(duì)濕度林內(nèi)溫度大氣溫度,分別為0.92、0.86、0.74、0.61。構(gòu)建了4種林分類(lèi)型和無(wú)林地0-20 cm土壤含水量季節(jié)變化的時(shí)間序列模型ARIMA(1,1,1)。(3)不同林分類(lèi)型土壤剖面水分動(dòng)態(tài)分布特征�？傮w看,土壤剖面自然含水量大小排序?yàn)椋河退纱袒被旖涣治鞑麃喰蛹兞帧⒂退杉兞执袒奔兞譄o(wú)林地。變異系數(shù)大小排序?yàn)椋簾o(wú)林地油松純林刺槐純林西伯利亞杏純林混交林；構(gòu)建了4個(gè)林分類(lèi)型和無(wú)林地的以0-10 cm、10～20 cm和20～30 cm三個(gè)土層含水量估算30～100 cm剖面土層含水量的線性回歸方程,將大幅降低觀測(cè)工作量；通過(guò)聚類(lèi)分析將土壤剖面劃分為三個(gè)水分變化特征層次：土壤水分速變層(0-30 cm),特點(diǎn)為土壤含水量均值較高,全年變異系數(shù)較大；土壤水分穩(wěn)定層(60-100 cm),土壤含水量均值較高,變異系數(shù)較小；土壤水分過(guò)渡層(30～60 cm),土壤含水量均值低,變異系數(shù)處于前兩者之間。采用半方差函數(shù)模型描述了土壤含水量水平空間分布特征。(4)不同樹(shù)種耗水特性。采用熱擴(kuò)散探針?lè)?TDP)進(jìn)行了樹(shù)干液流觀測(cè),油松、刺槐和西伯利亞杏樹(shù)干液流呈現(xiàn)出明顯的日變化特征,夜間的液流密度極小甚至降至為0,白天晴天時(shí)樹(shù)干液流密度變化呈寬峰型單峰曲線,陰天呈鋸齒狀多峰型,雨天基本上無(wú)液流活動(dòng)。生長(zhǎng)季各月份晴天時(shí)液流密度日均峰值為：油松刺槐西伯利亞杏；采用時(shí)間序列模擬了3個(gè)樹(shù)種液流密度的季節(jié)變化；空氣溫度、光照強(qiáng)度、水汽壓虧缺與樹(shù)干液流呈顯著正相關(guān),空氣相對(duì)濕度與樹(shù)干液流呈顯著負(fù)相關(guān),構(gòu)建了基于環(huán)境因子變化的3個(gè)樹(shù)種樹(shù)干液流預(yù)測(cè)模型。(5)土壤水分對(duì)林木樹(shù)干液流和光合生理的影響。土壤剖面水分動(dòng)態(tài)對(duì)不同樹(shù)種樹(shù)干液流密度影響差異較大：在0-100 cm土層深度內(nèi),對(duì)于油松和刺槐,有較深層次土壤水分與樹(shù)干液流關(guān)聯(lián)度大的趨勢(shì)；對(duì)于西伯利亞杏,0-60 cm土壤各層次水分狀況與樹(shù)干液流關(guān)聯(lián)度大。土壤水分對(duì)林木光合指標(biāo)的影響存在閾值效應(yīng),各樹(shù)種的凈光合速率Pn和水分利用效率WUE隨土壤含水量的增加而加大,當(dāng)土壤含水量到達(dá)一定的閾值以后,Pn和WUE又逐漸減小。采用聚類(lèi)分析方法將土壤水分有效性進(jìn)行了分級(jí),劃分為高產(chǎn)高效水、中產(chǎn)中效水、中產(chǎn)低效水和低產(chǎn)中效水4個(gè)等級(jí)。(6)土壤水分植被承載力。建立了3個(gè)樹(shù)種生長(zhǎng)期內(nèi)各月份的樹(shù)干日液流量(y)與樹(shù)干直徑(x)關(guān)系的指數(shù)模型,估算了3個(gè)樹(shù)種不同徑階單木耗水量。對(duì)試驗(yàn)林土壤水分有效性進(jìn)行了動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià),結(jié)果表明,試驗(yàn)林在土壤水分恢復(fù)期內(nèi)林地土壤水分可達(dá)到中效水和高效水范圍,在土壤水消耗期和消退期,林地土壤含水量較低,但高于萎蔫系數(shù),為決定植被承載力的關(guān)鍵時(shí)期。提出了以現(xiàn)有試驗(yàn)林密度為基礎(chǔ),以土壤水分消耗期的有效水分儲(chǔ)量和土壤水分消退期、消耗期的單木耗水量為依據(jù)確定密度的增減,進(jìn)而確定最大承載力的方法。估算了油松、刺槐和西伯利亞杏不同徑階的最大保留密度,分別為：油松徑階在10-22cm范圍內(nèi)承載力1621～294株·hm-2,刺槐徑階在10-24cm范圍內(nèi)承載力2069～287株·hm-2,西伯利亞杏徑階在6-14cm范圍內(nèi)承載力4186～1059株·hm-2。為遼西地區(qū)林分密度管理提供了參考依據(jù)。綜上,本研究揭示了研究區(qū)域不同林分類(lèi)型土壤水分時(shí)間動(dòng)態(tài)和剖面分布規(guī)律,劃分了4個(gè)土壤水分時(shí)間動(dòng)態(tài)時(shí)期和3個(gè)土壤剖面水分分布層次,明晰了主要造林樹(shù)種耗水特性,量化了林木需水定額；提出了林地土壤水分生產(chǎn)力分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),為土壤水分有效性評(píng)價(jià)提供了依據(jù)；提出了林地植被承載力的估算方法,估算了油松、刺槐和西伯利亞杏不同徑階的最大保留密度。研究結(jié)果為該地區(qū)林地土壤水分高效利用和森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供了科學(xué)依據(jù)。
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【學(xué)位授予單位】：沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：S714
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本文編號(hào)：1508263