大通縣造林樹(shù)種林分結(jié)構(gòu)和土壤水分的關(guān)聯(lián)分析,碩士論文青藏高原東部黃土丘陵區(qū)人工群落發(fā)育和耗水的研究具有復(fù)雜及不可直接觀測(cè)的特點(diǎn)，阻礙了其特征與功能的深切進(jìn)入研究。該區(qū)人工林具有立地構(gòu)造復(fù)雜、土壤貧瘠、樹(shù)種單一等特點(diǎn)，典型造林樹(shù)種有青海云杉〔Piceacrassifolia〕、華北落葉松〔Larixprincipis-rupprechtii〕、青楊〔Populuscathayana〕、白樺〔Betulaplatyphylla〕和祁連圓柏〔Sabinaprzewalskii〕等。青海大通縣位于青藏高原東部黃土丘陵區(qū)，兼有高寒區(qū)和黃土區(qū)的特征，氣候高寒枯燥，地形地貌土石交織，植被環(huán)境脆弱，是典型的水土流失發(fā)生區(qū)。經(jīng)過(guò)近二十年來(lái)退耕還林和封山禁牧等生態(tài)工程的施行，該地區(qū)植被覆蓋度與生態(tài)環(huán)境狀況得到明顯改善，但生態(tài)系統(tǒng)仍然脆弱。本研究針對(duì)青藏高原東部黃土丘陵區(qū)主要樹(shù)種發(fā)育及植被與土壤水分協(xié)調(diào)可持續(xù)問(wèn)題，以青海大通縣黃土丘陵區(qū)主要造林樹(shù)種青海云杉〔Piceacrassifolia〕、華北落葉松〔Larixprincipis-rupprechtii〕、青楊〔Populuscathayana〕和祁連圓柏〔Sabinaprzewalskii〕為研究對(duì)象，利用CNC503DR型中子儀和SFM1SAP植物莖流計(jì)等先進(jìn)試驗(yàn)儀器，同時(shí)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方式方法和多種處理分析軟件，分析不同林齡、坡位條件下林分組成和穩(wěn)定的關(guān)系，研究了主要造林樹(shù)種在不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的林分構(gòu)造和土壤水分合理利用分配情況。這一方面有助于該區(qū)植被建設(shè)中生態(tài)用水量確實(shí)定；另一方面其結(jié)果也將直接對(duì)今后該地區(qū)人工林改進(jìn)、更新起到科學(xué)的指導(dǎo)作用，將有助于促進(jìn)我們國(guó)家黃土丘陵區(qū)人工林近自然化發(fā)展、建設(shè)的科技水平。該研究主要結(jié)論如下：〔1〕大通縣4種主要樹(shù)種林下共發(fā)現(xiàn)高等植物84種，分屬于30科，71屬。華而不實(shí)菊科20種，豆科10種，禾本科7種；因而禾本科，菊科，豆科是該區(qū)的優(yōu)勢(shì)科。以植物多樣性和群落生產(chǎn)力評(píng)價(jià)當(dāng)?shù)?種主要造林樹(shù)種，在造林前期30年中：華北落葉松〔Larixprincipis-rupprechtii〕〔地上生物量最大為21.68kg/m2〕和青楊〔Populuscathayana〕〔地上生物量最大為12.96kg/m2〕對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)群落建設(shè)和改善的效果最為明顯，群落生產(chǎn)力相對(duì)最高?！?〕通過(guò)土壤理化因子和植物多樣性指數(shù)比擬發(fā)現(xiàn)：土壤理化因子間和植物多樣性指數(shù)間具有顯著差異。但土壤理化指數(shù)和多樣性指數(shù)之間沒(méi)有明顯差異性，講明表層植被還在進(jìn)行強(qiáng)烈演替且植被改變土壤理化性質(zhì)需要漫長(zhǎng)的時(shí)間。〔3〕通過(guò)SFM1SAP植物莖流計(jì)測(cè)得華北落葉松〔Larixprincipis-rupprechtii〕和青楊〔Populuscathayana〕人工林樣地日實(shí)際莖流量，然后得出：總體上華北落葉松〔Larixprincipis-rupprechtii〕耗水量大于青楊〔Populuscathayana〕，且耗水量最大的為2002年栽植的華北落葉松〔Larixprincipis-rupprechtii〕中坡樣地〔喬木耗水到達(dá)：269.991kg〕?！?〕通過(guò)用CNC503DR型中子儀對(duì)土壤水分的測(cè)定，得到2021年5月中旬至9月初土壤水分的虧盈值。發(fā)現(xiàn)4種主要樹(shù)種林下土壤水分在生長(zhǎng)季里隨深度和時(shí)間的不同呈波動(dòng)變化，但土壤含水量總體沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重虧損。固然1998年栽植的華北落葉松中坡虧損最嚴(yán)重〔虧損值為0.094mg/cm3〕，但當(dāng)?shù)囟杭窘涤炅俊部偤蜑?.1292mg/cm3〕完全能夠彌補(bǔ)植物生長(zhǎng)季的損耗，實(shí)現(xiàn)土壤水分正向健康發(fā)展。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：高寒丘陵區(qū),土壤理化性質(zhì),典型人工林群落,樹(shù)干莖流,土壤水分AbstractThestudyofartificialcommunitydevelopmentandwaterconsumptioninloesshill-gullyareaintheeastofqinghai-tibetplateauiscomplicatedandcannotbeobserveddirectly,whichhinderingthefurtherstudyofitscharacteristicsandfunctions.Theplantationinthisareahasthecharacteristicsofcomplexsitestructure,poorsoilandsingletreespecies.ThetypicalafforestationspeciesincludePiceacrassifolia,Larixprincipis-rupprechtii,Populuscathayana,BetulaplatyphyllaandSabinaprzewalskii.Datongcounty,locatedintheloesshillyregionoftheeasternQinghai-tibetplateau,isatypicalareawheresoilandwaterlossoccurs.Afternearly20yearsofimplementationofecologicalprojectssuchasreturningfarmlandtoforestsandclosingmountainsandbanninggrazing,thevegetationcoverageandecologicalenvironmentinthisareahavebeensignificantlyimproved,buttheecologicalsystemisstillfragile.Aimingatthedevelopmentofmajortreespecies,aswellasthecoordinationandsustainabilityofvegetationandsoilwaterinloesshillyareaoftheeasternQinghai-tibetplateau,thisstudytakesthemajorafforestationspeciesofPiceacrassifolia,Larixprincipisrupprechtii,PopuluscathayanaandSabinaprzewalskiiasresearchobjects.UsingCNC503DRneutronprobeandSFM1plantstemSAPflowmeterandotheradvancedtestinstruments,usingstatisticalmethodsandtheanalysisofavarietyofprocessingsoftwareatthesametime,theanalysisofforestage,theslopeundertheconditionofdifferentforeststandandstablerelations,studiesthemainafforestationtreespeciesindifferentgrowthperiod,reasonableuseofsoilmoistureinforeststandstructureanddistribution.Ontheonehand,itishelpfultothedeterminationofecologicalwaterconsumptioninvegetationconstruction.Ontheotherhand,theresultswilldirectlyguidetheimprovementandrenewalofartificialforestsinthisareainthefuture,andhelptopromotethescientificandtechnologicallevelofthedevelopmentandconstructionofartificialforestsintheloesshillyregionofChina.Themainconclusionsofthisstudyareasfollows:〔1〕84speciesofhigherplants,dividedinto30familiesand71genera,werefoundunder4majortreespeciesinDatongcounty.Therewere20speciesofcompositae,10speciesoflegumeand7speciesofgramineae.Therefore,gramineae,compositaeandleguminosaearethedominantfamiliesinthisarea.Tovegetationdiversityandcommunityproductivityevaluationlocalfourmainafforestationtreespecies,theforestationintheearly30years:Larixprincipis-rupprechtii(21.68kg/m2)ofmaximizingtheabovegroundbiomassandPopuluscathayana(12.96kg/m2)ofmaximizingtheabovegroundbiomassoflocalecologicalcommunityconstructionandtheimprovementeffectismostobvious,communityproductivityisrelativelyhigh.〔2〕throughthecomparisonofsoilphysicalandchemicalfactorsandvegetationdiversityindex,itwasfoundthatthereweresignificantdifferencesbetweensoilphysicalandchemicalfactorsandcommunityvegetationdiversityindex.However,therewasnosignificantdifferencebetweensoilphysicochemicalindexanddiversityindex,indicatingthatthesurfacevegetationwasstillundergoingintensesuccessionanditwouldtakealongtimeforvegetationtochangesoilphysicochemicalproperties.〔3〕theactualdailystemflowofLarixprincipis-rupprechtiiandPopuluscathayanaplantationsampleswasmeasuredbytheSFM1SAPstemflowmeter,andthenthefollowingconclusionsweredrawn:Ingeneral,Larixprincipis-rupprechtiiconsumesmorewaterthanPopuluscathayana,andthemostwaterconsumptionistheLarixprincipis-rupprechtiimedium-slopesampleplantedin2002(treesconsume269.991kg).〔4〕BymeasuringsoilmoisturewithCNC503DRneutroninstrument,thedeficitvalueofsoilmoisturefrommid-maytoearlySeptember2021wasobtained.Itwasfoundthatthesoilmoistureofthefourmaintreespeciesfluctuatedwiththedepthandtimeinthegrowingseason,buttherewasnoseriouslossofsoilmoisture.AlthoughthemiddleslopelossofLarixprincipis-rupprechtiiin1998wasthemostserious(lossvaluewas0.094mg/cm3),thelocalwinterandspringrainfall(total0.1292mg/cm3)couldcompletelymakeupforthelossofplantgrowthseasonandrealizethehealthydevelopmentofsoilmoisture.Keywords:loesshillyarea;Physicalandchemicalpropertiesofsoil;Vegetationcommunities;Stemflow;Soilmoisture.目錄摘要.......IAbstract.I幅較長(zhǎng),部分內(nèi)容省略,具體全文見(jiàn)文末附件第五章主要樹(shù)種林地水分變化分析降雨、降雪等自然水分循環(huán)經(jīng)過(guò)補(bǔ)給了生態(tài)群落土壤水分，而土壤水分由植物根系吸收，莖輸導(dǎo)組織到達(dá)葉片蒸發(fā)。華而不實(shí)植物根系吸收的99.8%水分都消耗在植物蒸騰，能夠用邊材液流量直接反映樹(shù)木的蒸騰耗水。通過(guò)群落蒸騰耗水和土壤水分研究就能夠得出群落最優(yōu)水分動(dòng)態(tài)平衡，進(jìn)而選擇最適林木、最佳林分密度和優(yōu)化人工林植物搭配，對(duì)高寒黃土丘陵區(qū)生態(tài)環(huán)境構(gòu)建、改善具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。5.1胸徑與邊材面積的關(guān)系邊材面積是計(jì)算整樹(shù)蒸騰的關(guān)鍵參數(shù)，由于胸徑與邊材面積間存在良好的相關(guān)關(guān)系。通過(guò)一定數(shù)量的樣木，建立胸徑與邊材面積的關(guān)系并近而推求林分邊材面積。本研究根據(jù)林分7株青楊的邊材面積和胸徑數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)邊材面積與胸徑之間均存在極顯著的冪函數(shù)關(guān)系；而華北落葉松胸徑和邊材的關(guān)系采用于洋在(青海云杉、華北落葉松邊材液流變化規(guī)律及其與氣象因子的關(guān)系〕一文中得到的關(guān)于青海大通華北落葉松的關(guān)系。詳細(xì)兩種關(guān)系式〔圖5.1〕如下：華北落葉松ASq=0.2207(DBH)2.3729R2=0.9899青楊A(yù)Sq=0.9351(Dq)1.788R2=0.99915.2不同坡位和林齡日實(shí)際蒸騰變化以下圖5.2是標(biāo)準(zhǔn)木青楊〔邊材面積539.08cm3〕和華北落葉松〔邊材面積30.67cm3〕實(shí)際蒸發(fā)量〔Ec/mm〕的典型日變化曲線。從圖5.2和5.3看出生長(zhǎng)季里，華北落葉松和青楊不同坡位、林齡標(biāo)準(zhǔn)木日實(shí)際蒸騰變化均呈現(xiàn)明顯的晝夜變化，呈現(xiàn)單寬峰曲線。通常白天6點(diǎn)左右液流開(kāi)場(chǎng)上升，然后隨著太陽(yáng)輻射的加強(qiáng)，水汽壓差和氣溫的增加，使得液流速率不斷上升，并且在12.00左右到達(dá)其峰值，然后16.00左右開(kāi)場(chǎng)下降，晚上22.00左右速度變慢，直至來(lái)日日出之前到達(dá)最低值，證明夜間有微弱液流存在，這是樹(shù)體水分恢復(fù)和儲(chǔ)水階段，以備來(lái)日耗水之用。但不同坡位、林齡標(biāo)準(zhǔn)木實(shí)際蒸騰值變化呈現(xiàn)出明顯的個(gè)體差異，并能夠看出實(shí)際蒸騰值變化明顯受該天林地土壤含水量和環(huán)境因子的影響，出現(xiàn)小的波動(dòng)。根據(jù)華北落葉松日蒸發(fā)最大值排序分別為：1987年落葉松〔中坡〕2002年落葉松〔中坡〕2002年落葉松〔上坡〕2002年落葉松〔下坡〕1998年落葉松〔中坡〕。根據(jù)青楊日蒸發(fā)最大值排序分別為：2002年青楊〔中坡〕1987年青楊〔中坡〕2002年青楊〔上坡〕2002年青楊〔下坡〕1998年青楊〔中坡〕。5.3林分蒸騰量的估算通過(guò)前人研究和本次實(shí)驗(yàn)得出：林木單株耗水量與邊材面積成一定線性關(guān)系，對(duì)各樣地標(biāo)準(zhǔn)木液流的測(cè)定及林分總邊材面積進(jìn)行估計(jì)，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)得出的邊材面積和莖流的關(guān)系式計(jì)算出各時(shí)段林木蒸騰耗水量。下表5.1和5.2為2021年6月16日到2021年8月7日青楊和華北落葉松樣地〔2020m〕林木總蒸騰量，及半月實(shí)際蒸騰量。由表5.1可知：在青海大通縣華北落葉松樣地喬木實(shí)際蒸騰耗水中，2002年中坡〔269.991kg〕1998年中坡〔169.848kg〕2002年下坡〔108.698kg〕2002年上坡〔54.4kg〕1987年中坡〔45.867kg〕。由表5.2可知：在青海大通縣青楊樣地喬木實(shí)際蒸騰耗水中，1987年中坡〔47.332kg〕2002年中坡〔40.977kg〕2002年下坡〔37.168kg〕2002年上坡〔29.158kg〕1998年中坡〔18.505kg〕。5.4土壤水分土壤水分含量和植被生長(zhǎng)發(fā)育息息相關(guān)。土壤水分的狀況及其變化決定了樹(shù)木對(duì)其吸收利用的強(qiáng)度和難易程度，進(jìn)而影響樹(shù)木的蒸騰和生長(zhǎng)發(fā)育。通過(guò)用CNC503DR型中子儀對(duì)每半月土壤水分的測(cè)定，得到青海大通縣4種主要樹(shù)種不同坡位〔5月中旬至9月初〕的土壤體積含水量變化曲線。由圖5.3可知：在大通縣4種主要樹(shù)種群落土壤體積含水量變化趨勢(shì)明顯，尤其表層30cm水分波動(dòng)較劇烈。華而不實(shí)青海云杉上中下坡位各月變化明顯，但是整個(gè)生長(zhǎng)季里土壤體積含水量出現(xiàn)小幅度上升，上升幅度最大的是2002年栽植的中坡表層30cm土壤體積含水量從5月初的0.246mg上升到0.320mg；華北落葉松上中下坡位群落在生長(zhǎng)季里土壤體積含水量整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，華而不實(shí)2002年栽植的中坡下降幅度最大，表層〔0-100cm〕平均到達(dá)了0.094mg；祁連圓柏上中下坡位群落在生長(zhǎng)季里土壤體積含水量整體呈現(xiàn)小幅度上升趨勢(shì)，華而不實(shí)2008年栽植的中坡下降幅度最大，表層〔0-100cm〕平均到達(dá)了0.094mg。由圖5.4和表5.3可知：大通縣四種主要樹(shù)種生長(zhǎng)季〔0-100cm〕平均土壤體積含水量中華北落葉松和青楊呈整體虧損狀態(tài)，而2002a栽植青海云杉上呈-0.00131mg/cm3。而由董其國(guó)對(duì)大通縣近期50a氣象變化特征的分析，發(fā)現(xiàn)青海大通縣10月至來(lái)年4月為干季，降雨量只能占到全年的17%左右，而2001年至2018a大通縣春季和冬季的總平均降雨量為129.2mm、總平均蒸騰量為2.137mm。把129.2mm降雨平攤到土壤表層〔0-100cm〕就為0.1292mg/cm3，而0.1292mg/cm3均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于華北落葉松中坡〔0.094mg/cm3〕、青楊下坡〔0.0205mg/cm3〕和青海云杉上坡〔0.00131mg/cm3〕等生長(zhǎng)季耗水的虧損。由此可見(jiàn)，單以土壤含水量和地區(qū)降雨量分析，青海大通縣土壤水分呈正向健康發(fā)展。5.5小結(jié)〔1〕通過(guò)莖流計(jì)測(cè)得華北落葉松和青楊日實(shí)際莖流量，并根據(jù)胸徑和邊材面積的關(guān)系得到各樣地標(biāo)準(zhǔn)木日實(shí)際蒸騰耗水量及6月16日至8月7日植物生長(zhǎng)季典型時(shí)間段林分喬木的總耗水。由此得出：總體上華北落葉松耗水量大于青楊，且耗水量最大為2002a栽植的華北落葉松中坡，林分喬木耗水到達(dá)：269.991kg?！?〕通過(guò)用CNC503DR型中子儀對(duì)土壤水分的測(cè)定，得到青海大通縣4種主要樹(shù)種不同坡位〔5月中旬至9月初〕的土壤體積含水量變化曲線，并根據(jù)土壤體積含水量得到2021年5月中旬至9月初土壤水分的虧盈值。由此發(fā)現(xiàn)：4種主要樹(shù)種林下土壤水分在生長(zhǎng)季里隨深度和時(shí)間的不同呈波動(dòng)變化，但總體土壤含水量沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重虧損。華而不實(shí)虧損最嚴(yán)重的是1998a栽植的華北落