本文關(guān)鍵詞： 退耕還林 土壤水消耗 尺度 林下植被 疏伐　出處：《中國(guó)科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：近年來(lái)黃土高原大規(guī)模的退耕還林使得該區(qū)成為我國(guó)植被變化最劇烈的地區(qū)。然而,造林后土壤水分供給負(fù)反饋導(dǎo)致土壤干層在黃土高原廣泛出現(xiàn)。同時(shí)氣候暖干化更加劇了森林需水與土壤供水之間的矛盾,危及區(qū)域水資源供給安全。如何利用有限水資源維持黃土高原人工林生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展是目前該區(qū)生態(tài)建設(shè)的重要目標(biāo),而其核心就是土壤水分。因此,研究退耕還林的土壤水分效應(yīng),在理論上有助于揭示人工林生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)機(jī)理,在實(shí)踐上對(duì)于該區(qū)有限水資源利用,以及對(duì)人工林管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本論文以黃土高原人工林生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象,對(duì)人工林0~5.0 m土層的土壤水分進(jìn)行了大面積調(diào)查研究,定量分析了不同土層影響土壤水分分布及主要因素,研究了南北樣帶土壤干燥化效應(yīng)及影響因素,動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)并分析了林下植被和去除林下植被小區(qū)尺度土壤儲(chǔ)水量的變化特征及其影響因素,通過(guò)分析小區(qū)尺度上層林木降水再分配過(guò)程土壤水分凈輸入(指除去冠層截留凈輸入土壤的水分)、地表徑流和生長(zhǎng)期剖面土壤儲(chǔ)水量變化的基礎(chǔ)上,根據(jù)水量平衡原理對(duì)林下植被的蒸散耗水特征及其影響因素進(jìn)行了研究,同時(shí)結(jié)合生態(tài)疏伐管理研究了不同疏伐處理下人工林土壤水分平衡,所取得主要結(jié)論如下:1.評(píng)估黃土高原退耕還林的土壤水分效應(yīng)。人工林土壤含水量普遍低于農(nóng)地,土壤儲(chǔ)水量平均減少169.6 mm。3.0~4.0和4.0~5.0m土層土壤儲(chǔ)水量比1.0~2.0、2.0~3.0 m淺土層要損失量最大,土壤儲(chǔ)水量消耗隨著土層深度增加而增加。不同降雨區(qū)土壤儲(chǔ)水量消耗不同。降雨量550mm區(qū)域,土壤儲(chǔ)水量損失的最高,為214.7 mm,450~550 mm區(qū)域土壤儲(chǔ)水量損失195.7mm,450 mm區(qū)域土壤儲(chǔ)水量減少的最少,僅為36.0 mm。土壤水分消耗與退耕前土壤水分、降雨量、氣溫和坡度呈顯著正相關(guān)。2.評(píng)估不同土層土壤水分空間格局的主導(dǎo)因素。不同類型人工林地土壤水分分布不同。土壤含水量表現(xiàn)為經(jīng)濟(jì)林生態(tài)林灌木,深層土壤水分變異性較大。降雨量和粘粒含量對(duì)不同土層土壤水分分布格局影響最大。隨著土層深度增加,局地因素對(duì)生態(tài)林土壤水分影響較大,氣象因素對(duì)經(jīng)濟(jì)林土壤水分影響較大,而在灌木地局地影響和氣象因素差異不大。3.南北樣帶土壤干燥化效應(yīng)及影響因素。在垂直方向上,剖面土壤含水量逐漸減小,土壤水分虧缺嚴(yán)重,形成土壤干層。土壤干層平均厚度為289.1 cm,干層平均含水量為7.7%,干層起始平均深度為151.9 cm。不同降雨區(qū)土壤干層有較大的變異性,由濕潤(rùn)區(qū)到干旱區(qū),土壤干層水分先減小后增加。環(huán)境因子解釋的變異性對(duì)土壤干層總變異性的比例為38.0%。局地因素單獨(dú)解釋變異性比例(16.5%)大于氣候因素單獨(dú)解釋的變異性比例(4.2%)4.坡面尺度退耕還林的土壤水分效應(yīng)。距邊坡越遠(yuǎn)土壤儲(chǔ)水量愈高,300 cm處樣點(diǎn)可代表測(cè)定尺度下土壤儲(chǔ)水量的平均值。在垂直方向上,邊坡增大了土壤水分的變異性。不同植被類型下,土壤水分空間分布格局受植被類型主導(dǎo),溝道、坡位、微地形等因素處于次要地位。5.黃土區(qū)人工林林下植被對(duì)土壤水平衡的影響。人工刺槐林地,穿透雨占林外降雨量比例約87.3%,其次為冠層截留占林外降雨量比例約為10.4%,莖干流最小約占林外降雨量比例的2.3%。觀測(cè)期內(nèi)上層林木蒸騰耗水量約為265.0mm,林下植被蒸散耗水量約為120.5 mm,林下植被蒸散耗水量約占生長(zhǎng)期森林耗水量的31.3%。6.生態(tài)疏伐對(duì)人工林土壤水平衡的影響。整個(gè)觀測(cè)期內(nèi),疏伐40%和90%處理土壤水分分別虧缺82.4 mm和38.5 mm。隨疏伐程度增加土壤水分消耗減小。同時(shí)隨著疏伐增加到90%時(shí),林下植被蒸騰耗水增加52.5 mm。林下植被蒸騰的增加抵消了疏伐林分的水分蒸騰部分。綜上所述,黃土高原大規(guī)模退耕還林消耗了深層土壤水分,土壤水分嚴(yán)重虧缺形成持久的土壤干層,對(duì)區(qū)域人工林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深刻影響,同時(shí)林下植被蒸散耗水是人工林生態(tài)系統(tǒng)不可忽視的水分耗損項(xiàng),對(duì)該區(qū)進(jìn)行生態(tài)疏伐可以顯著改變土壤水分循環(huán)過(guò)程。
[Abstract]:In recent years, large-scale farmland in the loess plateau forest makes the area has become the area of vegetation in China the most dramatic changes. However, after afforestation, soil water supply leads to negative feedback of dried soil layer in the Loess Plateau appeared widely. At the same time, climate warming has intensified the contradiction of forest water and soil water supply between the endanger of regional water resources supply security. How to use the limited water resources in forest ecosystems of the Loess Plateau is the important goal of maintaining the sustainable development of the ecological construction in this area, and its core is the soil moisture. Therefore, study on the effect of returning farmland to forest soil moisture, helps to reveal the mechanism of water conservation plantation ecosystem in theory and in practice for the use of limited water resources, and has important practical significance for plantation management. In this paper, the Loess Plateau artificial forest ecosystem as the research object, the 0~5.0 m plantation soil layer The soil moisture was investigated in large area, the quantitative analysis and the main factors influence the distribution of soil moisture in different soil layers, the factors in NSTEC soil desiccation and influencing factors are analyzed, the dynamic monitoring of forest vegetation and removal of understory vegetation soil storage water district scale change characteristic and its influence, through the analysis of community the upper scale forest rainfall redistribution of soil water net input (refers to the removal of canopy interception net input soil moisture), basic profile of surface runoff and soil water storage period of growth, according to the water balance principle of evapotranspiration under forest vegetation water consumption characteristics and its influencing factors were studied, combined with ecological thinning management research the different thinning treatments of soil under artificial forest water balance, the main conclusions are as follows: 1. to evaluate the effect of soil moisture in the Loess Plateau is artificial forest. Forest soil moisture is lower than that of farmland, reduce the average soil water storage of 169.6 mm.3.0~4.0 and 4.0~5.0m soil water storage capacity than 1.0~2.0,2.0~3.0 m in shallow soil loss to the largest amount of soil water consumption increased with the increase of soil depth. The soil water of different water consumption of different rainfall area. Rainfall area of 550mm, the highest soil water loss, 214.7 mm 450~550 mm, regional soil water loss 195.7mm, reducing 450 mm soil storage area water at least, only 36 mm. soil water consumption and before returning farmland to soil moisture, rainfall, and temperature gradient was positively related to.2. evaluation factors of soil moisture in different soil spatial pattern. Different types of artificial forest soil water distribution is different. Soil moisture is economic forest shrub forest, deep soil moisture variability of rainfall. And the clay content of different soil layer Effect of water distribution pattern. With the increase of soil depth, local factors have great influence on forest soil moisture and meteorological factors have great influence on the economic forest soil moisture, and the influence factors in the shrub and local meteorological factors had little difference.3. NSTEC soil desiccation and influence. In the vertical direction, the soil water content decreased gradually soil water deficit, serious, the formation of dry soil layer. The soil dry layer thickness is 289.1 cm, the dry layer average moisture content is 7.7%, the average depth of soil dry layer initial 151.9 cm. different rainfall area dry layer variability is large, the humid to arid area, dry layer of soil moisture decreased first and then increased the proportion of variability. Environmental factors explain the total variability of soil dry layer for 38.0%. local factors alone explain the variability of the proportion (16.5%) proportion of climate variability than single factor explanation (4.2%) 4. slope The surface scale effect of soil moisture in returning farmland to forests. The farther from the slope of soil water is higher, 300 cm samples can represent the determination of average soil water storage scale value. In the vertical direction, the slope increases. The variation of soil moisture under different vegetation types, soil moisture spatial distribution pattern of vegetation the dominant type, channel, slope position, micro topography and other factors in the influence of the secondary position of artificial forest in loess area.5. under vegetation on soil water balance. Robinia pseudoacacia plantation, throughfall percentage of rainfall outside the forest was about 87.3%, followed by the rainfall outside the forest canopy interception accounted for about 10.4% of the 2.3%. observation period of minimum stem Yuezhanlin rainfall ratio in the upper layer of transpiration water consumption is about 265.0mm, the understory vegetation transpiration is about 120.5 mm, understory vegetation evapotranspiration accounted for about 31.3%.6. of ecological water consumption of forest thinning during the growth period of cutting on Plantation Soil Effect of soil water balance. The whole observation period, thinning 40% and 90% soil moisture deficit were 82.4 mm and 38.5 mm. with thinning increased soil water consumption decreased. At the same time as the thinning increased to 90%, the understory vegetation transpiration water consumption increased 52.5 mm. understory vegetation transpiration increase offset by transpiration part of the thinning stands. In summary, the Loess Plateau large-scale farmland to forest consumption of deep soil moisture, soil moisture deficit form lasting dried soil layer, have a profound impact on the regional plantation ecosystem, and understory vegetation evapotranspiration is artificial forest ecosystem water loss can not be ignored, in this area ecological thinning can significantly change the soil water cycle process.

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S714

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