子午岭次生林区土壤物理特征对植被恢复的响应

论文摘要

子午岭林区是黄土高原保存最完整的天然次生林区。该区北部目前还保存有空间上完整的植被正向演替系列,即弃耕地先锋群落→草本群落（白羊草Bothriochloaischemum、茭蒿Artenmisia giradii +长芒草Stipa bungeana、铁杆蒿Artenmisia sacrorum、大油芒Spodiopogen sibiricus +苦参Sophora flavecens、黄菅草Themeda japonica或野古草Arundinella anomala）→灌丛群落（沙棘Hippophae rhamnoides、狼牙刺Sophora viciifdia、虎榛子Ostryopsis davidiam）→早期森林群落（乔灌群聚、山杨Populus davidiana、白桦Betula platyphylla、侧柏Platycladus orientalis、油松Pinus tabulaeformis）→辽东栎群落（Quercus liaotungensis）。山杨（Populus davidiana）、白桦（Betula platyphylla）和侧柏（Platycladus orientalis）为演替的过程时期,气候的演替顶级为辽东栎林（Quercus liaotungensis）。通过分析各个群落(弃耕地、先锋草地、草本群落（白羊草）、灌丛群落（沙棘、狼牙刺）、早期森林群落（山杨、白桦、山辽混交）、辽东栎群落0-100 cm内土壤容重、结构、水分常数、入渗性能、水分环境的变化规律及相互关系,初步探讨了植被正向演替过程中土壤物理特征变化的趋势和影响土壤水分环境变化的机理。主要结论如下: （1）植被恢复改善了土壤结构和孔隙状况。植被恢复降低了土壤0-5 cm、5-10 cm、10-30 cm土层的土壤容重。植被恢复到灌丛以后,其表层容重均小于1.0 g/cm3,山杨、辽东栎降低土壤容重的作用最为明显。土壤孔隙度的变化主要表现在通气孔隙度的增加和总孔隙度的增加,无效孔隙和毛管孔隙变化不大。按照由弃耕地、沙棘、白羊草、山杨到辽东栎的植被演替顺序,土壤孔隙分形维数在整个土壤剖面上都有所提高;而土壤水稳性团聚体分形维数依次降低。各个植被群落均能明显改善土壤结构,增强土壤结构的稳定性。而团聚体平均重量直径不能反映土壤结构在0-100 cm土层和植被恢复过程中的这种变化规律。土壤水稳性团聚体分维、孔隙分维均能作为评价土壤结构稳定性的指标;而团聚体平均重量直径仅可作为大团聚体含量的指标。土壤水稳性团聚体分维、孔隙分维比团聚体平均重量直径更适合作为描述植被恢复下土壤结构稳定性变化的指标。（2）植被恢复过程中土壤水分常数的变化植被演替过程中土壤持水力为:辽东栎>山杨>狼牙刺>白羊草>沙棘。除沙棘外,各植被土壤持水力和供水力随植被的正向演替而提高。土壤比水容量即释水能力表现为乔木林大于灌木林和草地。土壤有机碳含量与土壤持水性能有很好的相关性,相关系数达到0.8左右。提高土壤有机碳含量可以改善土壤的持水性能。（3）植被恢复提高了土壤的饱和导水率植被恢复有利于提高土壤0-60 cm土层的饱和导水率,土壤饱和导水率随着土层深度的增加而降低;随着植被恢复而提高。饱和导水率在剖面上的平均值以辽东栎顶级群落最高1.918 mm/min。土壤的容重、毛管孔隙度、>0.25 mm水稳性团聚体含量及粘粒含量直接影响土壤饱和导水率。有机质含量达到51.56 g/kg以前,饱和导水率随着有机质含量的提高而提高,可以认为是土壤饱和导水率提高的驱动因子;在高于51.56 g/kg时,土壤有机质含量的提高反而会降低土壤饱和导水率。这在黄土高原是极其少见的,需要进一步深入研究。（4）植被恢复过程中土壤水分环境的变化植被生长期间,植物群落的耗水趋势一致。相同气候条件下,0-5 m土层土壤储水量早期森林、草地最高,灌丛最低。土壤储水量恢复的差异主要表现在,辽东栎群落3 m以下土层土壤储水量高于灌丛群落,特别是4-5 m土层,不仅高于灌丛群落,而且已接近其他群落水平。说明子午岭次生辽东栎群落深层土壤储水量开始并已经得到恢复。土壤储水量在垂直方向上的变异,草地最小,并在2 m或3 m以下的土层达到相对稳定。早期森林、辽东栎3-4 m和4-5 m的变异仍未稳定,说明其植被耗水影响到了5 m以下土层。早期森林、辽东栎在降雨充足的年份,能够较其它群落使得更多水分入渗,这与其良好的土壤结构和高饱和导水率有关。植被恢复主要是降低了了0-30 cm土层的土壤容重,提高了0-30 cm总孔隙度、通气孔隙度,提高了0-60 cm土层的土壤饱和导水率,改善了土壤0-30 cm的结构,随着植被的不断恢复,向着高入渗率和好的保水性能方向发展。实际上植被恢复到灌丛阶段后,其结构就已经有了飞跃式的变化,之后随着恢复年限的增加变化速度减慢,早期森林阶段进一步变好,顶级群落时,形成与气候、植被相适应的“顶级土壤状态”。具有一定的保水、蓄水功能。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 黄土高原的植被恢复
• 1.3 植被恢复过程中的土壤物理特征
• 1.3.1 土壤孔隙
• 1.3.2 植被恢复对土壤结构的影响
• 1.3.2.1 土壤结构评价指标体系及其应用
• 1.3.2.2 植被恢复与土壤结构
• 1.3.3 植被恢复对土壤水分环境的影响
• 1.3.4 植被恢复与土壤入渗
• 1.4 问题与展望
• 第二章 材料与方法
• 2.1 研究目标
• 2.2 研究内容
• 2.2.1 植被恢复过程中土壤孔隙状况的变化
• 2.2.2 植被恢复过程中土壤结构的变化
• 2.2.3 植被恢复过程中土壤水分常数
• 2.2.4 植被恢复过程中土壤水分环境的变化
• 2.3 研究区概况
• 2.4 样点选择
• 2.5 试验方法
• 2.5.1 土壤有机碳
• 2.5.2 土壤容重
• 2.5.3 水稳性团聚体
• 2.5.4 土壤水分特征曲线
• 2.5.5 饱和导水率
• 2.5.6 土壤机械组成
• 2.5.7 土壤水分监测
• 2.6 数据处理
• 2.6.1 实际储水量的估算
• 2.6.2 土壤各级孔隙的计算
• 2.6.3 分形维数的计算
• 2.6.4 团聚体平均重量直径
• 2.6.5 孔隙分形维数
• 2.6.6 统计分析
• 第三章 植被恢复过程中土壤孔隙和结构研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 土壤容重的变化
• 3.3.2 土壤孔隙度的变化
• 3.3.3 植被恢复对土壤水稳性团聚体分布的影响
• 3.3.4 水稳性团聚体平均重量直径
• 3.3.5 土壤分形特征
• 3.3.5.1 土壤孔隙分形维数
• 3.3.5.2 土壤水稳性团聚体分形维数
• 3.3.6 土壤结构稳定性指标分析
• 3.4 小结
• 第四章 植被恢复过程中的土壤水分特征曲线研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 土壤持水特性
• 4.3.1.1 土壤水分特征曲线
• 4.3.1.2 土壤比水容量
• 4.3.1.3 土壤水分有效性分级
• 4.3.2 土壤持水力与土壤有机碳的关系
• 4.3.2.1 土壤持水性能与土壤理化性状
• 4.3.2.2 土壤水分特征曲线参数与土壤有机碳
• 4.3.2.3 土壤有效水、无效水与土壤有机碳
• 4.4 小结
• 第五章 植被恢复过程中土壤饱和导水率
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.3 结果分析
• 5.3.1 土壤饱和导水率
• 5.3.2 Ks 与土壤物理性质
• 5.3.3 土壤有机质与土壤饱和导水率
• 5.4 小结
• 第六章 植被恢复过程中的土壤水分环境
• 6.1 引言
• 6.2 材料与方法
• 6.3 结果与分析
• 6.3.1 土壤储水量的年际变化
• 6.3.2 季节变化
• 6.3.3 土壤深层储水量
• 6.3.4 土壤储水量变化与土壤物理性状的关系
• 6.4 小结
• 第七章 主要结论
• 参考文献
• 作者简介