内蒙古大青山中段水源涵养林功能机理与经营模式

论文摘要

大青山是阴山山脉的主体,位于土默川平原的北部,是大青山南麓土默川平原农田灌溉的重要水资源。本区位于黄河上中游,每年向黄河输水23690万m3,因此,大青山是黄河上中游重要的水源补给区,在调节我国北方水分平衡和水资源供给中起着重要的作用。本文以大青山中段古路板林场为典型研究对象,以实测数据为主体,结合收集的资料,分析研究了水源涵养林的群落结构、土壤结构、森林小气候功能、水源涵养功能,并对该区水源涵养林的经营提出了建议,以求深入认识该区森林植被的水文作用机理,并为该区水源涵养林的经营管理提供方法和依据。其主要研究结论如下:（1）森林群落结构特征大青山30a生油松人工林密度不宜超过3200株/hm2;20a生华北落叶松人工林在1700株/hm2密度范围内林木分化现象还未出现。群落的平均大小比数显示,胸径大小比以油松人工林最大,树高大小比落叶松人工林和白桦次生林最大,冠幅大小比以落叶松人工林最大。林分角尺度分析显示,油松林和落叶松林为均匀分布,白桦林为随机分布。群落的点格局分析表明,油松林的尺度在3-43m内呈聚集分布;落叶松林在r＞2m时,呈随机分布;白桦林的尺度在2-50m范围内,其分布格局为显著的集群分布。（2）森林土壤理化性质大青山地区白桦天然次生林和华北落叶松林的土壤容重明显好于其它植被类型下的土壤。在总孔隙度方面也只有白桦天然次生林和落叶松林大于50%,而油松人工林表现最差。在平均土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度、土壤最大持水量、毛管持水量、田间持水量方面,大小依次为白桦次生林＞华北落叶松人工林＞虎榛子灌丛＞油松人工林。林地土壤表层有机质的含量白桦林和华北落叶松林要高于其它类型,随着土壤深度的增加,各林分土壤的有机质含量均呈下降趋势。白桦次生林土壤表层全氮含量最高,为0.658%,虎榛子灌丛土壤表层含氮量最低,为0.326%,当土层厚度为40-60cm时,白桦次生林土壤全氮的含量最高,为0.162%,油松人工林土壤全氮的含量最低,仅为0.084%。土壤表层全磷的含量分别为油松0.108%、落叶松0.112%、白桦0.116%、虎榛子0.110%,但当土壤厚度为20-40cm时,落叶松林土壤全磷的含量明显高于表层,说明土壤全磷的分布并不均匀。不同植被类型不同土壤厚度土壤的C/N比值变化较大,0-10cm土层,油松人工林的C/N比值最大,白桦次生林的C/N比值最小,而40-60cm土层,落叶松人工林土壤的C/N比值最大,虎榛子灌丛的C/N比值最小。不同植被类型下土壤大孔隙的最大半径范围多分布在1.5-1.8mm范围内;而其大孔隙的最小半径范围多集中在0.6-0.8mm范围内。土壤大孔隙的密度分布规律为:大半径的孔隙密度较小,小半径的孔隙密度较大。不同土壤深度的大孔隙密度显示,一般上层土壤相对较小,下层土壤相对较大。不同植被类型下0-60cm土壤大孔隙半径加权平均值顺序为:虎榛子灌丛（1.09mm）＞油松人工林（0.92mm）＞白桦次生林（0.90mm）＞落叶松人工林（0.87mm）。大孔隙密度的变化范围在90-587个/dm2之间,平均为258个/dm2,变异系数为62.59%。用幂函数模拟落叶松林地土壤大孔隙的密度与平均半径的关系,相关系数R2达到0.892。通过研究,该区土壤的大孔隙可能主要明显地同时受生物因素和物理因素（石砾）的影响。（3）森林小气候特征油松林内温度比林外温度低0.03℃,林内湿度比林外湿度高0.58%,林内风速比林外风速小1.69m/s;落叶松林内温度比林外温度低0.54℃,林内湿度比林外湿度低0.05%,林内风速比林外风速小0.54m/s;白桦林内温度比林外温度低0.05℃,林内湿度比林外湿度高0.99%,林内风速比林外风速小0.42m/s;不同林分小气候调节能力显示,油松林内温度最高,白桦林内湿度最大,落叶松林内风速最大。（4）水源涵养林生态功能林冠截留能力与降雨的雨量级别存在密切关系,表现为随着降雨量的增加,林冠截留能力下降。当林外降雨量达到20mm时,林冠的截留率仅为5.21%～19.92%。三种植被类型的林冠层水容量显示,油松林的林冠截留量最大,为0.170mm,落叶松林和白桦林依次为0.104mm和0.052mm。枯落物的蓄积量显示,油松人工林的蓄积量最小,仅为5.15 t/hm2,落叶松人工林枯落物的蓄积量最大,达18.62 t/hm2。枯落物最大持水深表明,落叶松人工林枯落物的最大持水深最大,为0.65mm,油松人工林最大持水深最小,仅0.11mm。枯落物吸持过程显示,在浸水开始的0.5h内,白桦次生林的初始吸持水量最大,达到1.81g/g,油松人工林的初始吸水量最小,仅为0.70 g/g,是白桦次生林初始吸持水量的38.67%。随着浸水时间的延长,4种枯落物的持水量继续增加,但增加的速度放慢。土壤渗透实验显示,不同植被间土壤渗透性变化较大,白桦次生林、落叶松人工林和的土壤透水性较好,对于小强度（降雨强度＜土壤稳渗速率）的降雨,地表径流产生的频率较小;油松人工林的土壤透水性较差,就是小强度的降雨,也容易产生地表径流。由此可见,白桦次生林的水土保持功能最好,落叶松人工林次之,油松人工林的最差。有效贮水能力表明,白桦林有效贮水能力最强,虎榛子灌丛最弱,落叶松林和油松林的有效贮水能力依次为36.9mm、31.5mm。（5）水源涵养林经营模式3种林分的树种结构均存在组成单一的问题,建议先进行择伐或间伐降低林分郁闭度,然后在林内补植乡土树种,将纯林改造为混交林,增加林分生物多样性,提高水源涵养功能。由于油松人工林、落叶松人工林林分年龄结构基本为同龄林,并且以中龄林、幼龄林居多,近熟林少,无成过熟林资源。因此,进行年龄结构调整优化时,应逐步减少同龄林面积的比重,逐步扩大异龄林面积的比重。由于林分密度对林分的径生长有明显的作用,而人工林普遍存在密度过大的问题,建议随人工林年龄的增长,逐步降低林分密度,有助于提高单位面积林分的蓄积量。由于3种林分郁闭度大,不能提供灌草生长发育必要的光照环境,所以林分群落层次结构不完整,灌草层发育不良,建议降低乔木层郁闭度,保证林下灌草生长所需的光照调节,诱导具有乔灌草多层次的林分结构的形成,维持和增强水源林水源涵养功能和森林生物多样性保护功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 引言
• 1 研究综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究的目的意义
• 1.3 植物种群空间格局研究进展
• 1.3.1 种群空间格局基本理论
• 1.3.2 种群空间格局研究方法
• 1.3.3 种群空间格局研究概况
• 1.4 森林土壤大孔隙研究进展
• 1.4.1 大孔隙定义
• 1.4.2 土壤大孔隙成因
• 1.4.3 大孔隙研究方法
• 1.5 森林小气候研究进展
• 1.5.1 森林小气候观测常用仪器
• 1.5.2 森林小气候观测方法
• 1.5.3 森林小气候国内外研究概况
• 1.6 森林植被水源涵养功能研究进展
• 1.6.1 林地蓄水能力研究
• 1.6.1.1 森林冠层截留降水研究
• 1.6.1.2 枯落物截持降水研究
• 1.6.1.3 土壤入渗及土壤水分运动研究
• 1.6.2 改善水质能力
• 1.6.3 防止土壤侵蚀能力
• 1.7 水源涵养林经营模式研究进展
• 1.8 存在的问题与发展方向
• 2 研究区和试验流域概况
• 2.1 大青山概况
• 2.1.1 地理位置
• 2.1.2 气候特征
• 2.1.3 地形地貌
• 2.1.4 土壤与母质
• 2.1.5 植被
• 2.1.6 水文
• 2.1.7 社会经济状况
• 2.2 试验流域概况
• 2.2.1 地理位置
• 2.2.2 气候特征
• 2.2.3 土壤
• 2.2.4 植被
• 3 研究技术途径
• 3.1 研究目标
• 3.2 研究内容
• 3.3 技术路线
• 3.4 研究方法
• 4 主要植被类型群落空间格局
• 4.1 主要植被类型林分结构特征
• 4.1.1 径阶分布特征
• 4.1.2 胸径生长特征
• 4.2 林分空间结构特征
• 4.2.1 林分大小分化程度
• 4.2.2 林分角尺度
• 4.3 种群空间格局特征
• 4.4 小结
• 5 森林土壤大孔隙特征
• 5.1 土壤物理性质
• 5.2 土壤化学性质
• 5.3 土壤大孔隙特征
• 5.4 土壤大孔隙成因
• 5.5 小结
• 6 森林小气候研究
• 6.1 油松林小气候变化规律
• 6.1.1 温度变化规律
• 6.1.2 湿度变化规律
• 6.1.3 风速变化规律
• 6.2 落叶松林小气候变化规律
• 6.2.1 温度变化规律
• 6.2.2 湿度变化规律
• 6.2.3 风速变化规律
• 6.3 白桦林小气候变化规律
• 6.3.1 温度变化规律
• 6.3.2 湿度变化规律
• 6.3.3 风速变化规律
• 6.4 不同林分的小气候调节功能
• 6.4.1 温度调节功能
• 6.4.2 湿度调节功能
• 6.4.3 风速调节功能
• 6.5 小结
• 7 主要植被类型水源涵养功能研究
• 7.1 林冠层截留能力分析
• 7.1.1 林冠截留量
• 7.1.2 林冠层水容量
• 7.2 枯枝落叶层持水能力
• 7.2.1 枯落物基本特征
• 7.2.2 枯落物持水量
• 7.2.3 枯落物持水过程
• 7.3 不同植被类型土壤贮水能力
• 7.3.1 不同植被类型的土壤入渗速率
• 7.3.2 不同植被类型的土壤贮水能力
• 7.4 小结
• 8 水源涵养林经营模式研究
• 8.1 大青山水源涵养林经营状况
• 8.2 水源涵养林经营理论
• 8.2.1 近自然林业理论
• 8.2.2 森林可持续经营理论
• 8.3 大青山水源涵养林经营目标与原则
• 8.4 大青山水源涵养林经营模式
• 8.4.1 林分树种结构优化
• 8.4.2 林分年龄结构优化
• 8.4.3 林分胸径结构优化
• 8.4.4 林分群落层次结构优化
• 8.5 小结
• 9 结论与讨论
• 9.1 结论
• 9.2 特色与创新点
• 9.3 讨论
• 参考文献
• 个人简介
• 在读期间获得成果目录清单
• 导师简介
• 致谢