收藏本站
《中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心》 2017年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

黄土高原退耕还林的土壤水分效应研究

张晨成  
【摘要】:近年来黄土高原大规模的退耕还林使得该区成为我国植被变化最剧烈的地区。然而,造林后土壤水分供给负反馈导致土壤干层在黄土高原广泛出现。同时气候暖干化更加剧了森林需水与土壤供水之间的矛盾,危及区域水资源供给安全。如何利用有限水资源维持黄土高原人工林生态系统持续发展是目前该区生态建设的重要目标,而其核心就是土壤水分。因此,研究退耕还林的土壤水分效应,在理论上有助于揭示人工林生态系统水源涵养机理,在实践上对于该区有限水资源利用,以及对人工林管理具有重要的现实意义。本论文以黄土高原人工林生态系统为研究对象,对人工林0~5.0 m土层的土壤水分进行了大面积调查研究,定量分析了不同土层影响土壤水分分布及主要因素,研究了南北样带土壤干燥化效应及影响因素,动态监测并分析了林下植被和去除林下植被小区尺度土壤储水量的变化特征及其影响因素,通过分析小区尺度上层林木降水再分配过程土壤水分净输入(指除去冠层截留净输入土壤的水分)、地表径流和生长期剖面土壤储水量变化的基础上,根据水量平衡原理对林下植被的蒸散耗水特征及其影响因素进行了研究,同时结合生态疏伐管理研究了不同疏伐处理下人工林土壤水分平衡,所取得主要结论如下:1.评估黄土高原退耕还林的土壤水分效应。人工林土壤含水量普遍低于农地,土壤储水量平均减少169.6 mm。3.0~4.0和4.0~5.0m土层土壤储水量比1.0~2.0、2.0~3.0 m浅土层要损失量最大,土壤储水量消耗随着土层深度增加而增加。不同降雨区土壤储水量消耗不同。降雨量550mm区域,土壤储水量损失的最高,为214.7 mm,450~550 mm区域土壤储水量损失195.7mm,450 mm区域土壤储水量减少的最少,仅为36.0 mm。土壤水分消耗与退耕前土壤水分、降雨量、气温和坡度呈显著正相关。2.评估不同土层土壤水分空间格局的主导因素。不同类型人工林地土壤水分分布不同。土壤含水量表现为经济林生态林灌木,深层土壤水分变异性较大。降雨量和粘粒含量对不同土层土壤水分分布格局影响最大。随着土层深度增加,局地因素对生态林土壤水分影响较大,气象因素对经济林土壤水分影响较大,而在灌木地局地影响和气象因素差异不大。3.南北样带土壤干燥化效应及影响因素。在垂直方向上,剖面土壤含水量逐渐减小,土壤水分亏缺严重,形成土壤干层。土壤干层平均厚度为289.1 cm,干层平均含水量为7.7%,干层起始平均深度为151.9 cm。不同降雨区土壤干层有较大的变异性,由湿润区到干旱区,土壤干层水分先减小后增加。环境因子解释的变异性对土壤干层总变异性的比例为38.0%。局地因素单独解释变异性比例(16.5%)大于气候因素单独解释的变异性比例(4.2%)4.坡面尺度退耕还林的土壤水分效应。距边坡越远土壤储水量愈高,300 cm处样点可代表测定尺度下土壤储水量的平均值。在垂直方向上,边坡增大了土壤水分的变异性。不同植被类型下,土壤水分空间分布格局受植被类型主导,沟道、坡位、微地形等因素处于次要地位。5.黄土区人工林林下植被对土壤水平衡的影响。人工刺槐林地,穿透雨占林外降雨量比例约87.3%,其次为冠层截留占林外降雨量比例约为10.4%,茎干流最小约占林外降雨量比例的2.3%。观测期内上层林木蒸腾耗水量约为265.0mm,林下植被蒸散耗水量约为120.5 mm,林下植被蒸散耗水量约占生长期森林耗水量的31.3%。6.生态疏伐对人工林土壤水平衡的影响。整个观测期内,疏伐40%和90%处理土壤水分分别亏缺82.4 mm和38.5 mm。随疏伐程度增加土壤水分消耗减小。同时随着疏伐增加到90%时,林下植被蒸腾耗水增加52.5 mm。林下植被蒸腾的增加抵消了疏伐林分的水分蒸腾部分。综上所述,黄土高原大规模退耕还林消耗了深层土壤水分,土壤水分严重亏缺形成持久的土壤干层,对区域人工林生态系统产生深刻影响,同时林下植被蒸散耗水是人工林生态系统不可忽视的水分耗损项,对该区进行生态疏伐可以显著改变土壤水分循环过程。
【关键词】:退耕还林 土壤水消耗 尺度 林下植被 疏伐
【学位授予单位】:中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S714
【目录】:
  • 致谢4-6
  • 摘要6-8
  • ABSTRACT8-14
  • 第1章 绪论14-28
  • 1.1 研究背景及目的14-16
  • 1.2 国内外研究现状16-26
  • 1.2.1 土壤水分平衡16-22
  • 1.2.2 人工林(草)生长耗水与土壤干燥化22-24
  • 1.2.3 土壤干层空间分布与影响因素24-26
  • 1.3 本研究的意义26
  • 1.4 小结26-28
  • 第2章 研究区介绍、研究内容与方法28-42
  • 2.1 研究区概况和介绍28-31
  • 2.1.1 黄土高原28-30
  • 2.1.2 水蚀风蚀交错区30-31
  • 2.1.3 野河林场31
  • 2.2 研究目标与内容31-33
  • 2.2.1 研究内容32-33
  • 2.2.2 研究目标33
  • 2.3 研究方法33-39
  • 2.3.1 人工林的土壤水分效应33-36
  • 2.3.2 林下植被对土壤水文效应的影响及机制36-39
  • 2.4 技术路线39-40
  • 2.5 数据处理与统计分析方法40-42
  • 2.5.1 经典统计方法40
  • 2.5.2 多元统计方法40-42
  • 第3章 评估黄土高原退耕还林的土壤水分效应42-66
  • 3.1 引言42-43
  • 3.2 材料和方法43-44
  • 3.2.1 试验设计43
  • 3.2.2 数据分析43-44
  • 3.3 结果与分析44-61
  • 3.3.1 评估黄土高原退耕还林深层土壤水损失44-51
  • 3.3.2 评估不同土层土壤水分空间格局的驱动因素51-56
  • 3.3.3 南北样带土壤干燥化效应及影响因素56-61
  • 3.4 讨论61-63
  • 3.4.1 逐步回归模型61
  • 3.4.2 评估退耕还林(草)后土壤水分损失61-63
  • 3.4.3 影响土壤储水量减小的因素63
  • 3.5 小结63-66
  • 第4章 坡面尺度退耕还林的土壤水分效应66-76
  • 4.1 引言66-67
  • 4.2 材料和方法67-69
  • 4.2.1 试验设计67-68
  • 4.2.2 数据分析68-69
  • 4.3 结果与分析69-73
  • 4.3.1 不同距离下土壤水分动态变化分析69-70
  • 4.3.2 不同距离下土壤储水量的时间稳定性及代表性点70-71
  • 4.3.3 坡面尺度下土壤水分的空间分布71-73
  • 4.4 讨论73-74
  • 4.5 小结74-76
  • 第5章 黄土区人工林林下植被对土壤水平衡的影响76-87
  • 5.1 引言76-77
  • 5.2 研究方法77-78
  • 5.2.1 试验设计77
  • 5.2.2 数据分析77-78
  • 5.3 结果与分析78-85
  • 5.3.1 人工林降雨再分配过程与土壤水分净输入78-80
  • 5.3.2 人工林林木液流速率变化规律分析80-82
  • 5.3.3 林下植被与去除林下植被土壤水分动态变化特征82-83
  • 5.3.4 有林下植被与去除林下植被土壤储水量变化特征83-84
  • 5.3.5 林下植被蒸散发在人工林生态系统土壤水消耗中的比例84-85
  • 5.4 讨论85-86
  • 5.5 小结86-87
  • 第6章 生态疏伐对人工林土壤水分转换的影响87-96
  • 6.1 引言87-88
  • 6.2 研究方法88-89
  • 6.2.1 试验方法88-89
  • 6.2.2 数据分析89
  • 6.3 结果分析89-93
  • 6.3.1 不同疏伐处理下剖面土壤水分动态变化特征89-91
  • 6.3.2 不同疏伐处理下土壤储水量变化91-92
  • 6.3.3 不同疏伐处理下林下植被蒸腾耗水变化92-93
  • 6.4 讨论93-95
  • 6.5 小结95-96
  • 第7章 主要结论及有待进一步研究的问题96-100
  • 7.1 主要结论96-98
  • 7.2 可能的创新点98-99
  • 7.2.1 评估了区域尺度退耕还林后土壤水分的收支98
  • 7.2.2 定量研究林下植被对森林土壤水补充与消耗过程的影响98-99
  • 7.3 有待进一步研究的问题99-100
  • 7.3.1 土壤干层的形成对土壤碳氮循环的影响机制99
  • 7.3.2 人工林土壤水分循环的机理及影响因素99
  • 7.3.3 植被恢复对半干旱生态系统稳定性的影响99-100
  • 附录100-101
  • 参考文献101-116
  • 作者简介116

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 徐联;申俊初;翟英涛;;影响土壤水分观测精确度的原因及观测注意事项探讨[J];贵州气象;2011年04期
2 花临亭;;辽西砂荒地带土壤水分演变趋势与土地利用问题[J];辽宁农业科学;1963年03期
3 苏平;广西土壤水分分区初探[J];广西气象;1987年06期
4 ;中澳科学合作项目——土壤水分和干旱的遥感监测开始实施[J];遥感信息;1992年02期
5 杨改河,申云霞,唐拴虎,王长发,温小侠,吴永常;土壤水分资源生产能力及其利用研究[J];自然资源学报;1996年02期
6 傅伯杰,杨志坚,王仰麟,张平文;黄土丘陵坡地土壤水分空间分布数学模型[J];中国科学(D辑:地球科学);2001年03期
7 叶彩华,米季德,陈璐,海玉龙,郭文利;土壤水分自动遥测系统及其应用前景[J];中国农业气象;2001年02期
8 施建成,李震,李新武;目标分解技术在植被覆盖条件下土壤水分计算中的应用[J];遥感学报;2002年06期
9 吕军杰,姚宇卿,王育红,王海洋,张宪初;不同耕作方式对坡耕地土壤水分的影响[J];中国农业气象;2002年03期
10 黄奕龙,陈利顶,傅伯杰,黄志霖,贵立德,吴祥林;黄土丘陵小流域地形和土地利用对土壤水分时空格局的影响[J];第四纪研究;2003年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王新;;农气报表土壤水分记录审核软件[A];山东气象学会2005年学术交流会优秀论文集[C];2005年
2 薛龙琴;冶林茂;陈海波;;河南省自动土壤水分观测网的建设和应用[A];第26届中国气象学会年会第三届气象综合探测技术研讨会分会场论文集[C];2009年
3 薛龙琴;冶林茂;陈海波;师丽魁;;河南省自动土壤水分资料与人工观测资料对比分析[A];第27届中国气象学会年会现代农业气象防灾减灾与粮食安全分会场论文集[C];2010年
4 除多;次仁多吉;边巴次仁;王彩云;;西藏中部土壤水分遥感监测方法研究[A];第27届中国气象学会年会干旱半干旱区地气相互作用分会场论文集[C];2010年
5 姚付启;蔡焕杰;张振华;;烟台苹果园表层土壤水分与深层土壤水分转换关系研究[A];现代节水高效农业与生态灌区建设(下)[C];2010年
6 石庆兰;王一鸣;冯磊;;土壤水分测量中相位差检测算法的实验与研究[A];中国农业工程学会电气信息与自动化专业委员会、中国电机工程学会农村电气化分会科技与教育专委会2010年学术年会论文摘要[C];2010年
7 巫丽君;潘建梅;魏爱明;王秀琴;;自动土壤水分观测数据异常原因浅析[A];“推进气象科技创新,提高防灾减灾和应对气候变化能力”——江苏省气象学会第七届学术交流会论文集[C];2011年
8 杨海鹰;冶林茂;陈海波;;土壤水分研究进展[A];第28届中国气象学会年会——S11气象与现代农业[C];2011年
9 黄奕龙;傅伯杰;陈利顶;;黄土丘陵坡地土壤水分时空变化特征[A];地理教育与学科发展——中国地理学会2002年学术年会论文摘要集[C];2002年
10 陈怀亮;徐祥德;刘玉洁;厉王昇;邹春辉;翁永辉;;基于遥感和区域气候模式的土壤水分预报方法研究[A];推进气象科技创新加快气象事业发展——中国气象学会2004年年会论文集(上册)[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 班胜林;山西引进新型土壤水分观测仪[N];中国气象报;2010年
2 记者 王量迪 通讯员 陈瑜;我市建成两个自动土壤水分观测站[N];宁波日报;2010年
3 王一;土壤水分快速测量技术获突破[N];科技日报;2003年
4 记者 宛霞 通讯员 赵志强;中国气象局将加强土壤水分观测[N];中国气象报;2009年
5 记者 王建忠;我国将布设1500套自动土壤水分观测仪[N];中国气象报;2009年
6 记者 田宜龙;我省建成55个土壤水分自动观测站[N];河南日报;2009年
7 实习记者 王宝军 通讯员 赵志强;全国建成76个自动土壤水分观测站[N];中国气象报;2009年
8 张芳 仲维健;江苏启动土壤水分自动观测网建设[N];中国气象报;2009年
9 记者 刘剑英;我省首个自动土壤水分观测站大名投用[N];河北日报;2009年
10 邢开成 胡佳军;河北邯郸首个自动土壤水分观测站投入使用[N];粮油市场报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王安琪;大尺度被动微波辐射计土壤水分降尺度方法研究[D];首都师范大学;2013年
2 魏新光;黄土丘陵半干旱区山地枣树蒸腾规律及其节水调控策略[D];西北农林科技大学;2015年
3 刘丙霞;黄土区典型灌草植被土壤水分时空分布及其植被承载力研究[D];中国科学院研究生院(教育部水土保持与生态环境研究中心);2015年
4 杨长刚;半干旱雨养区覆盖种植冬麦田土壤水热效应[D];甘肃农业大学;2015年
5 刘艳;喀斯特峰丛洼地不同土地利用方式下表层土壤水分的时空规律研究[D];广西大学;2016年
6 褚楠;基于状态—参数同步估计的土壤水分数据同化研究[D];中国矿业大学;2016年
7 程宏波;覆盖与秸秆还田对旱地小麦土壤水热条件及产量形成的影响[D];甘肃农业大学;2016年
8 李陆生;山地旱作枣园细根分布格局及其土壤水分生态效应[D];西北农林科技大学;2016年
9 张晨成;黄土高原退耕还林的土壤水分效应研究[D];中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心;2017年
10 王改改;丘陵山地土壤水分时空变化及其模拟[D];西南大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵忠凯;土壤水分监控保障系统研究[D];北京邮电大学;2012年
2 苏欢;河南省土壤水分的时空变化特征及其与气象要素的关系[D];南京信息工程大学;2015年
3 丁从慧;土壤水分对夏玉米生理生态特征的影响及动态模拟研究[D];南京信息工程大学;2015年
4 张洛丹;不同植被类型对陡坡地土壤水分循环的影响[D];西北农林科技大学;2015年
5 白盛元;黄土土柱降雨特征与土壤水分入渗过程研究[D];西北农林科技大学;2015年
6 李佳洲;土壤水分对三七生长及有效成分的影响[D];西北农林科技大学;2015年
7 张雪;牧草根系形态特征及土壤水分对修剪高度的响应研究[D];西北农林科技大学;2015年
8 王金锋;不同覆盖方式对渭北苹果园土壤水分、温度及产量品质的影响[D];西北农林科技大学;2015年
9 苏一鸣;黄土高原旱地苹果园起垄覆膜垄沟覆草技术研究[D];西北农林科技大学;2015年
10 上官玉铎;负水头条件下土壤水分入渗和氮素分布规律研究[D];中国农业科学院;2015年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026