基于土壤水分植被承载力的叠叠沟小流域植被优化配置

发布时间：2018-04-02 20:52

本文选题：半干旱区　切入点：小流域　出处：《中国林业科学研究院》2016年硕士论文

【摘要】：近几十年来,在我国广袤的西北干旱、半干旱地区实施了三北防护林、天然林保护和退耕还林等国家重点林业生态工程,随着森林植被的增加无疑显著地改变了该区的生态环境。然而,随着林木面积和蓄积量的双增长,人工林出现了植被组成单一、密度过大、林分结构不合理和生物多样性低等问题,严重制约着森林植被的水源涵养、水土保持等功能有效发挥,不仅造成了林地土壤干化等问题,还加剧了林水矛盾的失衡,严重地威胁着流域水资源安全及其社会经济的可持续发展。由此可见,在充分理解林水科学问题的基础上,进行小流域内森林植被的合理空间配置已成为林业建设中亟待解决的关键问题。尤其在水分限制型的生态系统中,土壤水分植被承载力决定着森林植被群落的组成、密度、结构及其空间分布格局,因此,如何在充分量化土壤水分植被承载力的基础上来进行植被的空间配置是未来小流域植被建设与恢复的核心问题。本文以位于宁夏六盘山北侧半干旱区的叠叠沟小流域为研究对象,开展了基于土壤水分植被承载力的水源涵养林空间配置技术研究,首先利用实测和收集的资料,确定了小流域内水源涵养林的最佳森林覆盖率;然后,运用数理统计方法进行了小流域立地类型的划分,并基于Arcgis技术平台将结果落实到了整个流域中的具体地块。最后,基于不同立地类型的对位配置及土壤水分植被承载力确定了不同立地条件下植被的种类及其密度或覆盖度。主要结论如下:1)本文以森林植被水源涵养功能为目标,根据叠叠沟小流域内森林土壤饱和蓄水能力和该区20年内日最大暴雨量之间的平衡关系计算了小流域的最佳森林覆盖率。结果表明:以目前叠叠沟小流域内的主要森林类型的土壤饱和蓄水量现状来计算,小流域最佳森林覆盖率为27.96%。2)应用统计方法研究并划分了叠叠沟小流域内的立地类型。主成分分析和相关分析结果表明:坡度、坡向和土层厚度是影响立地类型划分的主导环境因子;对主导环境因子和植被因子进行了系统聚类分析,并对立地类型采用坡向-坡度-土层厚度三段式命名方法,可将小流域划分为7个立地类型:Ⅰ阴斜坡厚层土立地类型、Ⅱ阴陡坡中层土立地类型、Ⅲ阳平缓坡厚层土立地类型、Ⅳ阳斜坡厚层土立地类型、Ⅴ阳斜坡中层土立地类型、Ⅵ阳陡坡厚层土立地类型、Ⅶ阴平缓坡薄层土立地类型。3)基于对位配置原则及小流域内的地形地貌特征和现有植被特征、分布规律,提出了7种不同立地类型的适宜植被类型:立地类型Ⅰ适宜以华北落叶松和山杨为主的乔木群落、立地类型Ⅱ适宜以毛榛子和胡枝子为主的灌木群落、立地类型Ⅲ适宜以沙棘和胡枝子为主的灌木群落、立地类型Ⅳ适宜以虎榛子为主的灌木群落、立地类型Ⅴ适宜以白羊草为主的草本群落、立地类型Ⅵ适宜以百里香为主的草本群落、立地类型Ⅶ适宜以铁杆蒿为主的草本群落。4)要确定不同立地条件下的土壤水分植被承载力,需量化典型植被的结构与植被耗水之间的数量关系。应用率定检验的brook90模型模拟了不同的年内最大lai条件下三种植被类型(华北落叶松人工林、沙棘灌丛林、草地)的年蒸散量,并对蒸散量与lai的关系进行了拟合,结果表明:各植被类型的蒸散量与lai均呈极显著的正相关关系(r20.99,p0.01),且随着lai的增加逐渐缓慢,趋于一个极限值。同时,这些关系都存在lai的阈值,即:当lai小于阈值时,蒸散量都随lai增加迅速地增加;当lai大于阈值时,蒸散量随lai的增加的速率缓慢,趋于稳定。5)为研究土壤水分植被承载力与立地因子之间的定性关系,以虎榛子灌丛群落为对象,用灌丛地上生物量来指示土壤水分的植被承载能力,研究了灌丛地上生物量与土层厚度之间的关系。结果发现两者之间表现了极为显著的正相关关系(r2=0.86,p0.01),这说明土层厚度是影响虎榛子灌丛地上生物量的决定性因素,也是决定土壤水分植被承载力的主导因素。以上事实证实,在水分限制型的小流域内,当降水条件相对一致时,土壤水分的有效性是决定植物生长发育的限制性因子,而土层厚度所决定土壤的最大有效水量是决定坡面植被生长与分布的关键所在。6)为确定出具体立地条件下的土壤水分植被承载力,本文采用年内最大lai表示土壤水分植被承载力,将植被潜在年蒸散量作为植被水分的年消耗,将土壤最大有效水量作为植被水分的年供给,两者保持水量平衡时的lai,即为立地土壤水分植被承载力。本文据此建立了不同立地类型的植被lai与土层厚度(t)的关系式:立地类型Ⅰ为lai=0.004637t-2.4、立地类型Ⅱ为lai=0.005467t-1.55、立地类型Ⅲ为lai=0.005078t-1.55、立地类型Ⅳ为lai=0.00441t-1.55、立地类型Ⅴ为lai=0.008984t-2.066、立地类型Ⅵ为LAI=0.009577 T-2.066、立地类型Ⅶ为LAI=0.011016 T-2.066,应用以上关系式和土层厚度可计算出不同立地条件下的土壤水分植被承载力。为便于指导林业生产,本文将叠叠沟小流域主要植被类型的LAI转换为植被密度或者盖度来表示,其中:乔木林LAI与密度(N)关系为26.53202.1?=LAIN,灌木林LAI与盖度(C)关系为C=100×[1-exp(-0.497LAI)],草本群落LAI与盖度(C)关系为C=100×[1-exp(-1.226 LAI)]。基于以上结果,本文对小流域现有植被的空间配置提出了一些调整的建议。
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【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S718.5

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