宁夏六盘山华北落叶松人工林植被碳密度时空特征及其环境响应

【目的】调查分析宁夏南部六盘山区华北落叶松人工林乔木层、灌木层和草本层碳密度大小及其时空变化规律,建立考虑立地环境和林分结构等主要因子影响的碳密度模型,为我国西北山区复杂地形条件下人工林碳密度估算和可持续经营提供理论基础和决策工具。【方法】采用样地清查与数学模型相结合的方法确定研究区华北落叶松人工林乔木层和林下灌草层碳密度;应用外包线法确定各植被层碳密度对各主要因子(林龄、林分密度、年均降水量、年均气温和坡向)的响应规律及其函数形式,通过连乘耦合构建反映多因子综合影响的植被碳密度模型,并基于实测数据进行模型率定和检验。【结果】1)六盘山区华北落叶松人工林植被碳密度平均为46.82 t·hm^(-2),其中乔木层占94.92%,灌木层和草本层分别占4.76%和0.32%。2)乔木层碳密度随林龄、林分密度、年均降水量增大先快速增加、超过阈值后缓慢增加并渐趋最大值,相应阈值为林龄30年、林分密度1500株·hm^(-2)、年均降水量525 mm;随年均气温增加先增后减,6℃时达到峰值;随坡向增大(正北为0°,随向两侧偏离正北方向的角度而增大)呈近线性降低。3)林下灌草层碳密度随乔木层碳密度增加近线性减少,随年均气温、年均降水量和坡向的变化规律与乔木层相同,相应阈值同样为年均气温6℃、年均降水量525 mm。4)多因子耦合模型可较好估算乔木层和林下灌草层碳密度变化,其R^(2)分别为0.8和0.7。5)根据模型模拟结果,华北落叶松人工林植被碳密度随海拔升高先增后降,垂直差异较大,最高分布范围在海拔2200~2400 m之间;受地形和气候影响表现出一定的水平差异,西高东低、南高北低;阴坡植被碳密度高于阳坡,其中乔木层相差约20%,灌草层相差可达1倍。【结论】宁夏六盘山华北落叶松人工林植被碳密度平均为46.82 t·hm^(-2),以乔木层为主,受立地环境(年均降水量、年均气温、坡向)和林分结构(林龄、林分密度)的多因子综合影响,林下灌草层碳密度受乔木层生物量影响,应用多因子耦合模型可较好解释并预测其时空变化;合理选择造林立地类型和林分密度有利于维持较好的华北落叶松林植被碳密度和层次组成。

黄麻纤维加筋条件对崩岗岩土无侧限抗压强度的影响

借鉴剑麻等天然纤维加筋土的研究成果,初步确定包括加筋长度、加筋率、加筋位置3种因素的崩岗岩土黄麻纤维加筋条件,通过无侧限抗压强度试验和正交试验设计方法,选出崩岗不同层次土体的最优加筋条件为红土层01:加筋长度为15mm,加筋率为0.35%,加筋位置为整体加筋;红土层02:加筋长度为15mm,加筋率为0.25%,加筋位置为上部加筋;砂土层03:加筋长度为15mm,加筋率为0.35%,加筋位置为整体加筋;碎屑层04:加筋长度为15mm,加筋率为0.30%,加筋位置为下部加筋。通过对比黄麻纤维加筋土和未加筋土的应力应变特性,结果表明:在最优加筋条件下崩岗4层土体的无侧限抗压强度比未加筋土体分别提高了27.81%,29.73%,23.26%,39.58%;未加筋土无侧限抗压强度与加筋土无侧限抗压强度存在线性回归关系(R^2=0.977 9);同时黄麻纤维加筋还限制了土体的横向变形。研究成果为利用生物材料改良崩岗岩土力学性质,提高崩岗稳定性提供科学依据。

六盘山华北落叶松林分蒸腾日内变化及其对环境因子的响应

【目的】理解林木蒸腾日内变化及其对主要环境因子的响应规律,进一步阐释短时间尺度下环境条件调控森林蒸腾的机理。【方法】以宁夏六盘山香水河小流域华北落叶松人工林为研究对象,在2018年生长季(5—10月)连续监测样树的树干液流变化,并同步观测气象条件和土壤湿度,分析小时尺度的林分蒸腾对环境因子的响应,并建立多因素影响的蒸腾模型。【结果】(1)在小时尺度上,林分蒸腾量(T)对太阳辐射(Rs)和饱和水汽压差(VPD)的响应均呈二次多项式函数关系;随Rs和VPD的增加,T均先增加,当Rs和VPD分别达到666.7 W/m2和1.86 kPa后达到峰值,然后逐渐减小。(2)T对土壤可利用水分(REW)的响应符合趋于饱和的指数关系,T随REW的增加表现为先增加,当REW> 0.3后,T逐渐趋于稳定。(3)在确定T响应Rs、VPD和REW的类型并耦合形成蒸腾模型后,利用生长季内的奇数天小时观测值进行拟合参数,并用偶数天小时观测值进行验证,得到T响应多因素变化的耦合模型:T=(-6.347 0×10-5Rs2-0.637 0Rs-208.734 8)×(-0.003 2VPD2+0.013 8VPD+0.001 7)×(-0.008 1-0.004 6(1-exp(-12.469 6REW))),该模型在校准阶段(R2=0.74,纳什效率系数(NSE)=0.82)和验证阶段(R2=0.77,NSE=0.84)均表现出较好的模拟效果。【结论】在小时尺度上,林分蒸腾量可以由耦合了太阳辐射、饱和水汽压差和土壤可利用水分影响的耦合模型进行较好的预测。本研究结果可为精确预测变化环境下的华北落叶松林分日内蒸腾提供理论基础,同时模型的构建方法可为其他区域和其他树种的林分蒸腾模型的建立提供参考依据。

掺砂对崩岗土壤无侧限抗压强度的影响

【目的】为了探索混合的砂土崩积堆发生二次崩塌时的力学特性,进行不同类型崩积堆室内模拟试验,探究其无侧限抗压强度变化规律及崩塌特性。【方法】本文采用无侧限抗压强度指标实验,设计2种掺砂方式(分层掺砂和混合掺砂)和5种掺砂水平(0%、25%、50%、75%、100%),模拟不同掺砂方式和掺砂量对崩积堆力学特性的影响。【结果】掺砂量越大,无侧限抗压强度越小,掺砂量从0%增加至100%,强度从71.1 kPa下降为14.6 kPa;分层掺砂的试样,下层极不稳定,试样的强度小且破坏严重,同一掺砂量,混合掺砂试样的无侧限抗压强度大,掺砂量为25%、50%、75%时,混合掺砂的无侧限抗压强度值比分层掺砂分别提高了53.28%、106.33%、21.13%;掺砂量低且混合掺砂时土体的无侧限抗压强度值大,上下层混合均匀的试样发生二次崩塌的可能性小。【结论】掺砂量显著降低了崩岗岩土无侧限抗压强度,掺砂量低时试样呈块状塌落,掺砂量高时呈碎屑状。同一掺砂量,混合掺砂较分层掺砂提高了无侧限抗压强度。