干旱胁迫下环境与生理因子对晋西黄土区刺槐人工林树干液流的影响

【目的】探究干旱胁迫对晋西黄土区刺槐人工林蒸腾耗水的影响,揭示干旱胁迫下环境和生理对刺槐蒸腾耗水的调控机制,为晋西黄土区刺槐人工林的经营和水分管理提供理论依据。【方法】以晋西黄土区刺槐人工林为研究对象,通过降雨拦截试验(整个生长季减雨50%),连续监测刺槐的树干液流变化,并同步监测环境因子和水分生理变化,分析环境和水分生理对树干液流的影响。【结果】(1)干旱处理显著降低了刺槐的液流速率(Js),干旱处理下平均Js(0.92 g/(cm^(2)·h))显著低于对照处理下的平均Js(1.87 g/(cm^(2)·h)),但其变化规律相似。(2)干旱处理影响了刺槐的枝、叶相对含水量,且随着干旱处理时间的延长,枝、叶相对含水量降低。不同处理条件下,刺槐枝、叶水势和水容均呈“V”字型变化,干旱处理下的枝、叶片水势(-1.22 MPa、-0.72 MPa)低于对照处理(-1.15 MPa、-0.60 MPa)。干旱处理下枝、叶水容降低,分别为0.52 g/(cm^(3)·MPa)和1.05×10^(-2)g/(cm^(2)·MPa)。(3)刺槐树干液流的变化受气象因子、土壤水分条件和水分生理因子的共同影响,不同处理条件下蒸散的主控因子均为太阳总辐射,干旱处理下枝、叶水容对刺槐树干液流速率的影响减弱,表明相较于干旱处理,对照条件下刺槐更依赖于组织水容储水来满足蒸腾耗水。【结论】研究揭示了干旱胁迫显著降低了刺槐液流速率,但未改变其液流活动规律。刺槐人工林树干液流变化受多种因子的共同影响,主导因子依次为气象因子、土壤水分和水分生理因子。研究结果有助于深入理解干旱条件下人工林的蒸腾耗水过程的变化特征,对评估气候变化条件下黄土区人工林生态系统的稳定性和生态水文过程具有重要意义。

模拟降雨减少对刺槐人工林土壤养分和微生物群落的影响

降雨是黄土高原地区土壤水分的最主要来源。为探明降雨减少对黄土高原半湿润区土壤养分和土壤微生物群落的影响,以刺槐人工林为研究对象,通过搭设透光遮雨板将部分穿透雨导流至样地外,实施了4年减少总降雨输入约47%的处理,测定了在不同降雨条件下林地的土壤养分含量、土壤微生物多样性及群落结构特征,分析了土壤养分和土壤微生物对降雨减少的响应。结果表明:减雨处理4年后(1)处理样地土壤有机碳、全氮、全磷含量均低于对照样地,全氮含量差异达到显著水平(P<0.05)。(2)对照样地生长季和非生长季土壤微生物多样性差异不显著,减雨处理样地非生长季的细菌均匀度显著低于处理样地生长季和对照样地非生长季(P<0.05);降雨减少对细菌和真菌的群落结构有显著影响(P<0.05),降雨减少显著降低了酸杆菌门(Acidobacteria)的相对丰度,提高了放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、子囊菌门(Ascomycota)和被孢霉门(Mortierellomycota)的相对丰度(P<0.05)。(3)土壤有机碳、全氮含量与部分细菌相对丰度显著相关,土壤全氮含量与被孢霉门真菌相对丰度显著正相关(P<0.05)。综上所述,减雨处理4年对土壤养分含量影响较弱,对细菌多样性影响显著,对细菌和真菌群落结构有显著影响,且土壤养分含量与土壤微生物相对丰度之间存在相关关系,研究结果为进一步探讨降雨量持续减少对黄土高原半湿润区人工林的影响提供了理论参考。

黄土高原刺槐人工林立地指数变化及评价

【目的】在黄土高原研究刺槐人工林优势木平均高及立地指数(基准林龄15年时优势木平均高)对气候和立地因子的响应,建立模型评价立地质量。【方法】对样地调查及文献搜集数据,用外包线法确定优势木平均高的单因子响应规律和适宜函数形式,然后建立多因子耦合模型并用实测数据率定,籍此评价立地指数空间差异。【结果】地形部位对优势木平均高的影响差异较大,相对得分表现为沟底1.000>塬面0.906>梁坡下部0.837>梁坡中部0.438>沟坡0.210>梁坡上部0.176>梁峁顶0.000。当年均降水量小于550 mm时,优势木平均高随年均降水量升高快速增加,之后渐趋平缓;优势木平均高随年均气温升高呈先增后减,最适范围是7.5~11.0℃。建立了耦合气候和立地因子影响的优势木平均高模型,拟合度较好(R^(2)=0.72)。依据对优势木平均高的影响,将年均气温和降水量都分为4级(<6.0℃,太冷,不能生长;6.0~7.5℃,冷,不宜或较宜生长;7.5~11.0℃,温,最宜生长;>11.0℃,暖,较宜或不宜生长。<400 mm,太旱,不能生长;400~450 mm,旱,不宜生长;450~550 mm,润,较宜生长;>550 mm,湿,最宜生长),据此确定了黄土高原不能刺槐造林的区域,提出了可刺槐造林区域的气候分区,其中温湿区、温润区、暖湿区和温旱区的平均立地指数均为中等或以上(>7.5 m),宜于刺槐生长;但冷旱/润区和暖润区立地较差,整体不宜刺槐生长。对各气候分区,计算了各立地类型(地形部位与坡向的组合)的立地指数,评价了立地质量。【结论】黄土高原刺槐人工林的立地指数同时受气候和立地因子影响。综合考虑这些影响的气候分区和立地评价可以指导精细的刺槐造林立地选择和林分科学经营。

陕北地区刺槐人工林林冠郁闭度对林下植物生长特性的影响

为探究陕北地区刺槐人工林林冠郁闭度对林下植物生长特性的影响,以长武县红星国有生态林场内的不同年龄段刺槐人工林及相应的撂荒地作为研究对象,包括幼龄林(9年生)、中龄林(17年生)和近熟林(30年生)及撂荒地(对照)。通过在每个样地内设立固定监测点,收集了林下植物的生长速率、生物量和形态特征(包括高度、茎粗和叶片大小)等数据。研究结果显示,林冠郁闭度的增加显著降低了对光照需求较高的野草和灌木类植物的生长速率和生物量积累,而耐阴的蕨类植物则表现出较强的适应性。此外,植物的平均高度、茎粗和叶片大小也随郁闭度的增加而减少,且趋势在对光照需求较高的植物中更为明显。

黄土高原刺槐人工林地表凋落物对土壤呼吸的贡献

于黄土高原沟壑区王东沟小流域26年刺槐人工林(Robinia pseudoacacia)中,设置对照(CK)、去除凋落物(no litter,NL)和倍增凋落物(double litter,DL)3个处理,利用Li-8100系统测定各处理的土壤呼吸速率。结果表明,添加或去除凋落物显著影响土壤呼吸(P=0.091-0.099),与对照(CK)的土壤呼吸速率(3.23μmol m-2s-1)相比,添加凋落物(DL)使土壤呼吸速率增加26%,去除凋落物(NL)使土壤呼吸速率减少22%。NL、CK和DL的累积土壤呼吸分别为631、787和973 g C m-2a-1。各处理土壤呼吸速率与土壤温度呈显著的指数关系(R2=0.81-0.90,P<0.0001),但与土壤水分的关系不明显。NL、CK和DL的Q10依次为1.92、2.29和2.31。地表凋落物对土壤呼吸年平均贡献量为20%。相关性分析表明,各测定日地表凋落物贡献与土壤温度(r=0.54,P<0.05)或土壤水分关系显著(r=0.68,P<0.05)。刺槐人工林地表凋落物的输入量为213 g C m-2a-1,大于凋落物引起的呼吸量156 g C m-2a-1。在黄土区通过植被恢复治理水土流失过程中,随着地表凋落物的积累,林地生态系统的碳汇功能将逐步得到加强。

北京密云水库集水区刺槐人工林空间结构分析

2006年,在北京市五座楼林场选择以刺槐为优势树种的人工林为研究对象,利用混交度、大小比数和角尺度3种结构参数,结合树种组成,分析了刺槐人工林林分空间结构。结果表明:刺槐人工林的树种混交度以零度混交(Mi=0)和弱度混交(Mi=0.25)为主,树种的平均混交度为0.158,说明刺槐林的树种空间配置简单,林分中树种混交程度较低;林木大小比数分布存在波动性变化,林分中优势、亚优势和中庸状态分布的个体比例相差不大,乔木层树种稳定性大;在角尺度研究中,相对空间结构单元而言,个别等级林木分布频度变化幅度较大,分布格局呈集群分布。

黄土高原子午岭天然林与刺槐人工林地土壤干化状况对比

详细调查和对比分析了子午岭(富县)天然林地和人工林地土壤水分状况和植被状况,发现天然林地水分亏缺不严重,只在浅层形成了轻度亏缺,并在雨季后能得到及时的恢复;同时这种亏缺并没有影响到天然植被的发育与演替。人工林地土壤水分则亏缺明显,深层亏缺尤为严重,土壤含水量最低平均达到5.90%,已接近凋萎湿度,且这种水分亏缺严重影响了人工林的生存和发展,部分林地已出现了明显的衰退迹象。在此基础上,说明了天然林地土壤水分状况明显优于人工林地的原因是天然林在林分结构上形成了典型的“乔-灌-草”复层稳定的空间层片结构,具有很强的自我调节能力,使天然林在物种的组成成分上逐渐向喜干物种方向发展,以适应气候旱化的总趋势;而人工林则因其结构简单,物种单一,自我调节能力差,在连续干旱的条件下因植被对土壤水分的过度消耗,形成了严重程度不一的土壤干化层。同时,从天然植被的自然水分状况入手,提出了“林地稳定土壤持水量”的概念,来界定土壤干化现象:依据土壤水分的亏缺现状初步将干化程度分为轻度干层(8%～10%)、中度干层(6%～8%)和严重干层(<6%)3个等级;依据土壤水分的补偿深度又将其划分为临时性干层和持续性干层。研究认为,当前人工林地的土壤水分出现严重亏缺而形成土壤干化层是人为不合理经营造成人工林群落林分结构不完善的结果,如果人为干预适当,能创造出类似于天然植被的生存条件,人工植被完全有可能得到正常的生存和发展。

华北石质山区刺槐人工林的土壤呼吸

2006年1—12月,利用Li-8100土壤呼吸自动观测系统及AR5土壤温度湿度自动观测系统观测土壤呼吸速率、土壤温度及湿度,分析华北石质山区35年生刺槐林土壤呼吸速率时间变化规律及其影响机制。结果表明:1)刺槐林土壤呼吸速率日内变化特征不明显,但日际及季节变化明显,全年呈现出单峰变化趋势,且与土壤温度的日际及季节变化趋势基本一致。具体表现为:1—3月土壤呼吸速率较低,日际变化略有波动,从4月开始逐渐上升,直至7月达到最大值,而后开始逐渐下降,直至11月约降低至1—3月时的水平,并保持到12月。全年土壤呼吸速率平均值为2.50μmol·m-2s-1,主要生长季(4—10月)土壤呼吸速率明显高于非主要生长季(1、2、11及12月),二者分别为3.63与0.90μmol·m-2s-1。2)刺槐林地土壤呼吸速率与表层0cm、地下5、10、15和20cm深度处土壤温度都存在极显著的指数相关关系(p<0.01),且与土深20cm处温度的相关性最好。上述不同深度处的Q10值分别是2.20、2.28、2.34、2.40和2.48。3)刺槐林地土壤含水量与土壤呼吸速率的相关关系不明显。

黄土高原中西部刺槐人工林生态系统碳密度及其影响因子

为阐明黄土高原中西部刺槐人工林碳密度区域分布特征及其主要影响因子,基于野外样地调查和室内样品分析估算了黄土高原中西部4个栽培区域的刺槐人工林生态系统碳密度及其分布特征,并利用相关性分析和主成分分析分析了影响生态系统碳密度的主要因子(林分、地形、土壤和气候等)。结果表明:调查区5个林龄的刺槐人工林生态系统生物量为34.13—133.08t/hm^2,不同区域之间各组分生物量存在显著性差异。植被层平均碳含量为221.93—454.67 g/kg,总体上表现为乔木层平均碳含量高于灌、草层,枯落物层平均碳含量最低,不同区域乔木、灌木、草本平均碳含量均存在显著性差异。刺槐人工林生态系统碳密度均值为106.86 t/hm^2,其中土壤层碳密度占刺槐人工林生态系统总碳密度的64.09%,是刺槐人工林生态系统碳密度的主要组成部分。植被层碳密度为38.68 t/hm^2,其中乔木层碳密度(33.88 t/hm^2)占植被层碳密度的87.58%,灌木、草本、枯落物所占比例依次为1.98%(0.77 t/hm^2)、2.00%(0.77 t/hm^2)、8.43%(3.26 t/hm^2)。不同区域土壤、生态系统碳密度均存在显著性差异。相关性分析和主成分分析表明,刺槐人工林生态系统碳密度与林龄、降水量呈显著正相关关系,与林分密度、平均气温、海拔和坡度的相关关系不显著,上述林分因子、地形因子和环境因子转化的主成分方差累积贡献率为91.07%,其中林龄和降水量是影响刺槐人工林生态系统碳密度的主要因子,方差贡献率为37.22%。

黄土高原刺槐人工林地土壤颗粒分形特征研究

采用分形理论,研究黄土高原刺槐人工林地不同树龄和不同深度的土壤颗粒的分形特征。结果表明,在刺槐人工林凋落物和根系等的作用下,人工林能够提高林地土壤的团聚能力,降低土壤的分形维数;不同树龄刺槐人工林地的土壤颗粒分形维数在土壤剖面的不同深度上趋于均一,而且小于同种质地的其他土壤;土壤颗粒分形维数可以反映森林土壤粒径分布的变化,因而可作为评价森林土壤生态特征的指标。

永寿县刺槐人工林空间结构研究

利用大小比数和角尺度2种结构参数比较和分析了永寿县刺槐人工林的空间结构,结果表明:林木在最小结构单元中的距离分布为单峰型;胸径大小比数和树高大小比数在反映目标树与相邻木的生长优势方面具有较强的一致性;刺槐人工林的林木分布格局呈现均匀分布。

黄土丘陵区刺槐人工林土壤养分特征及演变

为了探明黄土丘陵沟壑区人工林土壤养分状况及其演变规律,应用时空互代的方法,以刺槐林为代表,对该区不同利用年限的人工林土壤养分特征及其时空变化等进行了系统研究。结果表明,黄土丘陵区人工林土壤肥力处于低水平;人工林表层土壤养分中有机质和速效磷的空间变异性较大;坡度、坡向、坡位等环境因子对土壤养分有一定的影响。随利用年限的增加,人工林土壤全氮,有机质、碱解氮、速效钾含量及土壤养分指数均增加,与利用年限有极显著的相关性,其变化趋势符合y=axb模型。全氮,有机质和碱解氮随利用年限的增加量不显著,而速效钾每经过10年就有显著增加,全磷和速效磷含量则保持相对衡定的水平。黄土丘陵区人工林地土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾及养分指数年增长率分别约为0.20g kg、0.01g kg、0.69mg kg、2.27mg kg和0.04。该区人工林地土壤有机质、全氮、碱解氮及养分指数约需50年、速效钾约需30年可达到中上等养分水平。

太行山低山区刺槐人工林水土保持效应研究

利用小型径流观测场对比观测了不同林地降雨、径流过程以及全年的土壤侵蚀量。结果表明 ,与裸地相比刺槐林有很好的水土保持作用 ,能明显地减少地表径流和泥沙侵蚀。3 0 mm左右降雨量 ,有林地减少地表径流的能力是无林地的 3倍以上。2 0 0 0年径流观测场有林地土壤流失量为 179.4 2 g/ m2 ,无林地土壤流失量为 980 .1g/m2 。无林地土壤侵蚀量随降雨量的不同约是有林地的 3～ 5倍 ,有林地年度总侵蚀量较无林地减少 5倍以上。

黄石铁尾矿废弃地刺槐人工林土壤肥力研究

用常规方法测定了覆盖混合基质的黄石铁尾矿废弃地的刺槐Robinia pseudoacacia人工林土壤的pH以及有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾含量,用稀释平板法测定土壤固氮菌和解磷菌数量,分别用比色法、磷酸苯二钠比色法和高锰酸钾滴定法测定脲酶、磷酸酶及过氧化氢酶酶活性.结果表明,刺槐人工林下土壤pH比未种植植物的铁尾矿废弃地低4.7%,土壤的有机质、全氮、全磷质量分数分别为101.5、2.8和1.5 g.kg-1,碱解氮、速效磷和速效钾质量分数分别为、130.7、16.2和201.8 mg.kg-1,均极显著高于对照,而土壤的全钾含量比对照低13.7%.刺槐人工林土壤的自生固氮菌数量与解磷菌数量分别为75.0×105和85.7×105 cfu.g-1,土壤脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性分别为2.7 g.kg-1.d-1、317.6 mg.kg-1.h-1和4.6 mL.g-1.h-1,均极显著高于对照.可见,覆盖混合基质能够提高养分含量,促进刺槐的定居,而刺槐的生长进一步改善了土壤性质,促进了铁尾矿废弃地的生态恢复.

不同林龄刺槐人工林植物与土壤C、N、P化学计量特征演变

为揭示黄土丘陵区刺槐人工林恢复过程中植被与土壤养分元素演变特征与互作关系,选取安塞区五里湾流域17a、27a、42a生的刺槐人工林为研究对象,综合探究叶片、枯落物、土壤中C、N、P的质量分数及C∶N∶P化学计量值随林龄增加的变化特征及相互关系。结果表明,叶片、土壤、枯落物中C质量分数均随刺槐林龄延长而显著增加;土壤中N质量分数在42a时较27a显著提高56.6%,叶片、枯落物N质量分数随着林龄延长而增加;叶片P质量分数随林龄延长显著增加,土壤、枯落物P质量分数表现为42a显著高于27a和17a。C∶N在叶片中仅42a显著下降,枯落物中则均随着林龄增长而减小,而土壤C∶N在各年限间无显著差异;叶片C∶P表现为42a显著低于27a和17a,枯落物C∶P在42a时显著高于27a和17a,土壤C∶P则随着刺槐林龄延长而显著增加;叶片N∶P在不同年限间无显著差异,土壤和枯落物N∶P则随林龄增长显著上升。刺槐林恢复过程中,叶片N∶P为16.21～18.79,说明黄土丘陵区人工刺槐林生长主要受P限制。相关分析则表明,刺槐林叶片、土壤和枯落物C、N、P质量分数之间呈显著正相关;但叶片与土壤C∶P之间呈极显著负相关,枯落物与土壤C∶P之间存在极显著正相关;N∶P在土壤和枯落物之间呈极显著正相关。综上,刺槐林恢复过程中土壤与植物养分库协同增加,且C∶P对三库间养分转化和互作关系最敏感。

永寿县刺槐人工林下植物多样性比较研究

通过典型样地调查,对永寿县不同因子影响的刺槐人工林下灌木层和草本层的物种丰富度、多样性指数和均匀度指数进行了比较分析,结果表明:不同林龄刺槐林下植物的Simpson指数、Shannon-Wiener指数和均匀度指数随年龄增大而降低,变化趋势是12 a生>17 a生>24 a生。当密度为1 000株.hm-2时,物种丰富度、Simpson指数和Shannon-Wiener指数最高。

渭北黄土区刺槐人工林氮、磷生态化学计量特征

以渭北黄土区20、30a和44a刺槐人工林生态系统为对象,研究了其内植物-枯落物-土壤的氮(N)磷(P)化学计量特征。结果表明:刺槐叶的N、P含量最高,干的N、P含量最低。土壤表层是N的富集区,而P在土层中分布均匀。随着林龄的增加,刺槐叶、根和枯落物的N、P含量呈下降趋势(p<0.05),刺槐枝的N、P含量呈上升趋势(p<0.05),刺槐干的N、P含量无显著变化;土壤中的N含量呈增加趋势,P含量则相反。刺槐叶、枝、干和枯落物不同林龄间的N∶P无显著性差异,平均值分别为18.75、21.39、15.43和17.20;30a和44a刺槐根的N∶P分别是20a的2.37和2.30倍(p<0.05)。土壤的N∶P随着林龄的增加而增大,各层土壤20a和44a时的N∶P均达到显著性差异(p<0.05)。土壤的N∶P随着土层深度的增大而减小,表层土壤的N∶P显著高于其下各土层(p<0.05)。表明P是该地区刺槐生长的主要限制元素。

渭北黄土高原区刺槐人工林健康评价体系的构建

【目的】研究渭北黄土高原区刺槐人工林的健康状况,构建评价模型,为该区刺槐人工林的可持续经营提供科学依据。【方法】以渭北黄土高原区刺槐人工林为研究对象,在永寿县槐平林场、扶风县野河林场、白水县方山林场选设84块样地进行调查,以评价人工林健康状况及持续发展能力为目标,从林分结构、林分活力、林分抗逆性等指标中筛选评价指标,再通过比较不同龄级(幼龄林、中龄林、成熟林、过熟林)各指标权重的变化确定最终评价指标,建立评价指标体系。采用层次分析与聚类分析法,构建刺槐人工林评价模型,计算各样地的健康指数,根据健康指数,将处于不同龄级的刺槐林划分为健康、亚健康和不健康3个等级。【结果】最终确定的渭北黄土高原区刺槐人工林健康评价体系包括活力指标(立地质量、枯梢比、更新状况)、结构指标(郁闭度、密度、平均胸径、平均树高)和抗逆性指标(森林火险等级和病虫害)。研究区刺槐林分健康状况的评价结果为:健康林占45.2%,亚健康林占42.9%,不健康林占11.9%,表明刺槐林的整体健康状况不良,急需进行健康经营抚育。【结论】构建的健康评价体系能客观地反映渭北黄土高原区刺槐人工林的健康状况。

晋西黄土区刺槐人工林林冠截留模拟

为探讨晋西黄土区刺槐人工林生态水文过程和影响机制,以2007和2008年7—10月的19场降雨和气象及林分结构资料,用修正的Gash林冠截留模型,对刺槐人工林林冠截留进行模拟。结果表明:刺槐人工林林冠持水能力和树干持水能力分别为0.55和0.109 1 mm,使林冠达到饱和的降雨量为0.75 mm,使树干达到饱和所必需的降雨量为8.70 mm;修正的Gash模型可以较好地模拟晋西黄土区刺槐人工林的林冠累计截留量,林冠累计截留量相对误差最小值为0.76%,最大值为12.60%,平均林冠累计截留量相对误差为6.40%,林冠累计截留量模拟值小于实测值,截流率比实测值低2.64%。

黄土沟壑区刺槐人工林的天然发育规律

为了鉴别黄土沟壑区不同生境刺槐林持续发育潜力,以延安地区纸坊沟和柳林镇公路山的刺槐群落为对象,对阴坡、阳坡生境造林后10,25和40年的刺槐人工林建群种径级结构、群落物种多样性、土壤养分水分状况进行对比分析。结果表明:在黄土高原丘陵沟壑区阴坡和阳坡刺槐人工林在经过25年发育,林木达到成熟阶段,个体平均胸径、高度和林下物种多样性、土壤养分、水分达到比较稳定状态;刺槐人工林造林后,随着时间推移,建群种树高、胸径增加迅速,体现群落生境质量参数也迅速增加,但25年以后增加不够明显。阴坡与阳坡生境的人工刺槐林比较,阴坡生境的林分,建群种在不同发育阶段个体生长发育良好,均具有足够数量萌生幼苗,林地物种多样性丰富,土壤养分水分相对优越,群落具有持续发育潜力。而阳坡刺槐人工林建群种个体发育不良,缺乏足够幼苗数量,林分物种多样性、土壤水分养分相对较差,不具备持续发育特征。未来该区域刺槐人工林培育,丘陵沟壑区应尽量避免在阳坡营造刺槐林,现有刺槐林也应该通过更换树种,改造成稀疏灌木-刺槐林。在现有阴坡刺槐林经营管理中,造林25年后就可以适当间伐一些劣质木、病虫木,促进幼苗萌生更新,促进群落向异龄方向发展。间伐中,应尽量减少对灌草层破坏,完善群落复层结构,提高生态效益。