盐池沙地防护林林木耗水特性及其结构配置研究
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摘要
本论文针对干旱沙区防护林建设林水关系不协调的现实问题,以水资源平衡理论、土壤—植物—大气连续系统(SPAC)理论为基础,以节水型防护林植被恢复与重建为核心,选取宁夏盐池河东沙地典型防护林,重点针对四翅滨藜(Atripldex canescen)、小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、柠条(Caragana Korshinskii Kom)、沙枣(Elaeagnusangustifolia)、柽柳(Tamarix ramosissma Ledeb.)、沙柳(Salix psammophila)6种灌木以及白榆(Ulmus pumila)和新疆杨(Populus alba.)两种乔木防护林,系统研究不同树种及林分耗水特性,提出维持研究林分稳定的沙地林木水分环境容量,并对现有农田防护林配置现状进行评价,开展抗风蚀防护林配置研究。研究结果不仅有助于干旱半干旱地区植被建设中树种的科学选择;而且也将对今后该地区防护林建设中的结构配置起到科学的指导作用。
本论文的主要研究内容分为两大部分:
1.盐池河东沙地典型防护林林分耗水特性及林分水分环境容量研究,包括以下几个方面:
(1)盐池河东沙地防护林主要灌木和乔木林木的蒸腾耗水量模拟与预测;
(2)盐池河东沙地防护林主要林分蒸散特性及适宜林木生长的土壤水分条件;
(3)盐池河东沙地防护林林木需水量、林木植物系数和沙地水分环境容量的确定;
2.盐池河东沙地农田防护林结构配置及其防护效应研究,包括以下几个方面:
(1)盐池北部沙区典型农田防护林防风效能和阻沙效益的实地观测分析;
(2)盐池北部沙区不同配置模式的农田防护林防治土壤风蚀机理研究;
(3)盐池北部沙区林草结合的抗风蚀植被配置模式研究。
主要研究结论为:
1.采用Penman-Monteith法和茎流计法,可较为准确地模拟和推求盐池地区的林木蒸腾量。运用此法计算得到2005年、2006年5～10月生长季研究林木的实际蒸腾量分别为沙柳(182～196mm)、柽柳(177～186mm)、沙枣(159～182mm)、柠条(138～143mm)、小叶锦鸡儿(128～134mm)、四翅滨藜(112～130mm),白榆(174～181mm)、新疆杨(250～266mm)。灌木树种年蒸腾量大小排列顺序为:沙柳＞柽柳＞沙枣＞柠条＞小叶锦鸡儿＞四翅滨藜。白榆表现出较低耗水特性,年蒸腾量与沙柳和沙枣接近;新疆杨耗水量约为白榆的1.5倍。结果显示6～8月是一年中林木蒸腾量最大的时期,其蒸腾总量司达生长季蒸腾量的70%～80%。
2.根据实测数据,建立林地土壤蒸发与实验地小气象站水面蒸发相关方程,在分别求出生长季各月各林分的蒸腾耗水量和林地土壤蒸发量后,进而推求出林地蒸发散。2006年盐池生长季的六种灌木和两种乔木的实际蒸散耗水量:四翅滨藜(298mm)、小叶锦鸡儿(291mm)、柠条(287mm)、沙枣(338mm)、柽柳(331mm)、沙柳(329mm)、白榆(334mm)、新疆杨(427mm)。
3.利用盆栽试验,可根据光合速率Pn、蒸腾速率Tr、水分利用效率WUE等生理因子与SWC关系分析结果,确定沙柳、沙枣、小叶锦鸡儿和四翅滨藜等盐池沙地主要灌木树种的生理生长参数值。选择维持最高叶片水分利用效率的土壤含水量临界值和维持最高光合速率的土壤含水量临界值作为林木适宜的土壤水分范围,在盐池地区沙柳适宜的土壤含水量10.72%～14.36%、沙枣9.12%～11.40%、小叶锦鸡儿11.39%～13.20%、四翅滨藜10.07%～12.20%。
4.通过林木需水量与林木植物系数的研究,可以反映林地土壤水分的亏缺程度。通过计算得出适宜的土壤水分条件下2006年沙柳、柽柳、沙枣、柠条、小叶锦鸡儿、四翅滨藜、白榆和新疆杨在5～10月生长季的林木低限需水量。进行林木低限需水量与林分实际蒸散量的比较,得到沙柳、柽柳、沙枣、柠条、小叶锦鸡儿、四翅滨藜、白榆和新疆杨生长季土壤水分亏缺量分别为129.79mm、116.62mm、107.33 mm、148.65mm、145.27mm、88.53mm、126.3mm和175.26mm。
5.与降水资源相一致的林木水分环境容量可用于进行节水型树种筛选和防护林植被配置。本研究界定水分环境容量是指在无灌溉条件及无地下水源补充土壤水分的干旱半干旱地区,在维持区域生态平衡及水量平衡的前提下,一定降水资源所能容纳的某一植物种的数量,用立木正常生长所需要的最小水分营养面积来表示。计算得到与盐池2006年生长季80%保证率降水量相适宜的林木水分营养面积。在保证低限林木需水量的前提下,白榆和新疆杨所需的最小水分营养面积分别为15m~2和20 m~2,沙枣所需的最小水分营养面积为7 m~2;沙柳、柽柳、柠条、小叶锦鸡儿和四翅缤藜为4 m~2。
6.林分结构和植被配置是提高沙区防护林防风固沙效能的重要因素。小叶锦鸡儿灌木片林防护范围主要在林内和背风面距背风林缘0～3H(H表示树高)内,而背风面有效防护范围较小;沙柳灌丛林带的迎风面和背风面风速均处于起沙风速(4.53 m·s~(-1))以上,对农田不能形成有效防护;榆树乔木林带残缺不全,严重影响防风效益。沙柳林带和榆树林带都是林带背风面大量积沙,未能有效地将风沙流中的来沙阻挡在农田以外;小叶锦鸡儿片林阻沙主要分布在林内,表明其能对农田形成有效防护。沙区应发展窄林带、小网格的配置形式,主带间距控制在140m左右,副带间距为400m～800m,以防止和减少农田土壤风蚀的发生。要根据沙地水分条件进行林带配置。
Aiming to solve the contradiction between demand for the extension of forest vegetation and the limited water supply in sandy land and based on the theory of water resources balance,soil-plant-atmosphere continuum,the dissertation chose the main afforestation tree species of protection forest in Yanchi typical sandy land,such as Atripldex canescen,Caragana microphylla,Caragana Korshinskii Kom,Elaeagnus angustifolia,Tamarix ramosissma Ledeb.,Salix psammophila,Ulmus pumila,Populus alba.,systematically analyzed of the transpiration Characteristics of them,the rules of the transpiration water use and the soil evaporation water use of their wood stands,the actual evapotranspir- ation of the wood lands and the water requirement of them,as well as the soil water shortage of the wood lands,etc..These studies could provide the scientific bases for the selection of tree species and the choice of tree species and vegetation arrangement pattern.
The dissertation involved two aspects:
1.Water Consumption Characteristics of Trees and environmental water capacity of protection forest in Yanchi Sandy Land:
(1)The simulation and prediction of stand transpiration and water consumption;
(2)The vapotranspiration Characteristics of stand and the suitable soil moisture condition of tree growth in sandy land;
(3)Water requirement of forest tree,plant coefficient of forest tree and environmental water capacity of protection forest;
2.Structure Installation and effects in conrolling wind of Protection Forest in Yanchi Sandy Land
(1) Field observation on effects of typical farmland shelterbelts in controlling wind and sand in the sandy land of Yanchi;evaluation of protection function of shelter belts;
(2) The effects in conrolling wind and sand of different disposition structure of farm land shelterbelts;
(3) The disposition vegetable structure combining trees with grasses.
Major conclusions are summarized as follows:
1.Based on Penman Monteith method and probe system way,the evaporation of the forest stand can be accurately calculated.By two ways,the evaporation of the forest stand in experimental zones from 2005 to 2006 was calculated:Salix Psammophila(182～196mm),Tamarix ramosissma Ledeb.(177～186mm), Elaeagnus angustifolia(159～182mm),Caragana Korshinskii Kom(138～143mm),Caragana microphylla(128～134mm),Atripldex canescens(112～130mm) is the sequence of annual transpiration water use.The amount of annual transpiration water use of single Ulmus pumila is 0.5 time fewer than that of a Populus alba.
2.The model of the relationship of the soil evaporation of wood lands(Z) with the free water surface evaporation(X) and the soil moisture(Y) was established based on the investigated data.Based on Water Consumption of four shrubs and two arbors of whole growing season in 2006 and soil evaporation of forest land,calculating the actual evaporation.The actual evaporation of Atripldex canescen,Caragana microphylla Lam,Caragana Korshinskii Kom,Elaeagnus angustifolia,Tamarix ramosissma Ledeb.,Salix Psammophila,Ulmus pumila L,Populus alba.respectively is 298mm,291mm,287mm,338mm,331mm, 329mm,334mm and 427mm.
3.Study on the relation among photosynthesis rate,stomatal conductance,transpiration rate,water use efficiency and soil water content.Based on the result and parameter,we choose the suitable SWC of Salix Psammophila Elaeagnus angustifolia is 10.72%～14.36%,Elaeagnus angustifolia is 9.12%～11.40%, Caragana microphylla is 11.39%～13.20%and Atripldex canescen is 10.07%～12.20%.
4.Under suitable soil moisture,the lower limits of annual water requirements during the growth season (from May to October) of Atripldex canescen,Caragana microphylla Lam,Caragana Korshinskii Kom, Elaeagnus angustifolia,Tamarix ramosissma Ledeb.,Salix Psammophila,Ulmus pumila L,Populus alba. respectively is 387mm,437mm,436mm,445mm,447mm,459mm in the sandy land.
5.The least water nourishment area(S) for a tree growth in the sandy land of Yanchi was as follows: 15m~2 for a Ulmus pumila and 20m~2 for a Populus alba.The least water nourishment area(S) for a tree growth in the sandy land of Dalate was as follows:7m~2 for a Elaeagnus angustifolia;4m~2 for a Salix Psammophila,a Caragana Korshinskii Kom,a Tamarix ramosissma Ledeb,a Caragana microphylla Lam and a Atripldex canescens.
6.Stand structure and vegetation arrangement pattern is important factor influencing effects of farm land shelterbelts in conrolling wind and sand.Field observation on effects of typ ical farmland shelterbelts in controlling wind and sand in the sandy land of Yanchi in Ningxia revealed that the shelterbelt of Caragana m icrophylla shrubberies provided shelter over the woodlot perse and 0-3H(H stands for tree height) at the leeway edge of the forest,with a limited effective range in the leeway;that the wind speeds at both windward side and leeward side of the shelterbelt of Salix psamm ophila were greater than the threshold velocity(4.53 m·s~(-1)) of sand rising,so the shelterbelt gave little protection of the farmland;and that the fragmentary shelterbelt of Ulm uspumila,was unable to play its wind-breaking role.Sands accumulated on the leeway side of the latter two shelterbelts,indicating that they could not effectively prevent aeolian sands from coming into the farmland,while sands arrested inside the belts of Caragana microphylla,showing its effectiveness in controlling aeolian sands.
本论文的主要研究内容分为两大部分:
1.盐池河东沙地典型防护林林分耗水特性及林分水分环境容量研究,包括以下几个方面:
(1)盐池河东沙地防护林主要灌木和乔木林木的蒸腾耗水量模拟与预测;
(2)盐池河东沙地防护林主要林分蒸散特性及适宜林木生长的土壤水分条件;
(3)盐池河东沙地防护林林木需水量、林木植物系数和沙地水分环境容量的确定;
2.盐池河东沙地农田防护林结构配置及其防护效应研究,包括以下几个方面:
(1)盐池北部沙区典型农田防护林防风效能和阻沙效益的实地观测分析;
(2)盐池北部沙区不同配置模式的农田防护林防治土壤风蚀机理研究;
(3)盐池北部沙区林草结合的抗风蚀植被配置模式研究。
主要研究结论为:
1.采用Penman-Monteith法和茎流计法,可较为准确地模拟和推求盐池地区的林木蒸腾量。运用此法计算得到2005年、2006年5～10月生长季研究林木的实际蒸腾量分别为沙柳(182～196mm)、柽柳(177～186mm)、沙枣(159～182mm)、柠条(138～143mm)、小叶锦鸡儿(128～134mm)、四翅滨藜(112～130mm),白榆(174～181mm)、新疆杨(250～266mm)。灌木树种年蒸腾量大小排列顺序为:沙柳＞柽柳＞沙枣＞柠条＞小叶锦鸡儿＞四翅滨藜。白榆表现出较低耗水特性,年蒸腾量与沙柳和沙枣接近;新疆杨耗水量约为白榆的1.5倍。结果显示6～8月是一年中林木蒸腾量最大的时期,其蒸腾总量司达生长季蒸腾量的70%～80%。
2.根据实测数据,建立林地土壤蒸发与实验地小气象站水面蒸发相关方程,在分别求出生长季各月各林分的蒸腾耗水量和林地土壤蒸发量后,进而推求出林地蒸发散。2006年盐池生长季的六种灌木和两种乔木的实际蒸散耗水量:四翅滨藜(298mm)、小叶锦鸡儿(291mm)、柠条(287mm)、沙枣(338mm)、柽柳(331mm)、沙柳(329mm)、白榆(334mm)、新疆杨(427mm)。
3.利用盆栽试验,可根据光合速率Pn、蒸腾速率Tr、水分利用效率WUE等生理因子与SWC关系分析结果,确定沙柳、沙枣、小叶锦鸡儿和四翅滨藜等盐池沙地主要灌木树种的生理生长参数值。选择维持最高叶片水分利用效率的土壤含水量临界值和维持最高光合速率的土壤含水量临界值作为林木适宜的土壤水分范围,在盐池地区沙柳适宜的土壤含水量10.72%～14.36%、沙枣9.12%～11.40%、小叶锦鸡儿11.39%～13.20%、四翅滨藜10.07%～12.20%。
4.通过林木需水量与林木植物系数的研究,可以反映林地土壤水分的亏缺程度。通过计算得出适宜的土壤水分条件下2006年沙柳、柽柳、沙枣、柠条、小叶锦鸡儿、四翅滨藜、白榆和新疆杨在5～10月生长季的林木低限需水量。进行林木低限需水量与林分实际蒸散量的比较,得到沙柳、柽柳、沙枣、柠条、小叶锦鸡儿、四翅滨藜、白榆和新疆杨生长季土壤水分亏缺量分别为129.79mm、116.62mm、107.33 mm、148.65mm、145.27mm、88.53mm、126.3mm和175.26mm。
5.与降水资源相一致的林木水分环境容量可用于进行节水型树种筛选和防护林植被配置。本研究界定水分环境容量是指在无灌溉条件及无地下水源补充土壤水分的干旱半干旱地区,在维持区域生态平衡及水量平衡的前提下,一定降水资源所能容纳的某一植物种的数量,用立木正常生长所需要的最小水分营养面积来表示。计算得到与盐池2006年生长季80%保证率降水量相适宜的林木水分营养面积。在保证低限林木需水量的前提下,白榆和新疆杨所需的最小水分营养面积分别为15m~2和20 m~2,沙枣所需的最小水分营养面积为7 m~2;沙柳、柽柳、柠条、小叶锦鸡儿和四翅缤藜为4 m~2。
6.林分结构和植被配置是提高沙区防护林防风固沙效能的重要因素。小叶锦鸡儿灌木片林防护范围主要在林内和背风面距背风林缘0～3H(H表示树高)内,而背风面有效防护范围较小;沙柳灌丛林带的迎风面和背风面风速均处于起沙风速(4.53 m·s~(-1))以上,对农田不能形成有效防护;榆树乔木林带残缺不全,严重影响防风效益。沙柳林带和榆树林带都是林带背风面大量积沙,未能有效地将风沙流中的来沙阻挡在农田以外;小叶锦鸡儿片林阻沙主要分布在林内,表明其能对农田形成有效防护。沙区应发展窄林带、小网格的配置形式,主带间距控制在140m左右,副带间距为400m～800m,以防止和减少农田土壤风蚀的发生。要根据沙地水分条件进行林带配置。
Aiming to solve the contradiction between demand for the extension of forest vegetation and the limited water supply in sandy land and based on the theory of water resources balance,soil-plant-atmosphere continuum,the dissertation chose the main afforestation tree species of protection forest in Yanchi typical sandy land,such as Atripldex canescen,Caragana microphylla,Caragana Korshinskii Kom,Elaeagnus angustifolia,Tamarix ramosissma Ledeb.,Salix psammophila,Ulmus pumila,Populus alba.,systematically analyzed of the transpiration Characteristics of them,the rules of the transpiration water use and the soil evaporation water use of their wood stands,the actual evapotranspir- ation of the wood lands and the water requirement of them,as well as the soil water shortage of the wood lands,etc..These studies could provide the scientific bases for the selection of tree species and the choice of tree species and vegetation arrangement pattern.
The dissertation involved two aspects:
1.Water Consumption Characteristics of Trees and environmental water capacity of protection forest in Yanchi Sandy Land:
(1)The simulation and prediction of stand transpiration and water consumption;
(2)The vapotranspiration Characteristics of stand and the suitable soil moisture condition of tree growth in sandy land;
(3)Water requirement of forest tree,plant coefficient of forest tree and environmental water capacity of protection forest;
2.Structure Installation and effects in conrolling wind of Protection Forest in Yanchi Sandy Land
(1) Field observation on effects of typical farmland shelterbelts in controlling wind and sand in the sandy land of Yanchi;evaluation of protection function of shelter belts;
(2) The effects in conrolling wind and sand of different disposition structure of farm land shelterbelts;
(3) The disposition vegetable structure combining trees with grasses.
Major conclusions are summarized as follows:
1.Based on Penman Monteith method and probe system way,the evaporation of the forest stand can be accurately calculated.By two ways,the evaporation of the forest stand in experimental zones from 2005 to 2006 was calculated:Salix Psammophila(182～196mm),Tamarix ramosissma Ledeb.(177～186mm), Elaeagnus angustifolia(159～182mm),Caragana Korshinskii Kom(138～143mm),Caragana microphylla(128～134mm),Atripldex canescens(112～130mm) is the sequence of annual transpiration water use.The amount of annual transpiration water use of single Ulmus pumila is 0.5 time fewer than that of a Populus alba.
2.The model of the relationship of the soil evaporation of wood lands(Z) with the free water surface evaporation(X) and the soil moisture(Y) was established based on the investigated data.Based on Water Consumption of four shrubs and two arbors of whole growing season in 2006 and soil evaporation of forest land,calculating the actual evaporation.The actual evaporation of Atripldex canescen,Caragana microphylla Lam,Caragana Korshinskii Kom,Elaeagnus angustifolia,Tamarix ramosissma Ledeb.,Salix Psammophila,Ulmus pumila L,Populus alba.respectively is 298mm,291mm,287mm,338mm,331mm, 329mm,334mm and 427mm.
3.Study on the relation among photosynthesis rate,stomatal conductance,transpiration rate,water use efficiency and soil water content.Based on the result and parameter,we choose the suitable SWC of Salix Psammophila Elaeagnus angustifolia is 10.72%～14.36%,Elaeagnus angustifolia is 9.12%～11.40%, Caragana microphylla is 11.39%～13.20%and Atripldex canescen is 10.07%～12.20%.
4.Under suitable soil moisture,the lower limits of annual water requirements during the growth season (from May to October) of Atripldex canescen,Caragana microphylla Lam,Caragana Korshinskii Kom, Elaeagnus angustifolia,Tamarix ramosissma Ledeb.,Salix Psammophila,Ulmus pumila L,Populus alba. respectively is 387mm,437mm,436mm,445mm,447mm,459mm in the sandy land.
5.The least water nourishment area(S) for a tree growth in the sandy land of Yanchi was as follows: 15m~2 for a Ulmus pumila and 20m~2 for a Populus alba.The least water nourishment area(S) for a tree growth in the sandy land of Dalate was as follows:7m~2 for a Elaeagnus angustifolia;4m~2 for a Salix Psammophila,a Caragana Korshinskii Kom,a Tamarix ramosissma Ledeb,a Caragana microphylla Lam and a Atripldex canescens.
6.Stand structure and vegetation arrangement pattern is important factor influencing effects of farm land shelterbelts in conrolling wind and sand.Field observation on effects of typ ical farmland shelterbelts in controlling wind and sand in the sandy land of Yanchi in Ningxia revealed that the shelterbelt of Caragana m icrophylla shrubberies provided shelter over the woodlot perse and 0-3H(H stands for tree height) at the leeway edge of the forest,with a limited effective range in the leeway;that the wind speeds at both windward side and leeward side of the shelterbelt of Salix psamm ophila were greater than the threshold velocity(4.53 m·s~(-1)) of sand rising,so the shelterbelt gave little protection of the farmland;and that the fragmentary shelterbelt of Ulm uspumila,was unable to play its wind-breaking role.Sands accumulated on the leeway side of the latter two shelterbelts,indicating that they could not effectively prevent aeolian sands from coming into the farmland,while sands arrested inside the belts of Caragana microphylla,showing its effectiveness in controlling aeolian sands.
引文
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