CN106952174B - 一种基于土壤水分植被承载力的水源涵养林密度配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于土壤水分植被承载力的水源涵养林密度配置方法，包括如下步骤：1)确定坡面具体立地条件下的土壤有效水容量；2)确定具体林分年蒸散与其年内最大叶面积指数(LAI)之间的关系；3)确定具体立地条件下土壤厚度和LAI之间的关系；4)根据林分LAI与其密度(或盖度)之间的关系求算出林分合理密度(或盖度)。本发明不仅克服了荒山造林实践中以当地年降水量作为唯一关键因素的局限性，还考虑了土壤水分供给与不同年龄阶段树木水分消耗之间的动态关系，其结果可直接应用或推广到我国北方半干旱、半湿润山区水源涵养林的经营和管理实践中。

Description

一种基于土壤水分植被承载力的水源涵养林密度配置方法
技术领域
本发明涉及了一种基于土壤水分植被承载力的水源涵养林密度配置方法，尤其涉及了我国北方半干旱、半湿润山区水源涵养林的密度配置方法。
背景技术
在我国半干旱、半湿润的北方山区，水分是决定树木生长、分布及造林成功与否的限制性因素，而土壤水分植被承载力是维持林木健康生长、决定林分合理密度的核心和关键所在。
过去近几十年的荒山造林实践中，由于没有充分地考虑到土壤水分有效性对树木生长的限制作用及林地水分平衡等问题，导致了林分密度过大或随着树木生长所造成林地土壤水分的过度消耗，从而引发了树木生长不良乃至死亡，形成了所谓的“小老头树”和“土壤干层”的现象。
水源涵养林是指以调节、改善水源流量及水质的一种防护林，多分布在山区等重要水源区，对调节径流，防止水、旱灾害，合理开发、利用水资源具有重要意义。在我国北方水源涵养林的营林实践及土壤水分植被承载力研究中，多强调流域内年均降雨量(400毫米)对树木生长及造林的限制作用，而未考虑在既定的降雨条件下山区坡面立地因子(如土壤厚度)对土壤有效水容量的影响，也很少涉及土壤水分供给与不同年龄树木水分消耗之间的动态关系，这导致了理论结果难以直接应用和推广到山区具体立地林分的经营和管理生产实践中。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种基于土壤水分植被承载力的水源涵养林密度配置方法，。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种基于土壤水分植被承载力的水源涵养林密度配置方法，包括如下步骤：
1)确定坡面具体立地条件下的土壤有效水容量；
2)确定具体林分年蒸散与其年内最大叶面积指数之间的关系，林分年内最大叶面积指数用LAI表示；
3)确定具体立地条件下土壤厚度与LAI之间的关系；
4)根据LAI与乔木林的密度或灌丛的盖度的关系求算出林分合理密度。
优选的，步骤1)确定坡面具体立地条件的土壤有效水容量计算方法为：
A＝(F－W)×T，式中A为土壤有效水容量(mm)；F为田间持水量(％)；W为凋萎系数(％)；T为土壤厚度(mm)，指树木根系主要分布层深度，一般T<1500mm。
其中：W(凋萎系数，％)的测定方法参照中国林业科学研究院博士学位论文《六盘山叠叠沟小流域坡面植被水文影响与模拟》(杜阿朋，2009年；见第12页，2.1.2.3小节)，详细方法为：在选取的土壤剖面内，用100cm3环刀分层取土样，然后用CR22G型高速冷冻离心机(日本HITACHI产)测定并计算得到样地的土壤水分特征曲线，将土壤水分吸力为-1.5MPa(-15巴)时的土壤含水量作为萎蔫系数。
F(田间持水量，％)的测定方法参照《森林生态系统定位研究方法》(林业部科技司，1994，北京:中国科学技术出版社；见91页和98-100页)，详细方法为：包括野外土壤取样和实验室内处理两个步骤。①野外土壤取样：选定代表性测定地点，挖掘土壤剖面，根据土壤发生层次或机械分层，用100cm3容积的环刀采取土样，每层土壤应不少于3个重复。采样过程必须保持环刀内的土壤结构不受破坏，注意环刀内不要有石块或粗根侵入，如果土壤过分紧实，可垫上木板轻轻打入。待取出环刀后，用锋利的削刀切去环刀两端多余的土，使环刀内的土壤体积与环刀容积相等，最后将环刀两端用盖子盖好，分别放入塑料袋内并写好标签，带回室内备用。②实验室内处理：将土壤环刀上、下盖取下，一端换上有网孔并垫有滤纸的底盖后，称量此环刀加湿土质量；将装有湿土的环刀取去上盖使其带有网孔并垫有滤纸的一端向下放入磁盘(或平底盘中)，注入并保持磁盘中水层的高度至环刀上沿为止，使其吸水达12小时，此时环刀土壤中所有非毛管孔隙和毛管孔隙都充满了水分。将环刀带有网孔并垫有滤纸的一端向下放置在铺有干砂的平盘中12小时，此时环刀中土壤的非毛管水分全部流出；继续将此环刀放置在铺有干砂的平底盘中，保持一定时间(砂土1昼夜，壤土2-3昼夜，粘土4-5昼夜)，此时环刀中土壤的水分为毛管悬着水，立即称量，通过下式即可算出田间持水量(％)。
田间持水量(％)＝(m'－m)/m×100
式中：m'为在干砂上搁置一定时间后环刀内湿土质量(单位：克)，m为环刀内干土质量(单位：克)。
T(土壤厚度，mm)用土壤剖面测定法，参照《森林生态系统定位研究方法》(林业部科技司，1994，北京:中国科学技术出版社；见84页)和中国林业科学研究院博士学位论文《六盘山叠叠沟小流域坡面植被水文影响与模拟》(杜阿朋，2009年；见12页)，详细方法为：在调查区域内根据地形、母质、植被等特点选择具有代表性和典型性的地段设置土壤剖面。挖坑标准一般宽0.8米，长1米，深1-1.2米，土壤厚度不足1米时挖至母岩风化层；剖面观察面垂直向阳，但在山坡地则观察面应在坡的上方。记录土壤厚度，同时记录该点经纬度、高程、植被覆盖度等基本信息。
优选的，步骤2)确定具体林分年蒸散与其LAI的计算方法为：林分年蒸散和LAI的关系如下：
E＝a×LAI+b，式中，E为林分年蒸散量(mm)；a和b为拟合参数。
a和b为拟合参数，拟合方法为：在生长季内(4-10月份)用冠层分析仪(LAI-2000，LI-Cor Co.，美国)每隔7-10天测定1次冠层叶面积指数，确定出林分年内最大叶面积指数(LAI)；同时用P-M模型计算出该林地的林分年蒸散(E)(曹恭祥，王绪芳，熊伟，王彦辉，于澎涛，王云霓，徐丽宏，李振华，2013,宁夏六盘山人工林和天然林生长季的蒸散特征，应用生态学报，24(8):2089-2096)；将测定和计算得出的林分LAI和E输入统计软件SPSS 16.0中，用该软件中的一元线性回归模型拟合后所得。
优选的，步骤3)中确定具体立地条件下土壤厚度与LAI关系的方法为：
联立公式A＝(F–W)×T和E＝a×LAI+b，令A＝E，得具体立地林分LAI和T的关系为：LAI＝c×T+d，式中，c,d为拟合参数。
c和d为拟合参数，拟合方法为：在生长季内(4月份-10月份)用冠层分析仪(LAI-2000，LI-Cor Co.，美国)每隔7-10天测定1次冠层叶面积指数，确定出林分年内最大叶面积指数(LAI)；同时将其与实测的土壤厚度(T，测定方法同上)输入统计软件SPSS 16.0中，用该软件中的一元线性回归模型拟合后所得。
步骤4)中乔木林LAI与其密度之间的数量关系为:N＝e×LAIf×(1+g(exp)h×B)i，式中，N为林分密度(株/hm2)；B为林龄(年)；e,f,g,h,i为拟合参数；
e,f,g,h,i为拟合参数，拟合方法为：调查林分的密度和年龄；在生长季内(4月份-10月份)用冠层分析仪(LAI-2000，LI-Cor Co.，美国)每隔7-10天测定1次冠层叶面积指数，确定出林分年内最大叶面积指数(LAI)；同时将林分的密度、年龄和LAI输入统计软件SPSS16.0中，用该软件中的非线性回归模型拟合后所得。
步骤4)中灌丛LAI与其盖度之间的数量关系为:C＝100×[1-exp(-j×LAI)]，式中，C为灌丛盖度(％)，j为拟合参数。
j为拟合参数，拟合方法为：调查灌丛的盖度；在生长季内(4月份-10月份)用冠层分析仪(LAI-2000，LI-Cor Co.，美国)每隔7-10天测定1次冠层叶面积指数，确定出灌丛年内最大叶面积指数(LAI)；同时将灌丛盖度(C)和LAI输入统计软件SPSS 16.0中，用该软件中的一元非线性回归模型拟合后所得。
所述的水源涵养林密度配置方法应用在半干旱、半湿润山区水源涵养林的密度配置方法。
优选的，用于北方半干旱、半湿润山区水源涵养林的密度配置方法。
附图说明
图1叠叠沟小流域阳坡虎榛子灌丛地上生物量与土厚的关系；
图2叠叠沟小流域阳坡虎榛子灌丛叶面积指数(LAI)与覆盖度关系。
本发明的有益效果为：
1、本发明考虑了在既定的降雨条件下坡面立地土壤厚度对土壤的有效水容量及树木生长的影响，这不仅完善和丰富了土壤水分植被承载力的研究，也克服了荒山造林实践中仅以当地年降水量作为唯一关键因素的局限性。
2、本发明采用林分年内最大叶面积指数作为表征土壤水分植被承载力的指标，这不仅将林地蒸散耗水与植被结构紧密地结合起来，而且还通过建立不同年龄林分LAI与乔木林的密度或灌丛的盖度之间的数量关系，反映了不同年龄树木水分消耗与土壤水分供给之间的动态关系，其结果可直接应用或推广到山地森林的经营和管理生产实践中。
3、本发明涉及的关键技术不仅简便可行，其实践和应用结果也将有效提高我国北方半干旱、半湿润山区水源涵养林的造林成活率和保存率，为山地人工林分密度的合理配置及动态管理提供依据。
4、土壤水分植被承载力是维持林木生长及合理密度的决定性因素，而量化具体立地的土壤有效水容量是其核心内容之一。在水分限制型的山地小流域中，在既定的年均降水量条件下，山坡某一具体立地的土壤厚度决定其土壤有效水容量及相应的植被承载力，从而进一步影响林木的生长、叶面积指数及地上生物量，见图1，图1是以宁夏叠叠沟小流域阳坡生长的虎榛子灌丛为例，说明山坡某一具体立地的土壤厚度会影响植物群落的地上生物量。
具体实施方式
以下实施例和实验例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。该技术领域的技术工程师可根据上述发明的内容做出一些非本质性的改进和调整。
实施例1一种基于土壤水分植被承载力的华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)人工林密度配置方法
一种基于土壤水分植被承载力的华北落叶松人工林密度配置方法，包括如下步骤：
1)确定坡面具体立地条件下的土壤有效水容量；
2)确定具体林分年蒸散与其年内最大叶面积指数(LAI)之间的关系；
3)确定具体立地条件下土壤厚度与LAI之间的关系；
4)根据林分LAI与其密度间的关系求算出林分合理密度。
所述步骤1)中确定半阴坡华北落叶松人工林地的土壤有效水容量的方法为：
A＝(F－W)×T＝0.3527×T (1)
式中：A为土壤有效水容量(mm)；F为田间持水量(％)，这里为54.45％。在华北落叶松样地中挖土壤剖面，用100cm3容积的环刀分层取原状土样，参照《森林生态系统定位研究方法》(林业部科技司，1994，北京:中国科学技术出版社；见91页和98-100页)测定田间持水量，具体方法主要包括野外土壤取样和实验室内处理两个步骤。①野外土壤取样：在华北落叶松人工林地中选定代表性测定地点，挖掘土壤剖面，根据土壤发生层次或机械分层，用100cm3容积的环刀采取土样，每层土壤应不少于3个重复。采样过程必须保持环刀内的土壤结构不受破坏，注意环刀内不要有石块或粗根侵入，如果土壤过分紧实，可垫上木板轻轻打入。待取出环刀后，用锋利的削刀切去环刀两端多余的土，使环刀内的土壤体积与环刀容积相等，最后将环刀两端用盖子盖好，分别放入塑料袋内并写好标签，带回室内备用。②实验室内处理：ⅰ)将土壤环刀上、下盖取下，一端换上有网孔并垫有滤纸的底盖后，称量此环刀加湿土质量；ⅱ)将装有湿土的环刀取去上盖使其带有网孔并垫有滤纸的一端向下放入磁盘(或平底盘中)，注入并保持磁盘中水层的高度至环刀上沿为止，使其吸水达12小时，此时环刀土壤中所有非毛管孔隙和毛管孔隙都充满了水分。ⅲ)将环刀带有网孔并垫有滤纸的一端向下放置在铺有干砂的平盘中12小时，此时环刀中土壤的非毛管水分全部流出；继续将此环刀放置在铺有干砂的平底盘中，保持2-3昼夜，此时环刀中土壤的水分为毛管悬着水，立即称量，通过下式即可算出田间持水量(％)。
田间持水量(％)＝(m'－m)/m×100 (2)
式中：m'为在干砂上搁置一定时间后环刀内湿土质量(单位：克)，m为环刀内干土质量(单位：克)。
W为凋萎系数(％)，这里为19.18％；测定参照中国林业科学研究院博士学位论文《六盘山叠叠沟小流域坡面植被水文影响与模拟》(杜阿朋，2009年；见第12页，2.1.2.3小节)，详细方法为：在华北落叶松样地土壤剖面中，用100cm3环刀分层取土样，然后用CR22G型高速冷冻离心机(日本HITACHI产)测定并计算得到样地的土壤水分特征曲线，将土壤水分吸力为-1.5MPa(-15巴)时的土壤含水量作为萎蔫系数。
T为土壤厚度(mm)用土壤剖面测定法测定，参照《森林生态系统定位研究方法》(林业部科技司，1994，北京:中国科学技术出版社；见84页)和中国林业科学研究院博士学位论文《六盘山叠叠沟小流域坡面植被水文影响与模拟》(杜阿朋，2009年；见12页)，详细方法为：在华北落叶松人工林典型地段设置土壤剖面。挖坑标准一般宽0.8米，长1米，深1-1.2米，土壤厚度不足1米时挖至母岩风化层；剖面观察面垂直向阳，但在山坡地则观察面应在坡的上方。记录土壤厚度，同时记录该点经纬度、高程、植被覆盖度等基本信息。
所述步骤2)中确定华北落叶松人工林年蒸散和年内最大叶面积指数(LAI)方法为：林分年蒸散和LAI的关系如下：
E＝76.061×LAI+182.58(R2＝0.907) (3)
式中，E为林分年蒸散量(mm)；LAI为林分年内最大叶面积指数；参数拟合的方法为：在生长季内(4月份-10月份)用冠层分析仪(LAI-2000，LI-Cor Co.，美国)每隔7-10天测定1次冠层叶面积指数，确定出林分年内最大叶面积指数(LAI)；同时应用P-M模型计算出该林地的林分年蒸散(E)；将测定和计算得出的林分LAI和E输入统计软件SPSS 16.0中，用该软件中的一元线性回归模型拟合后所得。
所述步骤3)中具体立地条件下土壤厚度与LAI之间的关系确定如下：联立公式(1)和(3)，令A＝E，得华北落叶松人工林LAI和土壤厚度的关系：
LAI＝0.004637×T－2.4 (4)
所述步骤4)中华北落叶松人工林LAI与密度关系的求算方法为:
N＝0.2727×LAI5.26×(1+35.69×(exp)-0.151×B)2.3579 (5)
式中，N为林分密度(株/hm2)；LAI为林分年最大叶面积指数；B为林龄(年)。本案例中华北落叶松人工林林龄为24年，年内LAI最大值为4.2，代入上式可以求出该林龄华北落叶松最佳密度配置为1939株/hm2。各参数拟合的方法为：调查华北落叶松人工林样地的密度和年龄；在生长季内(4月份-10月份)用冠层分析仪(LAI-2000，LI-Cor Co.，美国)每隔7-10天测定1次冠层叶面积指数，确定出林分年内最大叶面积指数(LAI)；同时将林分密度、年龄和LAI输入统计软件SPSS 16.0中，用该软件中的非线性回归模型拟合后所得。
实施例2
一种基于土壤水分植被承载力的虎榛子(Ostryopsis davidiana)灌丛盖度配置的方法
一种基于土壤水分植被承载力的虎榛子灌丛盖度配置方法，包括如下步骤：
1)确定坡面具体立地条件下的土壤有效水容量；
2)确定具体灌丛年蒸散与其年内最大叶面积指数(LAI)之间的关系；
3)确定具体立地条件下土壤厚度与LAI之间的关系；
4)根据灌丛LAI与其盖度的关系求算出灌丛的合理盖度。
所述步骤1)中确定阳坡虎榛子灌丛林地土壤有效水容量的方法为：
A＝(F－W)×T＝0.3258×T (6)
式中，A为土壤有效水容量(mm)；F为田间持水量(％)，这里为50.8％。在虎榛子灌丛样地中挖土壤剖面，用100cm3容积的环刀分层取原状土样，参照《森林生态系统定位研究方法》(林业部科技司，1994，北京:中国科学技术出版社；见91页和98-100页)测定田间持水量，具体方法主要包括野外土壤取样和实验室内处理两个步骤。①野外土壤取样：在虎榛子灌丛中选定代表性测定地点，挖掘土壤剖面，根据土壤发生层次或机械分层，用100cm3容积的环刀采取土样，每层土壤应不少于3个重复。采样过程必须保持环刀内的土壤结构不受破坏，注意环刀内不要有石块或粗根侵入，如果土壤过分紧实，可垫上木板轻轻打入。待取出环刀后，用锋利的削刀切去环刀两端多余的土，使环刀内的土壤体积与环刀容积相等，最后将环刀两端用盖子盖好，分别放入塑料袋内并写好标签，带回室内备用。②实验室内处理：ⅰ)将土壤环刀上、下盖取下，一端换上有网孔并垫有滤纸的底盖后，称量此环刀加湿土质量；ⅱ)将装有湿土的环刀取去上盖使其带有网孔并垫有滤纸的一端向下放入磁盘(或平底盘中)，注入并保持磁盘中水层的高度至环刀上沿为止，使其吸水达12小时，此时环刀土壤中所有非毛管孔隙和毛管孔隙都充满了水分。ⅲ)将环刀带有网孔并垫有滤纸的一端向下放置在铺有干砂的平盘中12小时，此时环刀中土壤的非毛管水分全部流出；继续将此环刀放置在铺有干砂的平底盘中，保持2-3昼夜，此时环刀中土壤的水分为毛管悬着水，立即称量，通过下式即可算出田间持水量(％)。
田间持水量(％)＝(m'－m)/m×100 (7)
式中：m'为在干砂上搁置一定时间后环刀内湿土质量(单位：克)，m为环刀内干土质量(单位：克)。
W为凋萎系数(％)，这里为18.22％；测定参照中国林业科学研究院博士学位论文《六盘山叠叠沟小流域坡面植被水文影响与模拟》(杜阿朋，2009年；第12页，2.1.2.3小节)，详细方法为：在虎榛子灌丛样地中，用100cm3环刀分层取土样，然后用CR22G高速冷冻离心机(日本HITACHI产)测定并计算得到样地的土壤水分特征曲线，将土壤水分吸力为-1.5MPa(-15巴)时的土壤含水量作为萎蔫系数。
T(土壤厚度，mm)用土壤剖面测定法测定，参照《森林生态系统定位研究方法》(林业部科技司，1994，北京:中国科学技术出版社，见84页)和中国林业科学研究院博士学位论文《六盘山叠叠沟小流域坡面植被水文影响与模拟》(杜阿朋，2009年；见12页)，详细方法为：在虎榛子灌丛内典型地段设置土壤剖面。挖坑标准一般宽0.8米，长1米，深1-1.2米，土壤厚度不足1米时挖至母岩风化层；剖面观察面垂直向阳，但在山坡地则观察面应在坡的上方。记录土壤厚度，同时记录该点经纬度、高程、植被覆盖度等基本信息。
所述步骤2)中确定虎榛子灌丛年蒸散和叶面积指数(LAI)的计算方法为：虎榛子灌丛年蒸散和LAI的关系如下：
E＝73.873×LAI+114.33(R2＝0.735) (8)
式中，E为虎榛子灌丛年蒸散量(mm)，LAI为虎榛子灌丛年内最大叶面积指数。方程中参数拟合的具体方法为：在生长季内(4月份-10月份)用冠层分析仪(LAI-2000，LI-CorCo.，美国)每隔7-10天测定1次冠层叶面积指数，确定出林分年内最大叶面积指数(LAI)；同时应用P-M模型计算出该林地的林分年蒸散(E)；将测定和计算得出的林分LAI和E输入统计软件SPSS 16.0中，用该软件中的一元线性回归模型拟合后所得。
所述步骤3)中具体立地条件下土壤厚度与LAI之间的关系确定如下：
联立公式(6)和(8)，令A＝E，得虎榛子灌丛LAI和土壤厚度的关系：
LAI＝0.00441×T－1.55 (9)
所述步骤4)中虎榛子灌丛LAI与其盖度关系的求算方法为:
C＝100×[1－exp(-0.497×LAI)] (10)
式中，C为灌丛盖度(％)，LAI为年最大叶面积指数，两者的关系见图2。本案例中虎榛子灌丛年内LAI最大值为4，代入上式可以求出该灌丛最佳盖度配置为92％。式中参数拟合的方法为：调查虎榛子灌丛样地的盖度；在生长季内(4月份-10月份)用冠层分析仪(LAI-2000，LI-Cor Co.，美国)每隔7-10天测定1次林冠层叶面积指数，确定出灌丛年内最大叶面积指数(LAI)；同时将灌丛盖度(C)和LAI输入统计软件SPSS 16.0中，用该软件中的一元线性回归模型拟合后所得。

Claims (2)

1.一种基于土壤水分植被承载力的水源涵养林密度配置方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)确定坡面具体立地条件下的土壤有效水容量；确定坡面具体立地条件的土壤有效水容量计算方法为：
A=(F－W)×T，式中A为土壤有效水容量；F为田间持水量；W为凋萎系数；T为土壤厚度，指树木根系主要分布层深度;
2)确定具体林分年蒸散与其年内最大叶面积指数之间的关系，林分年内最大叶面积指数用LAI表示；确定具体林分年蒸散与其LAI的计算方法为：林分年蒸散和LAI的关系如下：
E=a×LAI+b ，式中，E为林分年蒸散量；a和b为拟合参数;
3)确定具体立地条件下土壤厚度与LAI之间的关系；确定具体立地条件下土壤厚度与LAI关系的方法为：
联立公式A=(F–W)×T和E=a×LAI+b，令A=E，得具体立地林分LAI和T的关系为：LAI=c×T+d，式中，c,d为拟合参数;
4)根据LAI与乔木林的密度或灌丛的盖度的关系求算出林分合理密度；步骤4)中乔木林LAI与其密度之间的数量关系为: N=e×LAIf×(1+g(exp)h×B)i ，式中，N为林分密度； B为林龄；e,f,g,h,i为拟合参数；
步骤4)中灌丛LAI与其盖度之间的数量关系为: C=100×[1-exp(-j×LAI)]，式中，C为灌丛盖度，j为拟合参数。
2.如权利要求1所述的一种基于土壤水分植被承载力的水源涵养林密度配置方法的应用，其特征在于将上述方法应用在半干旱、半湿润山区水源涵养林。
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