森林经营对东北林区主要森林类型蓄水保土功能的影响

摘要

针对天然林保护工程实施后，东北林区森林经营方式发生改变为研究背景，以天然林保护工程重点实施东北林区的典型森林类型为主要研究对象，采用野外调查与室内试验相结合的研究方法，对比研究了大小兴安岭主要森林类型的水源涵养能力;长白山东部山地不同配置落叶松混交林的水源涵养能力和土壤可蚀性;大兴安岭不同经营措施条件下典型森林类型的水源涵养功能;运用层次分析法优化配置小流域水源涵养林的模式。
　　首先对比分析大小兴安岭典型类型林分水源涵养能力，结果表明:(1)大兴安岭林区森林林冠层截留率较小兴安岭的主要森林类型维持相对较高的水平;特别是草类兴安落叶松林表现出较强的林冠截留能力。5种类型灌木林的林冠截留率的平均值变化范围为11.99％～24.86％，其中，以榛子灌丛的林冠截留率最高，接近同区内乔木林的平均水平。(2)小兴安岭各林分枯落物层最大持水能力变化范围为25.66～136.82t/hm2之间，有效持水能力的变化范围则在17.17～67.00t/hm2之间，均表现为落叶松人工林最强，依次分别为落叶松白桦混交林、红松人工林、蒙古栎天然林、樟子松人工林和水曲柳天然林。大兴安岭各林分枯落物最大持水率的变化范围在578.03％～747.22％之间，其中杜鹃白桦林的最大持水率最高，依次分别为草类落叶松林、杜鹃落叶松林、柞木落叶松林和蒙古栎天然林。(3)小兴安岭6种林分土壤有效持水量变化范围为267.30～438.56t/hm2，水曲柳天然林土壤有效持水能力最好，大兴安岭不同林分土壤有效持水能力的变化范围仅为340.00～632.15t/hm2，其中以杜鹃白桦林表现出相对较强的水源涵养功能。(4)对比大、小兴安岭16种乔灌林分的水源涵养功能，表明大兴安岭主要森林类型的水源涵养功能综合能力最强，具体表现为在林冠层截留和枯落物蓄水能力上占明显优势;小兴安岭主要森林类型水源涵养功能主要体现在土壤层最大持水能力上占有优势;灌木林具有较强的水源涵养功能，表现为土壤层有效持水能力占明显优势。
　　其次对帽儿山实验林场落叶松人工混交林的灌草层、枯落物层和土壤层的水文功能和土壤可蚀性的评价指标进行分析。研究表明:(1)灌木层现存量变化范围为0.51～0.73t/hm2，草本层现存量变化在0.20～0.62t/hm2之间，最大持水量变化范围为2.31～4.97t/hm2之间，均以落叶松黄菠萝混交林最大。(2)枯落物现存量范围在6.23～9.13t/hm2之间，落叶松水曲柳混交林最大。4种林分最大持水量大小排序为:落叶松水曲柳混交林（53.50t/hm2）＞落叶松黄菠萝混交林(47.82t/hm2)＞落叶松纯林（45.02t/hm2）＞落叶松胡桃楸混交林（36.64t/hm2）。(3)土壤最大持水量范围在2927.74～3454.31t/hm2之间。有效持水量大小依次为:落叶松黄菠萝混交林（282.24t/hm2）＞落叶松纯林（275.83t/hm2）＞落叶松胡桃楸混交林(219.05t/hm2)＞落叶松水曲柳混交林（143.01t/hm2）。(4)通过土壤结构二维三系图可以得出，在表层土壤中(0～20cm)，落叶松胡桃楸混交林较其他林分类型更加接近理想结构，主要是通过增加固相比例、减小液相比例实现向理想点的趋近。(5)0～10cm土层内落叶松胡桃楸混交林土粒的静水崩解速率最低(2％～4％)。4种林分土壤水稳性指数差异显著(P＜0.05)，范围在0.85～0.97之间，落叶松胡桃楸混交林最高(0.97)，可蚀性最低。(6)0～20cm土壤范围内干筛团聚体以2～5mm粒级团聚体为主，PA0.25均值排序为:落叶松胡桃楸混交林(91.64％)＞落叶松纯林(91.08％)＞落叶松水曲柳混交林(85.10％)＞落叶松黄菠萝混交林(80.42％)。落叶松胡桃楸混交林能显著增加土壤水稳团聚体的PA0.25、降低团聚体破坏率(P＜0.05)。(7)通过EPIC评价模型对4种林分土壤的可蚀性因子K值进行计算得出，K值范围在0.294～0.337之间，落叶松水曲柳混交林可蚀性最低。从而总结出该经营条件下，涵养水源潜力最大的是落叶松纯林，持水能力最强的是落叶松黄菠萝混交林;落叶松胡桃楸混交林的可蚀性最低，抗侵蚀能力最强。
　　对大兴安岭阿木尔林业局抚育间伐经营措施条件下的白桦天然林、樟子松天然林和落叶松天然林的林分结构、灌木层和草本层的生物多样性、枯落物层储量及持水能力、土壤层物理性质及涵养水源能力等指标进行了研究。研究结果表明:(1)常规抚育间伐能促进林木胸径和树高的生长，白桦天然林间伐后白桦天然林密度降低50％，林分平均高增加0.4m，平均胸径增加1.5cm，林分蓄积量没有下降。过度间伐的落叶松天然林平均胸径和树高增加明显，林分蓄积量随着间伐强度的增加而下降。(2)抚育间伐后，白桦天然林灌木层和草本层的物种丰富度指数及Shannon-Wiener指数都有提高;落叶松天然林多次抚育间伐灌木层和草本层的物种丰富度指数及Shannon-Wiener指数明显下降，植物种类也相应减少。(3)抚育间伐对林分内部枯落物层的储量和分布产生影响，间伐后白桦天然林枯落物储量下降20％，樟子松天然林枯落物储量下降13.27％，落叶松天然林二次间伐导致枯落物储量下降明显。(4)林分枯落物组成对枯落物层持水能力贡献力不同，白桦天然林枯落物组成以落叶为主，未分解层白桦落叶最大持水量为枯枝最大持水量的2.58～3.65倍，半分解层为1.27～2.92倍。樟子松天然林和落叶松天然林枯落物组成主要由落叶为主，枯落物持水能力为落叶＞树皮＞枯枝＞球果。(5)抚育间伐后能够对土壤物理性质起到改良的作用，对比间伐前后林分土壤容重和孔隙度，土壤容重呈下降趋势，非毛管孔隙度增加明显。
　　运用层次分析法对大兴安岭新林林业局小流域水源涵养林植被的空间配置结构进行优化分析，初步确定该流域水源涵养林植被类型优化配置结构为蒙古栎天然林占24.86％、杜鹃落叶松林占16.30％、柞木落叶松林占44.49、杜鹃白桦林占10.88、草类落叶松林占3.47。优化后试验流域整体水源涵养能力增加了13.56万t，与现状相比相对提高7.0％。数据证明优化调整后达到试验小流域水源涵养林最优空间配置结构。
　　研究的结果不仅可以为东北林区森林经营森林蓄水固土能力评估提供参考和借鉴，还可以为林业管理部门提供森林经营策略制定提供数据支持和理论服务。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究概况

1．2．1 森林经营的研究

1．2．2 森林蓄水保土功能研究

1．3 研究的目的、意义

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究的意义

2 研究地区概况

2．1 大兴安岭试验区概况

2．1．1 地理位置

2．1．2 地质、地貌

2．1．3 土壤

2．1．4 气候

2．1．5 水文、水系

2．1．6 植物区系地理特征

2．1．7 群落结构特征

2．2 小兴安岭试验区概况

2．2．1 地理位置

2．2．2 地质地貌

2．2．3 土壤

2．2．4 水文特征

2．2．5 气候

2．2．6 植被特征

2．3 长白山东部山地试验区概况

2．3．1 地理位置

2．3．2 地貌特征

2．3．3 气候条件

2．3．4 土壤

2．3．5 植被特点

3 试验设计与研究方法

3．1 试验设计与技术路线

3．1．1 试验设计

3．1．2 技术路线

3．2 研究方法

3．2．1 植物多样性指标

3．2．2 林冠截留特征研究

3．2．3 灌木层持水能力测定

3．2．4 枯落物层持水能力研究

3．2．5 土壤层静态持水能力研究

3．2．6 土壤可蚀性测定

3．2．7 层次分析法

4 大小兴安岭主要森林类型水源涵养功能对比研究

4．1 试验地林分特征

4．2 林冠截留能力的对比研究

4．2．1 小兴安岭主要林分类型林冠层截留特征的差异

4．2．2 大兴安岭主要林分类型林冠层截留特征的差异

4．2．3 小兴安岭主要灌木林林冠层截留特征的差异

4．3 枯落物层持水能力的对比研究

4．3．1 小兴安岭主要林分类型枯落物持水能力比较

4．3．2 大兴安岭主要林分类型枯落物持水能力比较

4．3．3 小兴安岭主要灌木林枯落物持水能力比较

4．4 土壤层静态持水能力对比研究

4．4．1 小兴安岭主要林分土壤静态持水能力比较

4．4．2 大兴安岭主要林分土壤静态持水能力比较

4．4．3 小兴安岭主要灌木林土壤静态持水能力比较

4．5 林分水源涵养能力综合比较

4．6 小结

5 落叶松人工混交林配置对蓄水保土功能的影响

5．1 研究样地基本特征

5．2 林下植被持水能力的变化

5．3 枯落物水文特征

5．3．1 枯落物储量

5．3．2 枯落物持水能力和持水特性

5．3．3 枯落物持水过程

5．3．4 枯落物吸水速率

5．4 土壤物理性质及持水能力的变化

5．4．1 土壤容重

5．4．2 土壤孔隙度

5．4．3 土壤持水性能

5．5 林分综合持水能力的对比

5．6 土壤结构与可蚀性的变化

5．6．1 土壤三相

5．6．2 土壤粒级团聚体组成特征及变化

5．6．3 土壤有机质含量及垂直分布特征

5．6．4 土粒静水崩解过程及水稳性指数变化

5．6．5 土壤机械组成及可蚀性K植

5．7 小结

6 森林经营对大兴安岭森林水源涵养功能的影响

6．1 样地基本特征

6．2 林分结构特征的变化

6．2．1 直径分布特征

6．2．2 树高分布特征

6．2．3 林分植物多样性的变化

6．3 林分枯落物层持水能力的变化

6．3．1 林分枯落物储量特征

6．3．2 林分枯落物持水特征

6．4 土壤层持水能力的变化

6．5 小结

7 小流域水源涵养林优化配置研究

7．1 试验流域基本特征

7．2 小流域水源涵养林优化配置

7．2．1 层次分析结构模型的建立

7．2．2 判断矩阵的构建与检验

7．2．3 水源涵养林优化空间配置比例的确定

7．2．4 水源涵养功能优化效果

7．3 小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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