北方退耕还林区防护林树种耗水特性研究

　　本书以我国北方黄土半干旱区为研究核心，从降水资源条件及林地土壤水分动态研究入手，提出了林分密度与林分稳定的关系问题，展开了退耕还林地区水资源条件与植被演替规律的研究；从林木生长形态及生物量对干旱胁迫的响应入手，系统研究了主要防护林造林树种在干旱胁迫情况下，幼苗叶片的水分饱和亏缺、叶水势和保水力，定量研究了林木光合作用对干旱胁迫的响应，进行了苗木耐旱机理判别分类；采用多年现地实测数据和数学模拟相结合的方法，借助Penman-Monteith模型和Jarvis-Stewart模型，实现了林木耗水特性的定量研究；后，在林地土壤水分有效性及生产力分级评价的基础上，提出了林木需水量与林木植物系数。本书旨在对我国北方退耕还林地区的林业生态工程建设提供一定的理论参考依据。

　　本书可供防护林、水土保持、环境影响等领域的科研、生产和管理人员参考使用。

丛书序
前言

第1章 降水资源和林地土壤水分
1.1 研究区域
1.1.1 黄土高原向沙漠(地)过渡区
1.1.2 黄土高原向青藏高原过渡带
1.1.3 黄土高原丘陵沟壑区
1.2 降水资源条件
1.2.1 半干旱地区的环境特点
1.2.2 降水资源分布特征
1.3 林地土壤水分条件
1.3.1 林地土壤水分动态
1.3.2 黄土坡地土壤水分运动
1.4 林下植被对不同密度林地土壤水分环境的指示作用
1.4.1 林分密度对林下植被的影响
1.4.2 林下植被层物种多样性特征
参考文献

第2章 植被演替规律研究
2.1 植被群落组成及重要值
2.1.1 调查及计算方法
2.1.2 植被演替规律
2.2 植被群落生物多样性
2.2.1 计算方法
2.2.2 群落生物多样性
2.3 植被群落空间格局
2.3.1 计算方法
2.3.2 群落空间格局
2.4 种群生态位宽度和重叠
2.4.1 计算方法
2.4.2 生态位宽度和重叠
2.5 群落稳定性
2.5.1 计算方法
2.5.2 群落稳定性分析
2.6 小结
参考文献

第3章 苗木抗旱水分生理特征
3.1 林木生长形态及生物量对干旱胁迫的响应
3.1.1 干旱胁迫对幼苗生长形态的影响
3.1.2 干旱胁迫对幼苗生物量的影响
3.1.3 试验结果
3.2 干旱胁迫对林木叶片水分生理的影响
3.2.1 干旱胁迫对幼苗叶片相对含水量和水分饱和亏缺的影响
3.2.2 干旱胁迫对幼苗叶片保水力的影响
3.2.3 干旱胁迫对幼苗叶片叶水势的影响
3.3 林木光合作用对干旱胁迫的响应
3.3.1 土壤水分对林木光合特性及水分利用效率的影响
3.3.2 光照强度对林木光合特性及水分利用效率的影响
3.3.3 不同水分条件下林木光合生理参数的日过程
3.4 水分在SPAC中的势能梯度研究
3.4.1 土壤水势特征
3.4.2 植物水势特征
3.4.3 大气水势特征
3.4.4 土壤-植物-大气水势梯度分析
3.4.5 小结
3.5 苗木耐旱机理研究
3.5.1 干旱胁迫过程中水势的分布
3.5.2 苗木的萎蔫系数
3.5.3 苗木叶水势与土壤含水量的关系
3.5.4 苗木叶水势与土壤水势的关系
3.5.5 苗木耐旱机理及判别分类
3.5.6 小结
参考文献

第4章 林木耗水特性
4.1 林地土壤蒸发特性
4.1.1 造林区林地土壤蒸发及调控
4.1.2 坡面土壤蒸发调控的热力学机制
4.1.3 林地土壤蒸发过程模拟
4.2 生长季林木蒸散研究常用理论
4.2.1 林地净辐射
4.2.2 叶面积指数
4.2.3 林冠消光系数
4.2.4 冠层整体气孔阻力
4.2.5 空气动力学阻力
4.3 实地观测与模拟
4.3.1 Penman-Monteith公式法
4.3.2 Penman-Monteith & Jarvis法
4.3.3 Jarvis-Stewart法
4.3.4 生长季各月连续日蒸腾量计算
4.3.5 各林分月蒸腾量
4.4 林地潜在蒸散与实际蒸散
4.4.1 潜在蒸散与水面蒸发
4.4.2 林地实际蒸散
4.4.3 蒸腾蒸发分摊系数
参考文献

第5章 土壤水分有效性及生态需水
5.1 林地土壤水分有效性及其生产力分级评价
5.2 林地土壤水分有效性及其生产力分级标准
5.3 林木需水量和林地土壤水分亏缺
5.3.1 林木需水量与植物系数
5.3.2 林地土壤水分亏缺计算
5.4 与研究地区降水资源一致的水分环境容量
5.4.1 山西方山地区
5.4.2 内蒙古达拉特旗地区
5.4.3 青海大通地区
5.5 结论
参考文献

附录

第1 章　降水资源和林地土壤水分

1.1 　研究区域

　　《全国林业生态建设与治理模式》将我国北部地区进行水土流失治理的地域主要分为

3 个地带：黄土高原向沙漠（地）过渡带、黄土高原向青藏高原过渡带和黄土高原丘陵沟壑

带（国家林业局，2003） 。因此，本书在国家验收的国家“十一五”科技支撑专题“黄土高原

西部高寒区水土保持型林草植被恢复技术试验示范”（2006BAD03A1203）和*科学

技术重大研究项目“北方退耕还林区水土保持林植被恢复和重建技术研究”（10407）的支

撑下，分别于中国北部的内蒙古鄂尔多斯；中国西北部的青海大通；中国中西部的山西吕

梁方山设置典型试验地。研究区分布情况及气候特点见图1-1 和表1-1 。

1.1.1 　黄土高原向沙漠（地）过渡区

以内蒙古鄂尔多斯地区代表黄土高原向沙漠（地）过渡区，研究不同退耕年限的植被

演替趋势。

1.地理位置及行政区划

鄂尔多斯位于37°35′24″ ～ 40°51′40″N ，106°42′40″ ～ 111°27′20″E
，地处黄河中上游，

一面靠长城，三面临黄河，即黄河由西、北、东环绕，流程728km ，南临古长城。地貌由南

北向中部隆起，海拔高为1400 ～ 1700m ，向四周缓慢降低，地势呈中西部、西北部高，东南

部即四周低，在西部桌子山，主峰海拔为2149m 。处在东部准格尔旗马栅乡，海

拔为850m ，高差为1299m 。

2.地质地貌

鄂尔多斯由于受桌子山到东胜构造隆起带及构造带两侧底层下沉带构造地质的作

用，鄂尔多斯宏观地貌结构既呈东西带状延伸，又呈南北带状排列。自南而北带状地貌类

型有毛乌素沙地，准格尔、东胜高平原，库布齐沙漠和黄河沿岸冲积平原。自东而西排列

的地貌类型有黄河谷地、准格尔黄土丘陵、东胜准格尔砒砂岩丘陵、东胜剥蚀丘陵、杭锦旗

高平原、桌子山前丘陵、桌子山中山地、桌子山西侧丘陵及平原、黄河谷地。这一地貌结构

既取决于内力作用，又取决于外力的水分与风力条件。

3.气候

鄂尔多斯位于亚洲大陆内部，处于东部季风到达的边缘地带，终年在大陆气团控制之

下，气候干燥。影响的主要环流系统有温带气旋、反气旋和副热带高压。天气的非周期变

化和降水的季节变化都很强。气候特征为强大陆性、弱季风性、干旱少雨、蒸发旺盛、寒暑

变化明显、光能资源丰富、大风日数和沙尘日数多（表1-2） 。

4.水文

鄂尔多斯包括在50mm 等流线以西的干旱区，径流分布由东部的25mm 到西部减为

5mm 或者不产生径流。其东部为少水带，西部为缺水带。鄂尔多斯的河流稀少，湖泊

较多。

（1） 地表水。黄河环该市西、北、东三面流过，流程728km ，属过境河，磴口水文站多

年平均径流量为306.2 亿m3 ，分配给该市的水资源6.31 亿m3 ，占全市水资源开发利用

量的一半。发源于高原上的黄河支流，因高原上自桌子山到东胜有一条海拔在1500m 左

右的梁地，成为重要的分水岭脊，诸河流呈放射状流向四周，成为市内外流区河流，主要分

布于北部和东部，总地区面积约32 500km2 。

（2） 地下水。鄂尔多斯高原区虽有黄河绕流其西、北、东三面，但黄河水面均低于原

面300 ～ 500m 。因此，黄河对高原潜水的形成不存在补给的可能。高原上地下水主要补

给途径只能是大气降水和大气凝结水。区域性气候条件对区域地下水的形成起重要作

用，东部地区降水条件比西部多，东部地下潜水比西部丰富。鄂尔多斯毛乌素和库布齐两

大沙地凝结水补给量为1.9 亿m3 ? a- 1 （表1-3） 。

5.土壤

鄂尔多斯地带性土壤有栗钙土、灰钙土、棕钙土和灰漠土，隐域性土壤有草甸土、沼泽

土、盐成土、风沙土、黄绵土。

栗钙土是发育在年降水量300 ～ 400mm ，针茅蒿属草原植被，具有腐殖质层、钙积层、

盐基饱和度大于等于50 % 和半湿润土壤水分状况的土壤，一般适合旱生植物生长，适当

配置中生植物。灰钙土是发育在年降水量200 ～ 300mm ，旱生丛生小禾草小半灌木植被，

具有干旱表层、钙积层、石膏现象、盐积层和干旱土壤水分状况的土壤，适合耐旱灌木林和

耐旱牧草生长。棕钙土是发育在年降水量180 ～ 255mm ，旱生小针茅，旱生和超旱生小半

灌木植被，具有干旱表层、钙积层、盐积层和干旱土壤水分状况的土壤，适宜耐旱灌木生

长。灰漠土是发育在年降水量小于200mm ，旱生超旱生小半灌木、灌木植被，具砾质砂砾

质干旱表层、石膏现象、盐积层、碱积现象和干旱土壤水分状况的土壤。草甸土和沼泽土

是发育在地下水位1.5 ～ 2.0m 或地表积水的低洼地区，地势比较平坦，土层深厚，有机质

含量高，矿质营养丰富，潜在肥力高。盐成土是发育在地下水位高、地形低洼、地下水径流

补偿，地下水矿化度大于0.5g ? L- 1 的条件下，具有盐积层和碱积层的土壤。风沙土和黄

绵土是只有弱度发育或没有土层分化，不具有供鉴别土壤诊断层和诊断特性的土壤。

6.植被

鄂尔多斯属于干旱、半干旱气候类型，草原植物得以广泛发育，荒漠植物仅分布在西

北部强干旱荒漠地带，天然林只在东南部有小面积残存。地带性植被有草原、荒漠草原与

草原化荒漠，隐域性植被有草甸、沼泽、盐生和沙生植被类型。地带性植被因同处温带范

围，纬向分异不明显，但湿润度的径向判别较大，影响到植被类型，东西带状分异明显。自

东而西出现草原、荒漠草原和草原化荒漠3 个植被类型空间分异更替带。

1.1.2 　黄土高原向青藏高原过渡带

黄土高原向青藏高原过渡地带退耕林地进行植被调查主要是对青海大通地区。高寒

退耕地类中，此试验地为退耕还林时间久、保存完整的人工林地。

1.地理位置及行政归属

大通位于青海东部，地处祁连山地与黄土高原的过渡地带，为青海西宁属县。位于

100°51′ ～ 101°56′E 、36°43′ ～ 37°23′N ，海拔2280 ～
4622m（常国梁，2005）。

2.地质地貌

大通境内的土质，多系岩石的黄土结构。按地区和地质不同，可分为大坂山、娘娘山、

河谷地、黄土区及矿藏区等类型。大通三面环山，北有大坂山，西有娘娘山，东北有兰雀

山，中南部为盆地，西北窄、高，东南宽、低。全境山峦重叠，沟壑纵横，地形复杂。海拔

2280 ～ 4622m ，处与处相对高差达2342m 。

因海拔、气候、植被、土壤和农业生产特点的不同，全境分为河谷阶地（川水） 、高原丘

陵地（浅山）和中高山（脑山）3 个地区。

（1） 河谷阶地。主要由北川河及其支流宝库河、黑林河和东峡河两岸河谷阶地组成，

桥头以北河谷较窄，以南较宽；多为1 ～ 4 级阶地，海拔2280 ～ 2600m 。主要土壤为灌溉栗

钙土，河床附近分布着垫淤土及零星分布着沼泽土。气候温暖，土地平坦，土壤较肥沃，灌

溉方便，为大通农作物稳产高产区。

（2） 高原丘陵地。高原丘陵地为河谷阶地往上的黄土丘陵第四副区，主要分布在县

境中部和南部，海拔2400 ～ 2750m 。主要土壤为山地栗钙土。气候干旱，沟壑纵横，山高

坡陡，植被稀少，土壤贫瘠，水土流失严重。

（3） 中山和高山区。中山和高山区为县境东、西、北三面地势较高的地区。阴湿多

雨，气候冷凉，无霜期短。海拔2700 ～ 3800m 。土壤主要是山地黑钙土、山地棕褐土、高山

草旬土及高山石质土。多为草甸草原和灌丛草原，为主要放牧区。海拔3800m 以上的地

区，多为裸露的石山，目前尚未被利用。

3.气候

大通地处中纬度地区，深居内陆，海拔高，受海洋影响微弱，属大陆性气候，主要特征

有以下几点。

（1） 日照。大通虽地处暖温带，但由于地势高耸，空气稀薄，干燥少云，太阳辐射透过

大气层的距离较短，被大气层所反射和吸收的部分比较少，而到达地面的部分相对增多，

因而日射强烈。年总辐射量高达137 ～ 147kcal① ? cm- 2 ，生理辐射量为67.4 ～

72.4kcal ? cm- 2 。太阳辐射量地理分布总趋势是由东南向西北逐渐增大。全县年平均日

照时数为2605h 。春、夏、秋、冬各季日照时数分别占年日照时数的25.7 % 、25.8 % 、

23.5 % 、25.0 % 。植物生长旺季的4 ～ 8 月日照时数长，占年总日照时数的43.1 % ，每天

平均为7.2 ～ 7.5h 。

（2） 气温。大通气温垂直分布明显。热量水平较低，昼夜温差大。受海拔和地形影

响，各地气温差异悬殊，年平均气温由东南5 ℃ 左右下降到西北角的- 6 ℃ 左右，全县年平

均气温2.8 ℃ 。县气象站在桥头镇的资料（1961 ～ 1985 年）表明，年内热月为6 月、7

月、8 月，一般7 月气温，平均为13.9 ℃ ；冷季节在12 月、1 月、2 月，一般1 月气温

，平均为- 11.2 ℃ 。气温平均年较差为25.3 ℃ 。年内无霜期一般为70 ～ 120d 。

（3） 降水。大通在青海为降水次数较多的地区。多年平均降水量为508mm ，降水的

季节分配很不均匀。降水量显著集中在暖季，春季（3 ～ 5 月）占年总量的19 % ，夏季（6 ～ 8

月）占55 % ，秋季（9 ～ 11 月）占24 % ，冬季（12 ～ 2 月）占2 % 。全年多降水月为7 月、8

月，一般月降水量在100mm 左右；少月为12 月、1 月，一般月降水量仅为1 ～ 3mm 。大

通植物生长期（4 ～ 9 月）降水量约占全年的87 % ，达400 ～ 600mm 。这期间温度较高，植

物耗水高，雨热基本同季，对植物生长较为有利。但4 ～ 6 月降水只占年总量的29 % ，而

7 ～ 9 月占年总量的58 % ，明显地表现为前期偏少、后期偏多，加之降水的年际变化大，年

际、月际降水量很不稳定。

降水日数多、降水强度小和夜雨多是该区降水的另一特点。城关地区平均年降水日

数为127.8d ，月平均降水强度以雨季的7 月、8 月、9 月，特别是8 月份，平均每日达

6.5mm ；冬季少，平均每日仅0.5 ～ 0.8mm 。降水量达10mm 以上的日数平均为

13.7d ，仅占全年降水日数的10.7 % ，即小于10mm 的降水日数占全年降水日数的

89.3 % 。降水强度小，可使雨水缓慢地渗入土壤中，减少了地表径流和水土流失。城关地

区降水量达25mm 以上的降水日数多，多年平均只1.8d ，多出现在7 月和8 月。年平均

蒸发总量为1290mm ，月平均蒸发量为107.5mm 。

4.水文

大通河流属湟水河支流北川河水系，水力资源丰富。北川河的主要支流有宝库河、黑

林河和东峡河，均发源于大坂山，主流由北向南注入湟水河。大小沟岔密布，具有明显的

山区河流的特点：河床切割深，坡降大，水流急，冰期长（11 月中旬～ 3 月上旬） ，水温低（年

平均水温5 ℃ ） ；河床冲淤严重，主流摇摆不定，多有分岔，尤以下游更为突出，以至形成大

片砂卵石荒滩。主要河流上游降水量多，气温低，蒸发量不大，较易产生径流。河川径流

由降水补给量占48.5 % ，由地下水补给量占51.5 % 。

全县具有多年平均自产地表水量6.96 亿m3 。径流的年内变化随降水而变，7 ～ 10

月汛期流量占全年的57.6 % ～ 60.0 % ，每年2 月流量小，8 月，两者相差7 ～ 10 倍，

变化悬殊。

5.土壤

大通境内共有8 个土类，18 个亚类，22 个土属，38 个土种。土壤垂直分布比较明显。

各土类分布及形成情况如下。

（1） 高山石质土。高山石质土分布在大通境内大坂山及西部娘娘山，海拔在4000m

以上的岩峰岭脊及其周围的坡地上，面积约3.48 万hm2 ，占总土地面积的11.26 % 。

（2） 高山草甸土。高山草甸土分布在大坂山、娘娘山一带，海拔3600 ～ 4000m ，上接

高山石质土，下接山地棕褐土或山地黑钙土。主要分布在宝库、青山、青林、桦林、向化、逊

让、极乐和良教等乡山坡的上、中部，面积约5.39 万hm2 ，占总土地面积的17.44 % 。

（3） 山地棕褐土。山地棕褐土又名黑褐色森林土或褐色森林土，是半干旱地区山地

垂直带形成的森林土壤，主要分布在东峡、娘娘山和宝库沟3 个地区，多在海拔2700 ～

3200m 的阴山或半阴山。一般在山坡的中、下部，面积约11.54 万hm2 ，占总土地面积

的2.49 % 。

（4） 黑钙土。黑钙土是大通脑山地区的主要土壤，分布在海拔2750 ～ 3600m 的大坂

山和娘娘山一带，面积较大，约22 564 万hm2 ，占总土地面积的48.68 % 。

（5） 栗钙土。栗钙土广泛分布在浅山和川水地区，海拔2280 ～ 2700m 。浅山的旱作

土壤，群众多称为黄土、白土；川水灌溉土壤，群众称为麻土，土层较厚，土性绵散，色泽灰

黄或浅黄。

（6） 潮砂土。潮砂土是在靠近河谷两旁的河漫滩或一级阶地河流总积物上，受地下

水活动的影响，经过翻耕熟化而成的土壤，当地群众称为下潮地、河滩地。土壤质地较轻，