[目的]探讨林分结构随林龄的变化及其所带来的水文影响，为六盘山半干旱区森林植被建设和经营管理提供理论依据。[方法]在六盘山半干旱区叠叠沟小流域，以主要人工林类型—华北落叶松人工林为研究对象，基于1993—2002年的日气象数据，应用林分结构耦合模型和BROOK90生态水文模型，通过情景模拟，得到植被结构（平均树高、胸径、郁闭度、LAI）随林龄的变化，及其对水分平衡分量（截留量、蒸腾量、土壤蒸发量、产流量）的影响。[结果]华北落叶松林随林龄的增加可分为快速生长期（林龄5～15 a）、缓慢生长期（林龄15～40 a）和稳定期（林龄大于40 a）。在快速生长期，林分平均树高、平均胸径、郁闭度和冠层LAI均随林龄的增加而快速增大，年均增长率分别为0.48 m·a~(-1)、0.54 cm·a~(-1)、0.03、0.19；在缓慢生长期，林分平均树高、平均胸径和郁闭度呈缓慢增大趋势，而冠层LAI则呈先增大后减小的趋势；在稳定期，林分结构基本稳定。在快速生长期，年均截留量和蒸腾量随林龄增加而快速增大，年均增长率分别为1.91、24.13 mm·a~(-1)；年均土壤蒸发量和产流量随林龄增加快速减小，其年均减小速率为10.58、14.88 mm·a~(-1)。在缓慢生长期，年均蒸腾量、土壤蒸发量和产流量随林龄的变化减慢，并在林龄30 a时趋于稳定，其年均变化率分别为0.62、-0.75、-0.76 mm·a~(-1)。[结论]六盘山半干旱区华北落叶松人工林在林龄小于30 a，特别是林龄小于15 a时，林分结构不断变化，显著影响人工林的生态水文功能。在林龄30 a后，林分结构稳定，水分平衡分量也趋于稳定，在林水综合管理中可不必再考虑林龄的影响。

[目的]探究林龄对华北落叶松林枯落物水文效应的影响。[方法]于2017年6月在宁夏六盘山香水河小流域选择4种林龄阶段(16、25、34、43a)的华北落叶松人工林样地,调查林分结构和测量林下枯落物蓄积量、厚度、持水量等指标,分析不同林龄华北落叶松枯落物层持水能力差异。[结果]研究表明:(1)华北落叶松枯落物厚度介于4.5～6.0 cm,总蓄积量在29.08～33.21 t·hm~(-2),且半分解层蓄积量高于未分解层蓄积量,4种林龄枯落物厚度与蓄积量均表现为成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林。(2)各龄林枯落物最大持水量介于79.47～110.05 t·hm~(-2),成熟林最大;最大持水率变动在273.32%～341.27%,中龄林最大。(3)各龄林枯落物持水量、吸水速率与浸水时间动态变化均类似,枯落物持水过程表现为浸水0.5 h内吸水速率最大,4 h之后吸水速率趋于平缓,10 h后枯落物持水量基本饱和,持水量与浸水时间均呈明显对数关系(R~2>0.92)。(4)各龄林枯落物有效拦蓄量在43.64～70.52 t·hm~(-2)之间,成熟林拦蓄能力最强。[结论]综合分析4种林龄枯落物水文效应,成熟林枯落物层水文功能最强。

在六盘山香水河小流域的华北落叶松人工林样地,测定了2011年生长季降水转化过程中的大气降水、穿透水、干流、枯落物渗透水和主根系层(30 cm土层)土壤渗透水的pH值与多种阳离子的浓度及通量变化。结果表明:林外降水的pH值平均为7.13,转化为穿透雨和干流后降为6.73和6.00,转化为枯落物渗透水和土壤渗透水后回升为6.87和7.28。在降水转为由穿透雨和干流组成的林下降水后,绝大多数阳离子的浓度都不同程度地增大,但Zn2+浓度下降;虽然林冠截持使林下降水的数量减小,但由于雨水对林冠的离子交换及淋洗,林下降水的多数阳离子通量都比林外降水明显增大,K+、Mg2+、H+、Mn2+、Cu2+、Fe3...

【目的】理解林木蒸腾日内变化及其对主要环境因子的响应规律,进一步阐释短时间尺度下环境条件调控森林蒸腾的机理。【方法】以宁夏六盘山香水河小流域华北落叶松人工林为研究对象,在2018年生长季(5—10月)连续监测样树的树干液流变化,并同步观测气象条件和土壤湿度,分析小时尺度的林分蒸腾对环境因子的响应,并建立多因素影响的蒸腾模型。【结果】(1)在小时尺度上,林分蒸腾量(T)对太阳辐射(R_s)和饱和水汽压差(VPD)的响应均呈二次多项式函数关系;随R_s和VPD的增加,T均先增加,当R_s和VPD分别达到666.7 W/m~2和1.86 kPa后达到峰值,然后逐渐减小。(2)T对土壤可利用水分(REW)的响应符合趋于饱和的指数关系,T随REW的增加表现为先增加,当REW> 0.3后,T逐渐趋于稳定。(3)在确定T响应R_s、VPD和REW的类型并耦合形成蒸腾模型后,利用生长季内的奇数天小时观测值进行拟合参数,并用偶数天小时观测值进行验证,得到T响应多因素变化的耦合模型:T=(-6.347 0×10~(-5)R_s~2-0.637 0R_s-208.734 8)×(-0.003 2VPD~2+0.013 8VPD+0.001 7)×(-0.008 1-0.004 6(1-exp(-12.469 6REW))),该模型在校准阶段(R~2=0.74,纳什效率系数(NSE)=0.82)和验证阶段(R~2=0.77,NSE=0.84)均表现出较好的模拟效果。【结论】在小时尺度上,林分蒸腾量可以由耦合了太阳辐射、饱和水汽压差和土壤可利用水分影响的耦合模型进行较好的预测。本研究结果可为精确预测变化环境下的华北落叶松林分日内蒸腾提供理论基础,同时模型的构建方法可为其他区域和其他树种的林分蒸腾模型的建立提供参考依据。

【目的】在半干旱的六盘山北侧叠叠沟小流域研究华北落叶松人工林的林下日蒸散变化特征,分析其对环境变化的响应规律,以期为准确计算和预测森林蒸散、实现森林精细化管理和缓解林水矛盾提供科学依据。【方法】选择华北落叶松人工林典型样地,在2013年8—10月,监测林内外气象条件,并选取能代表多种气象因子综合作用的潜在蒸散作为影响林下蒸散的气象指标;在样地内代表性地点布设11个微型蒸渗仪,其中5个保持自然状态,6个进行防雨处理,以加大土壤湿度变化范围和利于分析土壤湿度对林下蒸散的影响;逐日监测林下蒸散量和蒸渗仪内土壤湿度;分析林下蒸散对土壤湿度和气象因子的响应规律,在此基础上建立考虑二者综合影响的林下日蒸散模型。【结果】研究期间的林下日蒸散波动幅度较大,但随气温、太阳辐射、降雨量逐渐降低而逐渐减小;林下蒸散明显受到诸多气象因子影响,但主要气象因子存在月份和天气类型差异,从8月份的饱和水汽压差变为9月份的太阳辐射和10月份的日最高气温,多云天为潜在蒸散和太阳辐射,晴天为温度,阴雨天为潜在蒸散;除潜在蒸散这个体现多个气象因子综合影响的气象指标外,土壤湿度也是影响林下蒸散的重要因素,且其影响在防雨和自然处理下表现一致;林下日蒸散随潜在蒸散和土壤湿度增加均呈先快速升高、后缓慢升高、在达某个阈值(日潜在蒸散4.5 mm·d~(-1),土壤体积含水量35%或相对含水量0.56)后趋于平稳的变化趋势;建立了耦合日潜在蒸散(PET,mm·d~(-1))和土壤体积含水量(VSM,%)影响的林下日蒸散(ET_U,mm·d~(-1))模型,并基于实测数据拟合了模型参数:ET_U=(-0.045PET~2+1.392PET)[1-EXP(-1.292VSM)],精度较高(R~2=0.80)。【结论】六盘山半干旱区华北落叶松人工林林下日蒸散量随潜在蒸散和土壤湿度增加而升高,后增速渐缓并在超过阈值后趋于平稳,综合考虑这二者影响的林下蒸散模型能准确计算和预测林地蒸散。

[目的]明确森林坡面土壤密度的空间异质性并量化其合理取样数，对于准确理解坡面产流变化机制具有重要意义。[方法]结合传统统计学和地统计学方法，分析了六盘山华北落叶松林坡面0～100 cm土层土壤密度的空间异质性，用Monte Carlo模拟重抽样的方法，量化95%置信区间、10%误差下土壤密度的最少取样数。[结果]华北落叶松林坡面100 cm土层土壤密度变化范围0.99～1.48 g·cm~(-3)；随土层加深，土壤密度逐渐增加。传统统计学表明，0～20 cm土层土壤密度属弱变异，其它土层均为中等变异，石砾含量的空间异质性是导致坡面不同土层土壤密度空间变异的主要因素。地统计学表明，各层土壤密度空间结构均为中等空间自相关性。不同土层土壤密度空间变异程度的不同导致其最少取样数存有明显差异，在95%的置信区间，若要控制坡面100 cm土层土壤密度评估精度在10%误差内，至少需布设10个以上的取样点。[结论]森林坡面土壤密度存有较大空间变异，且其合理取样数的大小取决于空间变异程度，未来应基于土壤密度空间变异程度与合理取样数的关系制定合理、高效的取样策略。

为了探讨不同保留密度的华北落叶松人工林枯落物水文作用，于２０１５年５月在宁夏六盘山选择了１５个已间伐时间８年的中龄（３１年）华北落叶松人工纯林样地，测量了各样地内枯落物的蓄积量、厚度，并用室内浸泡法对枯落物的持水量和吸水速率进行测定。研究表明：枯落物层的厚度、蓄积量、持水能力在不同林分密度中均存在较大差异。按林分密度由小到大排列（８００、１ ０００、１ ２００、１ ６００、１ ８００株／ｈｍ２），枯落物蓄积量分别为１２．５３、１４．９１、１７．６７、１９．７１、１８．４２ ｔ／ｈｍ２，密度１ ６００株／ｈｍ２的林分枯落物厚度和蓄积量最大；枯落物最大持水率分别为１７６．７８％，１７１．８９％，１．．．

在具有半干旱气候的宁夏固原六盘山区叠叠沟小流域,于2009年整个生长季内(5—10月)监测了典型阴坡坡面上的华北落叶松人工林不同坡位的7个样地的林冠层、林下灌木层和草本层的叶面积指数(LAI)的数量变化和季节动态。结果表明:(1)华北落叶松不同样地的林冠层LAI随坡位升高的变化趋势基本上是逐渐减小,从坡下部的1.52 2.95减少到坡顶部的0.15 0.27;林下灌木层LAI是先增加后减小,从坡下部的0.05 0.06增加到坡中上部的0.73 1.01后再减小到坡顶的0.19 0.30;草本层的LAI随坡位上升不断增加,从0.18 0.36增加到0.19 0.75。(2)林冠层和草本层的LAI...

调查宁夏六盘山2011年秋一场罕见的早雪造成的华北落叶松人工林受害情况,分析林分受害率与立地条件和林分结构特征的关系。结果表明:高海拔冲风地段和土层瘠薄立地的林分受害率偏大;高密度林分的受害率显著大于低密度林分,说明密度是影响林分抵抗雪灾能力的重要结构指标,但直接原因是林分密度增高导致林分高径比增大;当高径比在0.7～0.9时,样地出现受害,但受害率随高径比增大的增幅不大,当高径比大于0.9后,林分受害率随高径比增大快速升高,当高径比大于1.0后,林分受害率随高径比增大急剧升高;及时间伐降低林木密度,把林分高径比降到0.7左右并维持在0.9以内,是提高森林抵抗雪灾能力的可行营林措施。

2005年5—11月在宁夏六盘山北侧的叠叠沟林场,应用带状树木径向变化记录仪研究9株华北落叶松树干的直径生长变化过程及其对环境因子的响应。结果表明:树干直径的日最大值出现在6:00—9:00,最小值则在16:00—20:00;直径生长的季节变化表现为前期快后期慢,8月下旬以后基本停止生长;林分内优势度大的林木生长较快;树干直径生长过程随时间的变化符合幂函数曲线,方程的确定系数为0.78～0.92。对影响直径生长变化的环境因子进行主成分分析,结果表明温度和水分是主要影响因子;结合偏相关分析,筛选出日最高温、空气相对湿度、日平均太阳辐射通量和土壤含水量作为影响树干直径生长变化的主要因子。建立线性回...

在六盘山南侧设置2个20m×20m的华北落叶松人工林样地,研究枯落物储量的空间分布。结果表明:枯落物储量空间差异明显,2个样地的枯落物储量平均值为1.80和1.68kg.m-2,最大值为2.96和2.71kg.m-2,最小值为0.35和0.34kg.m-2,最大和最小值的比值变化在8～9之间;在不考虑测点空间位置及取样间距的情况下,2个样地枯落物储量的变异系数为0.41和0.56;枯落物储量的空间分布受空间结构性和随机性的多种因素影响,其中林地微地形能解释枯落物储量空间变异的56%,局部洼地利于更多枯落物堆积;2个样地枯落物储量的空间分布函数曲线的理论模型均符合球状模型,且空间自相关程度较大;...

【目的】在降水有限、水分再分配明显的半干旱区山地坡面上,森林生物量通常表现出明显的坡向、坡位差异。便捷、精确地测算整个坡面的森林生物量目前还很困难。本研究旨在定量描述森林生物量的坡面变化规律及其空间尺度效应,为提高森林经营水平和实施精细化管理提供技术支持。【方法】在宁夏六盘山半干旱区的叠叠沟小流域,选择生长华北落叶松人工林的半阴坡和阴坡2个坡面,按坡位从上到下各设置了6块20 m×20 m的样地,调查各样地的立地条件及林分特征后,采用烘干法及六盘山区建立的生物量经验公式计算地上生物量;以"离开坡顶的水平距离"为尺度变量,定量描述地上生物量随坡面空间尺度增加而变化规律,及坡面上任意坡位处样地的地...

【目的】调查分析宁夏南部六盘山区华北落叶松人工林乔木层、灌木层和草本层碳密度大小及其时空变化规律，建立考虑立地环境和林分结构等主要因子影响的碳密度模型，为我国西北山区复杂地形条件下人工林碳密度估算和可持续经营提供理论基础和决策工具。【方法】采用样地清查与数学模型相结合的方法确定研究区华北落叶松人工林乔木层和林下灌草层碳密度；应用外包线法确定各植被层碳密度对各主要因子（林龄、林分密度、年均降水量、年均气温和坡向）的响应规律及其函数形式，通过连乘耦合构建反映多因子综合影响的植被碳密度模型，并基于实测数据进行模型率定和检验。【结果】1）六盘山区华北落叶松人工林植被碳密度平均为46.82 t·hm~(-2)，其中乔木层占94.92%，灌木层和草本层分别占4.76%和0.32%。2）乔木层碳密度随林龄、林分密度、年均降水量增大先快速增加、超过阈值后缓慢增加并渐趋最大值，相应阈值为林龄30年、林分密度1 500株·hm~(-2)、年均降水量525 mm；随年均气温增加先增后减，6℃时达到峰值；随坡向增大（正北为0°，随向两侧偏离正北方向的角度而增大）呈近线性降低。3）林下灌草层碳密度随乔木层碳密度增加近线性减少，随年均气温、年均降水量和坡向的变化规律与乔木层相同，相应阈值同样为年均气温6℃、年均降水量525 mm。4）多因子耦合模型可较好估算乔木层和林下灌草层碳密度变化，其R2分别为0.8和0.7。5）根据模型模拟结果，华北落叶松人工林植被碳密度随海拔升高先增后降，垂直差异较大，最高分布范围在海拔2 200～2 400 m之间；受地形和气候影响表现出一定的水平差异，西高东低、南高北低；阴坡植被碳密度高于阳坡，其中乔木层相差约20%，灌草层相差可达1倍。【结论】宁夏六盘山华北落叶松人工林植被碳密度平均为46.82 t·hm~(-2)，以乔木层为主，受立地环境（年均降水量、年均气温、坡向）和林分结构（林龄、林分密度）的多因子综合影响，林下灌草层碳密度受乔木层生物量影响，应用多因子耦合模型可较好解释并预测其时空变化；合理选择造林立地类型和林分密度有利于维持较好的华北落叶松林植被碳密度和层次组成。

【目的】在土壤水分条件坡位差异明显的半干旱地区,深入了解树干液流速率的坡位差异及其主导环境因子,探讨从样地到坡面尺度的上推方法,以准确估算坡面和流域尺度的森林蒸腾耗水。【方法】2015年6—9月,在宁夏六盘山叠叠沟小流域选择1个西北坡向的典型坡面,设立上、中、下3个坡位的华北落叶松林样地,利用热扩散探针法监测树干液流速率,并同步监测气象因子及土壤水势的变化。【结果】研究期间,060 cm土壤水势(Ψ0-60)和日均液流速率均存在显著的坡位差异,土壤水势(MPa)为下坡(-0.210)>中坡(-0.410)

生物量受坡面环境条件变化影响而有坡面变化与尺度效应。本文在六盘山半湿润区的香水河小流域选择了33 a生华北落叶松人工林的一个斜坡长480 m,水平长398 m的典型坡面,在整个坡面上建立了宽30 m的调查样带,均匀分为空间连续的16个样地,在2014年生长季中期调查不同坡位的样地生物量,分析其坡面变化规律。结果表明:生物量存在明显的坡位差异。坡面生物量t·hm-2平均值为118.59,其变化范围为96.19 139.18,变幅为42.99,变异系数为0.12;随着离坡顶距离的增加,生物量总体上呈现先升高后降低的变化趋势,在坡面的中上部(水平坡长为87.71 m)达到最大。生物量存在坡面空间尺度...