赵永鹏桉树人工林土壤水分蒸发.docx
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赵永鹏桉树人工林土壤水分蒸发
毕业论文
题目:
桉树人工林土壤水分蒸发
学院（系）
林学院
专业
生态学
班级
2009级1班
学号
0936180111
学生姓名
赵永鹏
指导教师
杨钙仁
二○一三年五月一日
摘要
为探讨桉树人工林在土壤水分蒸发方面与其他林地的差异，以及对影响林地土壤水分蒸发因子的研究，从而达到增产增收保水防旱的目的。
于2012年5月至2013年4月在广西国营高峰林场内，选择08年生桉树人工林（08EU）、10年生桉树人工林（10EU）以及马尾松-杉木混交林（MF）作为实验样地进行了土壤水分蒸发量监测，结合人工林分结构调查，综合分析初步得出以下结论：
（1）不同林分的土壤水分蒸发量随季节变化均发生明显的变化，各林分变化趋势基本一致。
土壤水分蒸发与土壤含水量具有一定的相关性。
（2）三种不同林地土壤水分蒸发情况结果为:
08年生桉树林>10年生桉树林>马尾松-杉木混交林。
关键词：
人工林成熟混交林林分结构土壤水分蒸发
Abstract
Toexploringthedifferencesofevaporationofsoilmoisturebetweentheeucalyptusandtheotherwoodland,andthefactoroftheimpactofsoilmoistureevaporation.Soastoachievethepurposeofwaterconservationanddroughtpreventionofincreaseproduction.TheresearchwasdoneatGaofengnationalforestrystationfromMay2012toApril2013.Chooseingthe3yearsoldEucalptusplantationandthe5yearsoldEucalptusplantation,Pinus-pinemixedforestastheexperimentalwoodland.Wemornitortheevaporationofsoilmoistureintheexperimentalwoodlandanddrawthefollowingconclusions:
（1）Thedifferentstandssoilwaterevaporationchangeswiththeseasonschangedsignificantly,thestandbasicallythesametrend.Evaporationofsoilmoistureandsoilwatercontenthasacertainrelevance.
（2）Threedifferentwoodlandsoilmoistureevaporationcase:
5-year-oldeucalyptusforest>3yearsoldeucalyptusforest>Pinus-pinemixedforest.
Keywords:
plantation;maturemixedforest;foreststructure;evaporationofsoilmoisture
目录
摘要I
AbstractII
前言1
第一章国内外的研究动态2
1.1土壤水分蒸发研究动态2
1.2土壤水分蒸发的作用及其影响因素3
1.3本文研究的目的和意义6
第二章材料与方法7
2.1研究区域自然概况7
2.2实验样地选择7
2.3研究方法7
2.4数据处理9
第三章结果分析10
3.1样地植被调查分析10
3.2不同林分土壤水分月蒸发量的动态变化情况11
3.3不同林分土壤水分日蒸发量的动态变化情况12
第三章结论与讨论19
4.1讨论19
4.1.1土壤含水量与土壤水分蒸发的关系19
4.2结论20
参考文献21
致谢24
前言
桉树（Eucalyptus），因其具有抗性强、耐干旱瘠薄、易种植、适应性强、速生高产等特点，被广泛栽培于热带、亚热带和部分温带地区。
我国是世界上人工林最多的国家，近20年来桉树工业人工林的发展十分迅猛，发展规模不断扩大，桉树已成为我国林业史上引种最为成功的树种，为我国带来了巨大的经济效益和社会效益。
从1990年起，桉树种植区就已经遍及我国的广东、广西、海南、福建等17个省（区）的600多个县，桉树人工林面积达到67万hm2。
截至2009年，我国桉树人工林总面积约350万hm2，广西引种桉树也达到约164万hm2的面积[1]。
桉树人工林因其造林前的炼山、挖坑等营林措施，彻底改变了原有植被以及土壤生态系统结构；同时，营林后频繁而强烈的抚育措施（追肥、除草等）、林木的快速生长等，致使新建的植被结构和土壤生态系统持续发生剧烈变化，上述过程均可能引起森林水循环和物质周转的显著变化。
通过对不同林龄桉树人工林以及马尾松-杉木混交成熟林林地土壤水分蒸发量的研究测定，从而可以得出不同林分与土壤水分蒸发之间的关系以及桉树在土壤涵养蓄水方面的一些特性。
以寻求更加合理的经营管理措施，这对于发展桉树速生林，提高人工林收获产量具有十分重要的意义。
第一章国内外的研究动态
土壤水指的是由地面向下至地下水面（潜水面）以上土壤层中的水分，根据作用力的情况，可以分为束缚水和自由水两类。
土壤水分蒸发作为自然界水循环中重要的环节，同时也是土壤水研究中的重要元素，一直备受国内外研究学者的重视。
从19世纪初开始人们逐渐认识到土壤水分蒸发的重要性。
1.1土壤水分蒸发研究动态
在有作物生长的情况下，土壤中的水分一方面通过土壤表面蒸发掉，另一方面通过作物叶面的气孔而蒸腾，二者的总和被称为蒸散。
范爱武等（2004）进行了环境因子对蒸散影响分析，研究数据表明冠层净辐射强度和空气饱和差对土壤水分的蒸散率影响较大，而气温和风速的影响相对较小。
研究还发现，叶面积指数对蒸散的影响很大。
叶面积指数增大时，叶面蒸腾所占的份额增大，而蒸发所占的份额相应地减小。
冀宏、王慧杰、张德成等人作了大量的相关研究，研究表明土壤表面增加覆盖物可以有效的降低土壤蒸发，随覆盖物厚度的增加，土壤水分蒸发降低；同时蒸发量又与郁闭度呈弱负相关关系。
土壤水分蒸发对林业生产来说是一个重要的水分损失途径，特别是在干旱半干旱地区，土壤水分蒸发很大程度上决定着土壤改良改造计划的成败。
在植被恢复过程中积极采用地面覆盖措施不仅能调节地温，而且还能有效地降低土壤水分蒸发，以达到减少水分损失的目的。
近年来，地表覆盖物作为一项传统技术已经得到大量研究。
在研究过程中，大部分学者通过建立累计蒸发量或累计蒸发率与时间关系，对一定时间内的累积量进行了比较，结果表明单一覆盖物对土壤蒸发量有明显的减少作用；或通过建立单位时间内土壤蒸发量与时间关系，获得相同时段内土壤蒸发量累计变化情况。
钟芳等对砂石、玉米秸秆的单一覆盖厚度对土壤蒸发量的影响进行了研究，结果表明不同覆盖物对土壤蒸发量有明显的降低作用，砂石覆盖的土壤蒸发小于玉米秸秆覆盖的土壤蒸发。
崔向新、原翠萍等通过研究砾石粒径对土壤水分蒸发量的影响，得出砾石粒径越小，越能降低土壤水分蒸发量。
肖继兵等学者通过对辽西地区秸秆覆盖试验研究，得出秸秆覆盖对改善土壤的理化性状有一定的效果。
1.2土壤水分蒸发的作用及其影响因素
土壤蒸发过程是土壤失去水分的主要过程。
各种不同森林类型水分动态变化都存在明显差异，但都有基本一致的变化规律。
不论是哪种林分及层次，其含水率的变化都与土壤水分蒸发紧密相关。
降落到地球表面的水有75%通过热能交换由液态转化为气态返回到大气中,土壤水分蒸发量的研究对生产具有重要意义。
影响土壤蒸发的因素可分为三类：
一是气象因素；二是土壤特性；三是土壤覆盖物状况。
土壤覆盖物对土壤水分的影响在上一小节中已经阐述，这里主要从气象因素及土壤特性方面予以讨论。
其详细因子包括：
1.土壤含水量土壤含水量是土壤水分蒸发的来源。
土壤含水量较高时，土壤蒸发量大于地表水面蒸发量。
土壤蒸发所消耗的水分得到充分补给，蒸发率比较稳定，土壤蒸发只受气象因素的影响，与含水量无关。
山东德州砂壤土此阶段含水量为14.3%～31.4%。
随着土壤含水量减少，非饱和渗透系数随之降低，补给蒸发的水分随之减少，土壤因素逐渐成为影响蒸发力的主要因素，气象因素成为次要因素。
德州砂壤土此阶段含水量为14.3%～8.4%。
当土壤含水量减小至非饱和渗透系数接近于零时，土壤蒸发完全以水汽扩散方式进行，蒸发达到一定深度时，气象因素的影响更加微弱，蒸发量不随蒸发力的变化而变化，土壤因素成为蒸发影响的决定性因素。
德州砂壤土此阶段含水量为8.4%～6.9%。
由此可见，土壤含水量是造成土壤蒸发呈现三个过程现象的根本原因，是土壤水分蒸发的最主要的控制性影响因素。
土壤蒸发的水分主要是包气带的有效水分，也就是说，土体含水量与无蒸发时的土体含水量之差为土壤蒸发的主要对象。
最大水分就是土壤饱和含水量与无蒸发时的土体含水量之差。
所以考虑含水量对蒸发的影响主要在这个区间内，而其它范围内水分的影响是很小的。
2.潜水深埋根据太谷均衡实验站1991年至2000年蒸渗计裸面土壤蒸发量与潜水埋深关系测量资料显示：
裸面土壤蒸发量一般是随着潜水埋深的增大而减少。
由于松散岩土中细小空隙的存在，在潜水面以上发生毛细上升现象，从而形成毛细上升带。
对于浅埋深而言，毛管水上升高度接近地面，潜水被源源不断地输送至地表供土壤蒸发，埋深越浅，土壤湿度越大，可供蒸发的水分越多，气象因素的影响越大，土壤蒸发量就越大。
当土壤含水量低于土壤临界含水量时，地下水埋深越大，土壤湿度越小，可供蒸发的水分越少，气象因素的影响越小，土壤蒸发的水分就越小。
从实验站2001年亚砂土零埋深自动供水蒸发实验得知，土壤年蒸发量与E601蒸发量的比值为1.45。
随着埋深的逐渐增大，蒸发量逐渐减小，当埋深增加到一定值时（资料所限，约3m），土壤蒸发量稳定不变，表明气象因素的影响微弱，而只与土壤埋深的大小有关。
3.土壤质地及结构土壤质地及结构关系到孔隙的数量、体积及其连通性，影响非饱和渗透系数。
根据水分在非饱和土壤中运移的情况，各种土壤的非饱和渗透系数从大到小依次为亚砂土、极细砂、细砂。
太谷均衡实验站试验资料显示，土壤蒸发量从大到小依次为：
亚砂土、极细砂、细砂。
随着土壤颗粒由细变粗，蒸发量由大变小。
4.土壤色泽及地表特征土壤色泽影响土壤吸收太阳辐射，因而影响土壤蒸发。
土壤颜色越深，吸收的热量越多，温度越高，蒸发量越大。
根据有关参考资料，黄土的蒸发量比白土的大7%，棕土的蒸发量比白土的大19%，黑土的蒸发量比白土的大32%。
地表的坡向、粗糙程度对蒸发也有影响，坡向阳面、地表粗糙蒸发量大，反之则小。
5.辐射与气温、地温连续蒸发必须有连续供给汽化潜热的能量，而太阳辐射是汽化潜热能量的来源。
因此其它条件相同时，辐射量大，蒸发量也大。
气温和地温对蒸发也有很大影响。
气温决定着空气里饱和水汽含量和水汽扩散的快慢，地温决定着土壤水分的活跃程度。
从太谷均衡实验站2000年气象因子与土壤蒸发对照测试资料可以看出：
辐射量大，蒸发量也大；气温和地温越高，土壤蒸发量就越大。
6.湿度大气相对湿度是影响蒸发的极其重要的因素。
资料表明：
在大气中相对湿度较高，水汽接近饱和，土壤能较长时间保持湿润。
地面以上湿度梯度越大，土壤蒸发越强烈。
7.风速风速使接近土壤表面的空气连续不断地被扰动，将接近饱和的空气带走，代之以干燥的空气，使蒸发过程加速。
风速越大，则蒸发作用越强烈。
8.降水与入渗方式土壤中可供蒸发的水分与降水量的数量、强度、入渗的方式有关。
降水量越多，蒸发越大。
降水强度越大，蒸发越小，反之则越大。
在现实中，当一场降水过后，水分开始蒸发与入渗。
典型的水分剖面是有一高含水层盖在较旱土层之上，在这种条件下，存在两个过程同时在剖面的不同部位进行：
一是地表蒸发使水分向上运动；二是水分入渗或重力排水，这时水分在深层部位的重力梯度和水分基质吸力梯度等的作用下，在中间就形成一个剖面上水分通量等于零的平面（曲面）或分水岭，这就是所说的零通量面，这个面逐渐向剖面下部移动。
所以在研究中要考虑蒸发和降水入渗的联合过程，因为这两个过程表面上看虽然在剖面上不同部位进行，但它们之间存在相互联系，相互作用。
一方面蒸发减小入渗，因它消耗可供入渗的水量；另一方面，入渗会减小蒸发，因它降低了表层容易蒸发消耗的土壤水分。
1.3本文研究的目的和意义
桉树以其适应性强、速生丰产、良好的经济效益和社会效益而被广泛种植，广西就是种植面积较大的其中之一。
而有关桉树人工林会造成土壤水分过度消耗的不利传言引起人们广泛关注。
由于土壤水对植物生长和发育的重要性，所以区域性的水分状况决定了生物生产力和生物量的高低及其分配，因此研究区域性的土壤水分变异特征有利于提高人工林收获产量，以及更好地管理和经营人工林，利于广西林业更好发展。
目前，桉树人工林土壤水分研究近几年才有报道，黄志宏等（2003）用典型相关法分析桉树人工林干季土壤水分影响因子。
同时对桉树人工林冠层气象因子对雨季土壤水分的影响作了研究。
时忠杰等（2010）研究了桉树人工林冠层、凋落物及土壤水文生态效应。
这些研究虽然全面的论述了桉树人工林土壤水文特性，但对于土壤蒸发方面并没有做太多深入的探究。
本文力求通过对桉树人工林土壤水分蒸发状况的调查研究，最终能有效地控制与改善森林水分状况，预防旱灾，提高森林生产力，为森林资源的合理经营和科学管理以及提高水土保持综合效益提供科学依据。
第二章材料与方法
2.1研究区域自然概况
研究区域位于广西南宁市北部（108°21′14″~108°22′14″E，22°56′48″~22°58′35″N）高峰林场的现代林业科技示范园优良树种展示区内，属南亚热带季风气候，年平均气温21.8℃，10℃以上年总积温7800℃左右，年均降雨量1304mm，且多集中于5~9月，平均相对湿度79%。
丘陵地形，海拔高度为130～280m，坡度一般为10°~30°，成土母岩以砂岩为主，土壤类型主要为赤红壤，土层厚度40cm以上，呈酸性，pH值在4.50～5.00之间。
2.2实验样地选择
在高峰林场界牌分场内选择坡向、坡位、坡度基本相同或相近的2008年种植尾巨桉（08EU）和2010年种植尾巨桉（10EU）林地作为实验样地，在高峰林场东升分场选择与桉树人工林样地坡向、坡位、坡度基本相同或相近的马尾松-杉木混交成熟林（MF）作为实验样地。
实验样地基本概况见下表2-1：
表2-1实验样地概况
样地类别
郁闭度
造林密度（株/㎡）
平均树高（m）
平均胸径（cm）
枯枝落叶层（cm）
灌草层盖度（%）
MF
0.9
3×3
15.9
19.5
3
95
08EU
0.5
2×3
16.0
14.0
3
30
10EU
0.7
2×3
13.4
13.1
2
40
2.3研究方法
林地土壤水分蒸发量采用小型蒸发器法进行监测。
此方法美国学者Boast和Roberston提出，并收入《Methodsofsoilanalysis》一书中。
小型蒸发器是长度和内径都为76mm、壁厚为2mm的环刀。
取土后封底、称重，然后放入一个比其外径略大的土壤空穴中，使得环刀内土面与环刀外土面高度一致。
间隔一段时间后再次称重。
两次重量差值即为该时段该地土壤水分蒸发量。
此方法造价低廉、操作简易，后经王会肖等学者介绍到国内，得到了广泛的应用。
不同学者根据需要制作了不同规格的小型蒸发器。
为了制作方便，我们将小型蒸发器的长度和内径都改为70mm，并为这种小型蒸发器设计了一种专门的土钻，使得小型蒸发器的取土和安装更方便。
土钻钻头内径为74mm、外径为80mm的内外壁光滑的圆筒，长度根据需要设计。
圆筒的前端有20mm长的刃口，刃口的内径为70mm，末端外壁为71mm。
这样，外径74mm、内径70mm的小型蒸发器恰好能装入钻头内，并且前端与人口的上端相抵，其内壁与刃口的内壁连为一体。
小型蒸发器的上端通过手柄固定在钻头内部。
取土时，土柱经过刃口进入小型蒸发器，到要求的时刻时，旋转手柄使土柱与原土分离，原状土会随土钻取出。
注意不破坏取土孔穴。
取出小型蒸发器，将其土体的下端削平，然后用有机玻璃盖和透明胶封底，并称初始重量；处理好后放回孔穴，间隔一天（1d）后取出称重，两次的重量差值即为蒸发的水量。
此次实验从2012年5月开始，到2012年12月结束。
期间，每天在每个样地进行5次重复监测。
2.4数据处理
采用WPS软件、SPSS17.0软件对数据进行相关分析。
第三章结果分析
3.1样地植被调查分析
通过在2012年9月份对样地灌草层植物多样性进行了调查，调查结果见表3-1。
样地
群落层次
样方号
物种丰富度指数（S）
Shannon-Wiener指数（H）
Simpson
指数（D）
均匀度指数（Jsw）
08EU
灌木
1~6
12
1.797
0.717
0.723
草本
1~6
15
2.086
0.837
0.770
10EU
灌木
1~6
9
1.548
0.700
0.716
草本
1~6
14
1.984
0.752
0.752
MF
灌木
1~4
17
2.172
0.838
0.767
5~8
25
2.842
0.930
0.883
草本
1~4
8
0.055
1.000
0.026
5~8
10
1.561
0.702
0.678
表3-108EU、10EU和MF灌草层植物多样性（2012年9月）分析结果
表3-1中Shannon—Wiener指数是表示群落中物种丰富程度的指标；Simpson指数是表明群落的优势度集中在少数种上的程度指标；均匀度指数表示群落物种分布的均匀度指标。
从表3-1可以看出Shannon-Wiener指数表现为：
（1）灌木层方面东升样地H值大于08年桉树样地和10年桉树样地；Simpson指数，还有均匀度均表现为相同现象，即D值、J值东升样地相应的都大于桉树林样地。
（2）草本层方面08年生桉树和10年生桉树Shannon-Wiener指数，均匀度方面均大于东升样地，Simpson指数08桉小于东升样地，说明在草本层植物方面，人工桉树林相对马尾松杉木混交林优势度集中在个别植物上更为明显。
3.2不同林分土壤水分月蒸发量的动态变化情况
图3-2不同林分5月土壤水分蒸发情况
图3-2可以看出土壤水分蒸发量年内变化十分明显，具有一定的季节性变化。
在5月份，马尾松-杉木混交林的月蒸发量达到了14.18083mm，而08年生桉树林土壤水分蒸发量（18.5765mm）和10年生桉树林的土壤蒸发量（19.2877mm）都快接近20mm。
随着夏天降雨量的增加，土壤含水量的升高，各林地土壤水分蒸发也随之大幅增加。
其中，七月份08年生桉树土壤水分月蒸发量达到了36.2254mm，达到全年蒸发量的峰值。
而后，蒸发量呈现递减状态，在冬季12月份，各林分土壤水分月蒸发量都维持在10mm左右。
造成这种递减的原因是随着秋季的到来，枯枝落物的增加，对土壤有一定的遮蔽作用，从而在一定程度上对土壤水分的蒸发起到了抑制作用。
就三种不同林分同一时间段（8个月）的降水量监测来看，08年生桉树林土壤水分蒸发总量（142.338mm）>10年生桉树林土壤水分蒸发总量（133.3724mm）>马尾松-杉木混交林土壤水分蒸发总量（110.9271mm）。
出现这种结果可以用表2-1实验样地概况来解释。
08EU在郁闭度（0.5）和灌草层盖度（30%）分别小于10EU的郁闭度（0.7）和灌草层盖度（40%），这说明10年生桉树人工林中的草本植物和灌木生长良好，地表植物覆盖的程度较高。
地表植物的蒸腾作用使地表空气湿度增大，抑制了土壤和枯落物的水分蒸发。
另一方面，马尾松-杉木混交林土壤的蒸发量小于不同林龄桉树人工林土壤水分蒸发量，这一规律也要归功于马尾松-杉木混交林地表覆盖物厚度大于桉树人工林地表覆盖物，同时这也说明桉树人工林在土壤水分蒸发方面的特性是有别于其他林地的。
3.3不同林分土壤水分日蒸发量的动态变化情况
根据日观测所得不同林地土壤水分蒸发量绘制日--蒸发量图。
如图3-3，图3-4，图3-5，图3-6，图3-7，图3-8，图3-9，图3-10。
图3-3不同林分5月土壤水分日蒸发图
林地五月土壤水分蒸发量总体呈下降趋势，10年生桉树人工林土壤蒸发量变化最大，由最初的1.079mm/day下降到5月（21-23）的0.2561mm/day。
图3-4不同林分6月土壤水分日蒸发图
图3-5不同林分7月土壤水分日蒸发图
图3-6不同林分8月土壤水分日蒸发图
图3-7不同林分9月土壤水分日蒸发图
图3-8不同林分10月土壤水分日蒸发图
图3-9不同林分11月土壤水分日蒸发图
图3-10不同林分12月土壤水分日蒸发图
从上述不同林地土壤水分日蒸发量图中可以看出各林分土壤水分蒸发量呈同步增减。
总体还是08EU>10EU>MF。
蒸发量冬季较小而在夏季很大。
蒸发量郁闭度平均高枯落物量
蒸发量1-0.615**0.012-0.135*
郁闭度-0.615**1-0.1230.221
平均高0.2210.0121-0.250*
枯落物量-0.1350.221-0.2501
图3-11相关系数矩阵
经相关分析（图3-11）可知,影响单位面积蒸发量的主要因子为地表枯落物量，同时蒸发量又与该林地郁闭度呈弱负相关关系，地表枯落物越多,地面蒸发的量越小，这是因为枯枝落叶层和半分解层比较疏松，使土壤毛管水不能顺利上升，土壤水分得不到足够能量汽化，这是导致08EU土壤的蒸发量较大的重要原因。
同时由于08EU的地上覆盖较稀，地表接受的太阳辐射能较高，使局部温度特别是地表5cm的温度在白天升高较大，这样就使土壤内部的水分活跃。
而MF的土壤由于有乔木覆盖，太阳辐射呈斑块性分布，又有枯落物阻挡，相比之下，土壤水分得不到足够多的能量。
再有，由于MF土壤上部半分解层的微生物活动，较少人为干扰，形成较为稳定的小环境，其湿度和温度受外界影响较小，使土壤表面受风的影响降低，这在一定程度上降低了土壤的蒸发量。
第三章结论与讨论
4.1讨论
桉树人工林土壤水分的蒸发受到众多因素的影响，究其根本，主要受到林地自身特性以及天然降雨量两方面的影响。
这也是研究监测结果中7月份各林分土壤水分蒸发量达到最大峰值的原因。
4.1.1土壤含水量与土壤水分蒸发的关系
7月至9月各林分内的温度和相对湿度都很高，降雨补给充足，林分土壤含水量高，此时，各林分土壤水分蒸发量也相对的较高。
9月份后气温持续平稳下降，由于各林分结构不同，受降雨影响程度不同，林内相对湿度波动较大，但各林分土壤水分蒸发量变化趋势基本一致。
随着冬季的到来，土壤含水量降低，土
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