全 文 ：第 wv卷 第 w期
u s s z年 w 月
林 业 科 学
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∂²¯1wv o‘²1w
„³µqou s s z
黄土区基于土壤水平衡的林草覆被率研究
毕华兴t ou 李笑吟t 李 俊t 郭孟霞t 刘 鑫t
kt1 北京林业大学 北京 tsss{v ~ u1 水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室 北京 tsss{vl
摘 要 } 以水量供耗平衡为基本原理 o以土壤水分有效性含量界线作为土壤供水起算值计算土壤的有效供水量 o
以黄土区主要造林树种的蒸腾耗水与土壤蒸发为耗水量 o根据土壤水分供耗的动态平衡推导出黄土高原退耕还林
还草区不同植被的适宜覆被率计算公式 ∀并以晋西黄土区吉县为例 o对所选择的样地进行多年的定位观测 o得出
研究区主要造林树种林地的土壤有效水含量 !林冠截留率 !产流率 !土壤水分 !土壤蒸发 !林地蒸散各参数 o计算出
研究区主要造林树种k油松 !刺槐l和草种的适宜覆被率 o旨在为该地区乃至整个退耕还林还草工程及其他林业生
态工程的防护林体系高效空间配置和稳定林分结构设计提供理论依据 ∀
关键词 } 林草植被覆被率 ~土壤水平衡 ~黄土区
中图分类号 }≥ztx1x 文献标识码 }„ 文章编号 }tsst p zw{{kusszlsw p sstz p sz
收稿日期 }ussx p tu p uy ∀
基金项目 }/十五0科技攻关项目/退耕还林还草工程区水土保持型植被建设技术研究与示范0kusst…„xts…stl ∀
Στυδψ ον Συιταβλε ςεγετατιον Χοϖερ ον Λοεσσ Αρεα Βασεδ ον Σοιλ Ωατερ Βαλανχε
…¬‹∏¤¬¬±ª ¬÷¬¤²¼¬± ¬∏± Š∏²  ±¨ª¬¬¤ ¬∏÷¬±
kt qΒειϕινγ Φορεστρψ Υνιϖερσιτψ Βειϕινγ tsss{v ~ u qΚεψΛαβορατορψοφ Σοιλανδ Ωατερ Χονσερϖατιον ανδ ∆εσερτιφιχατιον Χοµβατινγ o
Μινιστρψοφ Εδυχατιον Βειϕινγ tsss{ul
Αβστραχτ } …¤¶¨§²±·«¨ ¥¤¯¤±¦¨ ¥¨·º¨ ±¨ º¤·¨µ¶∏³³¯¼ k¤√¤¬¯¤¥¯¨¶²¬¯ °²¬¶·∏µ¨l ²©¶²¬¯ ¤±§º¤·¨µ¦²±¶∏°³·¬²± ¥¼ √¨ ª¨·¤·¬²±
·µ¤±¶³¬µ¤·¬²± ¤±§¶²¬¯ √¨¤³²µ¤·¬²±o·«¬¶¶·∏§¼©²¦∏¶²± §¨·¨µ°¬±¬±ª·«¨ ¶∏¬·¤¥¯¨√¨ ª¨·¤·¬²±¦²√¨ µ¤ª¨ ¬±·«¨ ¶¯²³¨ ²© ²¯¨ ¶¶¤µ¨¤º«¨µ¨
¦¤µµ¬¨§²±·«¨ ³²¯¬¦¼ ²©µ¨·∏µ±¬±ª©¤µ°¯¤±§·²©²µ¨¶·¶¤±§ªµ¤¶¶ ¤¯±§q ²¯¨ ¶¶¤µ¨¤o¬≤²∏±·¼¬± ≥«¤±¬¬°µ²√¬±¦¨ oº¤¶·¤®¨ ± ¤¶¤
¦¤¶¨ ¶·∏§¼q„¦¦²µ§¬±ª·²¤ ²¯±ª2·¨µ° °²±¬·²µ¬±ª¬±·«¨ µ¨¶¨¤µ¦«¤µ¨¤o·«¨ ©²¯ ²¯º¬±ª³¤µ¤°¨ ·¨µ¶o¤√¤¬¯¤¥¯¨¶²¬¯ º¤·¨µ¦²±·¨±·o·«¨
¬±·¨µ¦¨³·¬±ªµ¤·¨oµ∏±²©©¦²¨©©¬¦¬¨±·o¶²¬¯ º¤·¨µ¦²±·¨±·o¶²¬¯ √¨¤³²µ¤·¬²±¤±§ √¨¤³²·µ¤±¶³¬µ¤·¬²± º¨ µ¨ ª¨·¬±·«¨ °¤¬±©²µ¨¶·¯¤±§¶q
…¤¶¨§²± ¤¯¯·«¨ ¤¥²√¨ √¤µ¬¤¥¯ ¶¨o·«¨ ¶∏¬·¤¥¯¨√¨ ª¨·¤·¬²±¦²√¨ µ¤ª¨ ²©·«¨ °¤¬±¶³¨¦¬¨¶k¬±¦¯∏§¬±ª Πινυσταβυλαεφορµισo Ροβινια
πσεδοαχαχιαo¶«µ∏¥¤±§ªµ¤¶¶l ¬± ·«¨ µ¨¶¨¤µ¦«¤µ¨¤ º¤¶¦¤¯¦∏¯¤·¨§∏¶¬±ª·«¨ °²§¨¯ §¨ √¨ ²¯³¨ §q ׫¨ µ¨¶∏¯·¶º¬¯¯ ³µ²√¬§¨ ·«¨
·«¨²µ¨·¬¦¤¯ ©²∏±§¤·¬²± ©²µ·«¨ ³µ²­¨¦·²© µ¨·∏µ±¬±ª©¤µ°¯¤±§·² ©²µ¨¶·¶¤±§ªµ¤¶¶¯¤±§¤±§²·«¨µ©²µ¨¶·µ¼ ¦¨²¯²ª¬¦¤¯ ±¨ª¬±¨ µ¨¬±ª
³µ²­¨¦·¶²±·«¨ §¨¶¬ª±¬±ª²© ©¨©¬¦¬¨±·¶³¤·¬¤¯ §¬¶·µ¬¥∏·¬²± ¤±§¶·¤¥¯¨¶·¤±§¶·µ∏¦·∏µ¨ ©²µ³µ²·¨¦·¬²±©²µ¨¶·q
Κεψ ωορδσ} √¨ ª¨·¤·¬²±¦²√¨ µ¤ª¨ ~¶²¬¯ º¤·¨µ¥¤¯¤±¦¨ ~ ²¯¨ ¶¶¤µ¨¤
适宜林草覆被率是指它所要求达到的林草面积 o应是在其上生长的林木和牧草以及其他林草成分 o既能
保持水土 !涵养水源 !调节气候 o又能满足国民经济和人民生活 !生产对木材 !饲草及其副产品的需要 o为经济
的持续发展创造良好的环境和条件k吴钦孝等 ousssl ∀据此 o确定黄土高原水土流失区适宜林草覆被率的主
要依据有 }tl水热条件和植被的地带性分布 ~ul地貌类型和土地利用方向 ~vl国民经济发展和人民生活需
要 ∀为确定适宜林草覆被率 o根据不同地貌区 o并根据与这些区域最相关的生态环境保护要求 o丘陵地区主
要从保持水土的需要考虑 ~山区主要从涵养水源的要求出发 ~川 !台 !塬区和风沙区则主要从农田防护和防
风固沙角度考虑 ∀
由于地区或林地种类不同 o以不同的标准衡量林草适宜覆被率时 o研究重点不同 !所采用的研究理论和
方法也不同 o所得结论也大相径庭k侯庆春等 ot|{v ~汪有科等 ot||u ~郭忠升 ot||y ~t||z ~t||{ ~usss ~郭忠
升等 oussv ~吴钦孝等 ousss ~张健等 ot||yl ∀林辉等kussxl根据大尺度上森林覆被率对水文效应的影响 o利
用森林覆被率与流域形状系数 !水利工程数量 !平均坡度等因子的关系模型确定适宜覆被率 ~王凤臻等
kt|||l根据林业可持续发展的标准来确定地区的适宜覆被率 ~刘宗顺等kt|||l根据水分平衡方程 o计算出
赤峰地区的理论造林覆被率 ~高琼等kt||yl从土壤水分平衡出发 o用动态仿真模型方法研究我国北方干旱
半干旱沙地草地水分平衡与立地条件 o如坡度 !坡向 !土壤物理性状及植被覆被率之间的关系 o对沙地草地最
优植被覆被率进行了研究 ~朱金兆等kussul在黄土区小流域防护林体系高效空间配置中以水量平衡作为森
林配置的依据 ∀
本研究以限制黄土高原林业发展的关键因子 ) ) ) 水分为出发点k李玉山等 ot||s ~刘梅等 ot||s ~王军
等 ousss ~邱扬等 oussv ~李洪建等 oussvl o以水量供耗平衡为基本原理k张远等 oussu ~张永涛等 oussv ~张丽
等 oussv ~刘苏峡等 oussw ~何永涛等 oussw ~陈洪松等 oussx ~何志斌等 oussxl o以土壤水分有效性含量界线作
为土壤供水起算值计算土壤的有效供水量 o以黄土区主要造林树种的蒸散耗水与土壤蒸发为耗水量 o根据土
壤水分供耗的动态平衡推导黄土高原退耕还林还草区不同坡面地形条件下不同植被的适宜覆被率计算公
式 ∀并以黄土区吉县试验区为典型案例 o通过实地监测和对以往研究成果的继承 o确定模型中所需各参数 o
计算黄土区主要造林树种和草种的以水量供耗平衡为基础的不同坡面地形条件下不同植被的覆被率 o为当
地乃至全国退耕还林还草工程及其他林业生态工程中防护林体系高效空间配置和稳定林分结构设计提供理
论依据 ∀
t 研究区概况
研究区kvxβxvχtsδ ) vyβutχsuδ ‘ottsβuzχvsδ ) tttβszχusδ ∞l位于山西省吉县 o属典型的黄土残源沟壑区 ∀
据吉县气象站资料 o吉县多年平均降水量 xzt °° o降水量季节分配不均匀 ow ) ts月降水量为 xut1w °° o占全
年总降水量的 |s1x h o其中 y ) |月降水量占全年降水量的 zs h左右 o冬季ktu月至次年 u月l降水量平均为
ty1z °° o占年平均降水量的 v h ∀土壤属黄土母质 o土层深厚 o土质均匀 o在剖面不同深度分布有钙积层石
灰结核或假菌丝体 ∀吉县境内植物资源比较丰富 ∀常见的木本植物有 t|w种 o分属于 w|个科 ~草本植物
t{s种 o分属于 ww个科k不包括农作物l ∀退耕还林工程主要造林树种为油松k Πινυσ ταβυλαεφορµισl !侧柏
k Πλατψχλαδυσοριενταλισl !刺槐k Ροβινια πσευδοσχαχιαl !沙棘k Ηιπποπηαε ρηαµνοιδεσl !苹果k Μαλυσπυµιλαl !桃k Πρυνυσ
περσιχαl !杏k Πρυνυσ αρµενιαχαl及梨k Πψρυσ ηοπειενσισl ∀
u 研究方法
211 土壤水分有效性分析
在研究区 o根据植被类型的不同 o选取油松 !刺槐 !灌草坡 v个典型林地k见表 tl ∀ussw年 o在样地中挖
土壤剖面 o利用环刀 o在 s ∗ us !us ∗ ws !ws ∗ ys及 ys ∗ {s ¦°分别取原状土 o密封后 o于实验室进行密度 !毛管
孔隙度 !非毛管孔隙度 !饱和含水量等土壤物理性质的测定 ∀并同时利用 ‹2twss°ƒ特型土壤用离心机专用
环刀 o在不同土层分别取原状土 o密封后 o置于 ‹2twss°ƒ特型土壤用离心机进行土壤水分特征曲线的测定 o
进而计算土壤有效水含量 ∀
212 土壤水分与地形因子关系确立
为了研究地形因子与土壤水分的关系 o选择典型的刺槐林地 o通过机械布点的方法 o在典型样地选取了
u|t个土壤水分监测点k监测点间距为 us ° ≅ us °l o应用时域反射测定仪k×⁄• l进行土壤含水量的测定
kײ³³ ετ αλqot|{xl o得出试验区土壤含水量空间分布图 ~将试验区 tΒts sss地形图数字化 o生成 ⁄∞ 图 o分
别提取高程 !坡向 !坡度 v个地形因子 o生成试验区高程分布图 !坡向分布图 !坡度分布图 ~使用 „µ¦ŠŒ≥中
Š•Œ⁄的 ¦²°¥¬±¨ 命令将高程 !坡向 !坡度分布图与土壤水分分布图进行叠加 o得到地形因子与土壤水分数据
的属性数据库 ∀基于地形因子与土壤水分叠加数据库 o应用 ≥°≥≥统计学软件k薛薇 ousstl进行主成分分析
和聚类分析 o得出影响土壤水分的地形因子主成分和聚类结果 o并通过建立模型来定量研究土壤水分与地形
因子的关系 o以推导其他土地利用状况下地形因子对土壤水分的影响 ∀
213 基于土壤水分平衡的适宜林草植被覆被率模型
水分是黄土高原植被建设的主要限制因子 ∀因此 o植被的建设必须以水量平衡为基础 o即有效供水量和
植被蒸发散耗水量达到动态平衡 ∀
u1v1t 下渗水 降水是黄土区唯一的水分来源 ∀但黄土区有效降水只是降水量的一部分 o其中林冠截留和
地面径流无法被植被利用 o属于无效水 ∀根据林地水量平衡公式 o渗入土壤中的水量计算公式为
Φ € Π p Ι p Ρ o ktl
式中 }Φ为可渗入土壤中的总水量k°°l ~ Π为降水量k°°l ~ Ι为林冠截留量k°°l ~ Ρ为地表径流深k°°l ∀
{t 林 业 科 学 wv卷
表 1 样地概况
Ταβ .1 Συρϖεψ οφ σαµ πλε πλοτσ
项目
Œ·¨°¶
林分类型 ≥·¤±§·¼³¨
油松
Πqταβυλαεφορµισ
刺槐
Ρ qπσευδοαχαχια
灌草 ≠
≥«µ∏¥¤±§ªµ¤¶¶
林龄 ≥·¤±§¤ª¨Π¤ tv tu
平均树高  ¤¨± «¨¬ª«·Π° w1u{ y1vx
平均胸径  ¤¨± ⁄…‹Π¦° y1| z1wx
坡位 ≥¯ ²³¨ ³²¶¬·¬²± 中 ¬§§¯¨ 中 ¬§§¯¨ 下 ²º µ¨
坡向 ≥¯ ²³¨ ¤¶³¨¦·Πkβl vus tyx tzs
坡度 Šµ¤§¬¨±·Πkβl tv ux tx
海拔 „¯·¬·∏§¨Π° t twx t tzz t ttu
密度 ⁄¨ ±¶¬·¼Πk¬±§¬√¤§∏¤¯#«°p ul yss uyw tu w|x ∗ xs sts
草木盖度 ≤²√¨ µ¤ª¨ ²©ªµ¤¶¶Πh ws ∗ {s
土壤密度 ≥²¬¯ §¨ ±¶¬·¼Πkª#¦°pvl t1u t1v t1v
总孔隙度 ײ·¤¯ ³²µ²¶¬·¼Πh xv1z xu1w yz1s
毛管孔隙度 ≤¤³¬¯¯¤µ¼ ³²µ²¶¬·¼Πh xt1v w{1| xs1y
非毛管孔隙度 ‘²±2¦¤³¬¯¯¤µ¼ ³²µ²¶¬·¼Π h u1y v1x ty1y
≠ 主要植物种包括沙棘 !虎榛子 !黄刺梅和狼牙刺 ∀ ׫¨ °¤¬± ¶³¨¦¬¨¶¤µ¨ Ηιπποπηαε
ρηαµνοιδεσo Οστρϖοπσισ δαϖιδιανα o Ροσα ξαντηινα ¤±§ Σοπηαρα ϖιχιιφολιαq
u1v1u 无效水填充量 渗入土壤中
的水并非都能被植物吸收利用 ∀渗入
土壤的水首先满足填充有效水含量以
下 !干季土壤最低含水量以上的土壤
空隙 o称无效水填充量k Ω©l ∀下渗水
中扣除这一部分以后的水才能供给植
物有效蒸腾 ∀无效水填充量k Ω©l的
计算公式为
Ω© €
kΗι p Ηsιl ≅ Λ kΗι ∴ Ηsιl
s kΗι  Ηsιlo
kul
式中 }Ηι为不同立地类型土壤有效水
与无效水的分界值k h l ~ Ηsι为不同立
地类型干季多年平均土壤最低土壤含
水量k h l ~ Λ为根系层深度k°°l o本
研究取 u sss °°∀
u1v1v 植物蒸散与土壤蒸发量 植物蒸散总量为森林覆被率 ≅林地蒸散量 ~土壤蒸发总量为林地土壤蒸
发量 ∀所以 o林地蒸散与土壤蒸发量计算公式为
Ε× € Χι ≅ Ε√ n kt p Χιl ≅ Ε¶ o kvl
式中 } Ε× 为林地与土壤蒸发量k°°l ~ Ε√为林地蒸散量k°°l ~ Ε¶为土壤蒸发量k°°l ~ Χι为不同立地森林覆
被率k h l ∀
u1v1w 以土壤水分平衡为基础的林草植被覆被率确定 基于水量平衡法 o联解上述方程 o可求得适宜林草
覆被率
Φ p Ω© € Ε× ∀ kwl
将式ktl !kul !kvl分别代入式kwl o可推导出单一树种或草种的林草覆被率
Χι € Π p Ι p Ρ p kΗι p Ηsιl ≅ Λ p Ε¶Ε√ p Ε¶ ≅ tss h ∀ kxl
v 模型各参数的计算与分析
表 2 各林地截留率 !截留量 !径流系数与径流深
Ταβ .2 Ιντερχεπτιϖε ρατε , ιντερχεπτιον , ρυνοφφ χοεφφιχιεντ
ανδ τηε δεπτη οφ ρυνοφφιν διφφερεντ ϖεγετατιονσ
项目
Œ·¨°¶
油松
Πq ταβυλαεφορµισ
刺槐
Ρ qπσευδοαχαχια
灌草
≥«µ∏¥¤±§ªµ¤¶¶
截留率 Œ±·¨µ¦¨³·¬√¨ µ¤·¨Πh uw1z t{1w us1u
截留量 Œ±·¨µ¦¨³·¬²±Π°° twt1u tsx1t ttx1x
径流系数 • ∏±²©©¦²¨©©¬¦¬¨±·Πh s1szv s1sxz s1s{w
径流深 ⁄¨ ³·«²©µ∏±²©©Π°° ts1v y1s |1z
311 植被冠层截流量
根据 t|{{ ) t||s年对研究区油松 !
刺槐和灌木林林冠层截留量观测的结果
k孙立达等 ot||x ~魏天兴等 ousstl o统计
不同林地的林冠截留率和截留量结果见
表 u ∀
312 地表径流深
根据 t|{{ ) t||s 年对研究区不同
植被类型样地的标准径流小区降雨产流观测结果k孙立达等 ot||x ~魏天兴等 ousstl统计 o得出了不同样地的
地表径流系数 o并通过多年平均降水量 xzt °°求得不同样地的年径流深 o见表 u ∀
313 土壤水分与地形因子关系解析
坡面尺度上坡向 !坡度和小地形对土壤水分状况有明显影响k±¬∏ ετ αλqousstl ∀在研究区选择一典型的
刺槐林地 o布设 u|t个土壤水分观测点 o通过 ussw ) ussx年土壤水分的 ×⁄• 监测 o得到研究区土壤水分分布
图 ~并与地形因子k坡度 !坡向 !高程l进行关系解析 ∀以此来分析不同林地地形因子与土壤水分的关系 ∀
v1v1t 主成分分析和聚类分析 tl地形因子与土壤水分含量的主成分分析 首先计算各成分的贡献率 o根
|t 第 w期 毕华兴等 }黄土区基于土壤水平衡的林草覆被率研究
据各成分原始变量的特征值确定主成分个数 ∀研究区数据分析结果k李笑吟等 oussyl表明 }研究区地形因子
对表层土壤水分状况只存在一个主因子 ∀在此基础上 o进一步对各因子的荷载量进行分析以确定主成分 o结
果见表 v ∀表 v表明 }在 s ∗ vs ¦°土层 o坡向为主成分 o高程的影响程度次之 o坡度最小 ~在 vs ∗ ys ¦°土层 o
坡度为主成分 o高程的影响程度次之 o坡向最小 ∀坡向作为 s ∗ vs ¦°影响土壤水分状况的主成分因子 o其原
因在于表层土壤水分的状况受气象因子 o尤其是太阳辐射强度的影响最甚 o坡向的差异可以最大程度地反映
太阳辐射强度的差异 o进而反映土壤水分含量的差异k朱德兰等 oussvl ∀而随着高程的升高 o太阳辐射强度
增大 o这种变化对土壤水分状况也有一定的影响 ~坡度在这方面的影响较为薄弱 ∀在 vs ∗ ys ¦°土层 o随着
深度增加 o气象因素的作用能力减弱 o因此坡向的影响程度降为最小 ~而坡度成为对土壤水分状况影响的主
成分因子 o坡度的差异导致了水分在土壤中的流动和保蓄 o这是造成深一层次土壤水分差异的主要原因 ~而
高程的差异也是土壤水分运动的条件 o因而也对土壤水分差异的形成有一定作用k李洪建等 oussvl ∀
表 3 主成分荷载矩阵
Ταβ .3 Χοµ πονεντ µ ατριξ
地形因子 ײ³²ªµ¤³«¼©¤¦·²µ s ∗ vs ¦° vs ∗ ys ¦°
高程 ∞¯ √¨¤·¬²± s1zwx s1zww
坡向 ≥¯ ²³¨ ¤¶³¨¦· p s1{sz s1v{x
坡度 Šµ¤§¬¨±· s1vz| p s1{sy
ul基于土壤水分含量的坡向 !坡度聚类分析 由上述因
子分析得出坡向 !坡度为影响浅层土壤的主要因子 o利用其相
应的土壤水分状况的属性数据库 o基于土壤水分含量进行坡
向 !坡度的聚类分析 ∀聚类分析结果如下 ∀
基于土壤水分含量的坡向聚类分析以正北向 sβ为起始
点 o按顺时针方向 o每 tt1uxβ为一递增量对坡向进行模糊聚类
分析 o计算欧式距离 o指定观测量聚类为最小方差法 o得出聚类分析图k图 tl o按 Κ€ u1xykΚ为临界近似程度
取类间距l o将坡向划分为两大类 o即 }按顺时针方向 u|u1x ∗ ttu1xβ为阳坡 ottu1x ∗ u|u1xβ为阴坡 ∀坡向的聚
类结果显示出按土壤水分状况的坡向划分与传统林学按太阳辐射划分的阴 !阳坡地k阴坡 }u|u1x ∗ vysβ os ∗
ttu1xβ ~阳坡 }ttu1x ∗ u|u1xβl基本一致 o这很好地反映出坡向作为主要因子对浅层土壤水分的影响 o坡向的
差异能最大程度地反映太阳辐射强度的差异 ∀
基于土壤水分含量的坡度聚类分析在 x ∗ vxβ坡度范围内按 xβ为一级 o以同样的方法进行聚类分析 o其结
果如图 u所示 o当 Κ€ v时 o其聚类结果把坡度划分为 u个类别 o分别为 x ∗ usβ和 us ∗ vxβ ∀
v1v1u 土壤水分与地形因子关系系数的确立 利用坡向 !坡度和相应的土壤水分状况的属性数据库 o建立
土壤水分含量与坡向 !坡度的关系模型 ∀通过曲线参数估计法k¦∏µ√¨ ¶¨·¬°¤·¬²±l模块提供的拟合曲线功能进
行拟合 o结果见表 w ∀
表 5 不同地形因子情况下的刺槐土壤水分含量比例系数
Ταβ .5 Προπορτιον χοεφφιχιεντσ οφ σοιλ ωατερ χοντεντ οφ Ροβινια
πσευδοαχαχια ωιτη διφφερεντ τερραιν φαχτορσ
坡向
≥¯ ²³¨ ¤¶³¨¦·
坡度 Šµ¤§¬¨±·Πkβl
x ∗ us us ∗ vx
阴坡 ≥«¤§¼ t1ss s1||
阳坡 ≥∏±±¼ s1{u s1{
表 4 土壤水分与坡度 !坡向的关系模型 ≠
Ταβ .4 Μοδελ οφ ρελατιονσηιπ βετωεεν σοιλ ωατερ , σλοπε ασπεχτ ανδ γραδιεντ
坡度
Šµ¤§¬¨±·Πkβl
坡向
≥¯ ²³¨ ¤¶³¨¦·
土壤水分模型
≥²¬¯ º¤·¨µ°²§¨¯ Ρ
u Φ ≥¬ªq
x ∗ us 阴坡 ≥«¤§¼ φ € s1ss suy α
u p s1swx α n tw1sv s1wu ts1uv  s1sss t
阳坡 ≥∏±±¼ φ € p s1ss svx βu n tw1vt s1y| xy1ux  s1sss t
us ∗ vx 阴坡 ≥«¤§¼ φ € s1suu χ n ts1yv s1wv tt1wz  s1sss t阳坡 ≥∏±±¼ φ p s1ss swy δu n tx1uw s1z| uyt1wv  s1sss t
≠ α oβ oχ oδ为坡向 ∀ α o β oχ ¤±§ δ ° ¤¨± ¶¯²³¨ ¤¶³¨¦·q
通过对上述 w个土壤水分方程求积分 o积分比即为土壤水分在不同坡度 !坡向组合下的比例系数k即土
壤水分的相对状况l o结果见表 x ∀用土壤水分的比例系数可推算不同立地条件下的土壤水分及土壤蒸发等
主要水文变量 ∀
314 多年平均干季月平均最低土壤体积含水量
根据 t||s ) ussx年的研究区土壤水分定位监测结果 o研究区 y月份土壤含水量在全年中最低 ∀以 y月
的土壤平均含水量作为研究区多年平均干季最低
土壤含水量 o结果见表 y ∀
315 不同土地利用类型土壤有效水含量
根据 u1t叙述的研究方法 o作者对样地土壤
水分有效性进行了实测 o得出了不同植被土壤水
分有效性状况k用土壤体积含水量表示l o分别为
油松 tt1| h !刺槐 tv1w h !灌草 tu1x h ∀
su 林 业 科 学 wv卷
图 t 基于土壤水分含量的坡向聚类分析图
ƒ¬ªqt ≤ ∏¯¶·¨µ¤±¤¯¼¶¬¶²©¶¯²³¨ ¤¶³¨¦·¬±·¨µµ¨ ¤¯·¨§·²¶²¬¯ º¤·¨µ¦²±·¨±·
图 u 基于土壤水分含量的坡度聚类分析图
ƒ¬ªqu ≤ ∏¯¶·¨µ¤±¤¯¼¶¬¶²©ªµ¤§¬¨±·¬±·¨µµ¨ ¤¯·¨§·²¶²¬¯ º¤·¨µ¦²±·¨±·
316 主要造林树种蒸散量确定
v1y1t 黄土高原主要造林树种耗水特征 黄土高原主要的造林树种为刺槐 !油松 o研究其耗水特征是确定
植物空间优化配置的重要依据 ∀黄土高原植物生长季为 w ) ts月 o植物蒸腾 !耗水量主要集中在该阶段 o其
他时间的耗水量很少 o因此植物的水分亏缺主要发生在该阶段 o对植物蒸腾 !耗水的研究主要是针对植物生
长季进行 ∀
根据对研究区刺槐 !油松植物蒸腾耗水的实测数据 o参考研究地域其他土地利用类型蒸散测定结果k孙
tu 第 w期 毕华兴等 }黄土区基于土壤水平衡的林草覆被率研究
表 6 不同样地多年平均最低土壤含水量
Ταβ .6 Αϖεραγε µινιµ υµ σοιλ ωατερ χοντεντ
ιν διφφερεντ σαµ πλε πλοτσ h
林分类型
≥·¤±§·¼³¨
阴坡
≥«¤§¼
阳坡
≥∏±±¼
油松 Πq ταβυλαεφορµισ tv1t tu1wx
刺槐 Ρ q πσευδοαχαχια ts1v |1y
灌草 ≥«µ∏¥¤±§ªµ¤¶¶ tu1y tu1w
立达等 ot||x ~尹忠东等 oussxl o得到了研究区主要造林
树种的蒸散耗水量k表 zl ∀
v1y1u 黄土高原土壤蒸发耗水量的确定 根据 t||s年
以来山西吉县不同坡向的土壤蒸发测定结果分析 o多年
平均土壤蒸发量为阳坡 vwt °° o阴坡 vvt °°∀
317 基于水环境容量的适宜林草覆被率计算
将上述各种参数代入式kxl中 o可得不同立地类型不
同植被在一定密度k盖度l条件下基于水环境容量的适宜
表 7 不同下垫面各月份蒸散量
Ταβ .7 Εϖαποτρανσπιρατιον οφ διφφερεντ υνδερλψινγ συρφαχεσ °°
月份
²±·«
裸地
…¤µ¨ ¤¯±§
草地
Šµ¤¶¶¯¤±§
油松
Πq ταβυλαεφορµισ
刺槐
Ρ q πσευδοαχαχια
w vx1z vy1s yv1v x|1w
x xv1w xv1z y|1| yy1s
y yw1{ zt1t zz1w zv1x
z yu1z z{1v {x1u ttu1{
{ xt1v yx1t zw1w {u1x
| wy1x xu1u zu1y yu1w
ts ut1| ut1y xu1u vz1x
总量 ײ·¤¯ vvy1v vz{1s w|x1s w|w1t
表 8 基于水环境容量的适宜森林覆被率
Ταβ .8 Ρεασοναβλε ϖεγετατιον χοϖεραγε βασεδ ον
ωατερ ενϖιρονµενταλ χαπαχιτψ h
林分类型
≥·¤±§·¼³¨
坡向
≥¯ ²³¨ ¤¶³¨¦·
坡度 Šµ¤§¬¨±·Πkβl
x ∗ us us ∗ vx
平均
„√ µ¨¤ª¨
油松 阴坡 ≥«¤§¼ yv1t xx1z xv1{uΠq ταβυλαεφορµισ 阳坡 ≥∏±±¼ w{1| wz1y
刺槐 阴坡 ≥«¤§¼ ys1y xv1v xt1vsΡ q πσευδοαχαχια 阳坡 ≥∏±±¼ wy1v wx1s
灌草 阴坡 ≥«¤§¼ tss tss tss≥«µ∏¥¤±§ªµ¤¶¶ 阳坡 ≥∏±±¼ tss tss
林草覆被率k表 {l ∀根据表 { o统计得
出下列不同立地类型条件下的适宜林
草覆被率 ∀ tl坡向 ∀阴坡 }刺槐林
xy1|x h o油松林 x|1ws h o草地为
tss h ~阳坡 }刺槐林 wx1yx h o油松林
w{1ux h o草地 tss h ~ ul坡度 ∀ x ∗
usβ }刺槐林 xv1wx h o油松林 xy h o草
地 tss h ~us ∗ vxβ }刺槐林 xt1z h o油
松林 ww1{ h o草地 tss h ~vl植被类
型 }刺槐林 xt1vs h o油松林 xv1{v h o
草地 tss h ∀值得一提的是 o这里计
算出来的适宜林草覆被率是基于水环
境容量的 o实际情况往往还受其他因
子的影响 o如地形 !土壤等 o所以 o实际
的适宜覆被率要小于理论计算值 ∀
w 结论与讨论
本文以土壤水分有效性含量界线
作为土壤供水起算值计算土壤的有效
供水量 o根据水量平衡原理推导出了
黄土高原退耕还林还草区不同坡面地形条件下不同植被的覆被率计算公式 ∀并以晋西黄土区吉县为典型案
例 o通过对所选择的样地进行相关的定位观测以及应用研究区以往的研究成果 o确定了模型中所需的各个参
数 ∀据此 o得出了研究区主要造林树种k油松 !刺槐l和草种在不同地形条件下的适宜覆被率 ∀经算术平均 o
研究区主要造林树种油松 !刺槐和灌草的适宜覆被率分别为 xv1{u h !xt1vs h和 tss h ∀研究结果为当地
乃至全国退耕还林还草工程及其他林业生态工程中防护林体系高效空间配置和稳定林分结构设计提供了理
论依据 ∀
确定适宜林草覆被率是退耕还林还草工程及其他林业生态工程中防护林体系配置的关键 o目前这方面
的研究大都根据水热条件和植被的地带性分布 !地貌类型和土地利用方向以及国民经济发展和人民生活需
要来确定区域适宜林草覆被率 ∀本文提出的以土壤有效水为有效供水量代替了传统研究中直接以降水量为
水分供给的不足 o计算出的适宜覆被率更符合实际 ∀但是 o本研究只是针对研究区主要造林树种和草种进行
的不同地形条件下单一植被的适宜覆被率计算 o如要对其他植被k或配置模式l的覆被率进行确定以及对区
域的适宜覆被率进行确定时 o必须对其他不同配置模式的蒸发散 !土壤有效水含量 !林冠截留及地表径流等
参数进行监测以及不同配置模式的比例确定后才能得出 o本文所提出的原理和方法只是初步的研究 o有待于
进一步完善 o以期更好地为我国林业生态工程构建提供理论和技术支撑 ∀
参 考 文 献
陈洪松 o邵明安 o王克林 qussx1 黄土区荒草地土壤水平衡的数值模拟 q土壤学报 owukvl }vxv p vx|
uu 林 业 科 学 wv卷
高 琼 o董学军 o梁 宁 qt||y1 基于土壤水分的沙地草地最优植被覆被率的研究 q生态学报 otyktl }vv p v|
郭忠升 qt||y1 水土保持有效覆盖率及其确定方法的研究 q土壤侵蚀与水土保持学报 oukvl }yz p zu
郭忠升 qt||z1 水土保持林有效覆盖率k∞≤• l 的初步研究 q西北林学院学报 otu ktl }|z p tss
郭忠升 qt||{1 最佳森林覆盖率的初步研究 q西北林学院学报 otv kvl }uv p uz
郭忠升 qusss1 水土保持植被的有效盖度 !临界盖度和潜势盖度 q水土保持通报 ous kul }ys p yu
郭忠升 o邵明安 qussv1 生态环境治理中的林草植被建设 q西北林学院学报 ot{ ktl }ux p u{
何永涛 o闵庆文 o李文华 o等 qussw1 森林植被生态需水量的确定和计算 ) ) ) 以泾河流域为例 q水土保持学报 ot{kyl }txu p txx
何志斌 o赵文智 o方 静 qussx1 黑河中游地区植被生态需水量估算 q生态学报 ouxkwl }zsx p zts
侯庆春 o郭忠升 o杨锦华 qt|{v1 杏子河流域林业生产浅析 q陕西林业科技 okwl }uu p ux
李洪建 o王孟本 o柴宝峰 qussv1 黄土高原土壤水分变化的时空特征分析应用 q应用生态学报 otwkwl }xtx p xt|
李玉山 o史竹叶 o张孝中 o等 qt||s1 长武王东沟小流域土壤墒情影响因素与分布特征 q水土保持通报 otskyl }t p y
李笑吟 o毕华兴 o张 志 o等 qussy1 晋西黄土区坡面尺度地形因子对土壤水分状况的影响 q北京林业大学学报 ou{kwl }xt p xy
林 辉 o黄国胜 qussx1 湖南四水流域适宜森林覆盖率指标研究 q中南林学院学报 ouxkxl }w| p xv
刘 梅 o蒋定生 o黄国俊 o等 qt||s1 不同坡面位置土壤水分差异规律分析 q水土保持通报 otskul }ty p us
刘苏峡 o莫兴国 o朱永华 o等 qussw1 基于水量平衡的流域生态耗水量计算 ) ) ) 以海河为例 q自然资源学报 ot|kxl }yyu p yyz
刘宗顺 o廖艳梅 qt|||1 赤峰地区造林树种选择及森林覆被率指标的探讨 q内蒙古林业科技 ovkwl }zx p z{
邱 扬 o傅伯杰 o王 军 o等 qussv1 黄土丘陵小流域土地利用的时空分布及其与地形因子的关系 q自然资源学报 ot{ktl }us p u|
薛 薇 qusst1统计分析与 ≥°≥≥的应用 q北京 }中国人民大学出版社
孙立达 o朱金兆 qt||x1 水土保持林体系综合效益研究于评价 q北京 }中国科学技术出版社
尹忠东 o朱清科 o毕华兴 o等 qussx q黄土高原植被耗水特征研究进展 q人民黄河 ouzkyl }vx p v{
王凤臻 o尹秋浦 o杜文峰 qt|||1 山东省最适区域森林覆盖率初探 q林业资源管理 okvl }ux p uz
王 军 o傅伯杰 o邱 扬 o等 qusss1 黄土丘陵小流域土壤水分的时空变异特征 ) ) ) 半变异函数 q地理学报 oxxkwl }wu{ p wv{
汪有科 o刘元保 o焦菊英 qt||u1 恢复黄土高原林草植被及盖度的前景 q水土保持通报 otu kul }xx p ys
魏天兴 o余新晓 o朱金兆 o等 qusst1 黄土区防护林主要造林树种水分供需关系研究 q应用生态学报 otukul }t{x p t{|
吴钦孝 o赵鸿雁 qusss q黄土高原森林水文生态效应和林草适宜覆盖指标 q水土保持通报 ouskxl }vu p vw
张 健 o宫渊波 o陈林武 qt||y1 最佳防护效益森林覆被率定量探讨 q林业科学 ovukwl }vtz p vuw
张永涛 o杨吉华 qussv1 集水措施下油松植树带微域环境下的水量平衡分析 q水土保持学报 otzkvl }tvz p tv|
张 丽 o董曾川 o赵 斌 qussv1 干旱区天然植被生态需水量计算方法 q水科学进展 otwkyl }zwx p zw{
张 远 o杨志峰 qussu1 林地生态需水量计算方法与应用 q应用生态学报 otvktul }t xyy p t xzs
朱金兆 o魏天兴 o张学培 qussu1 基于水分平衡的黄土区小流域防护林体系高效空间配置 q北京林业大学学报 ouwkxΠyl }w p tv
朱德兰 o吴发启 qussv1 不同地形部位土壤水分的年变化分析 q中国水土保持科学 otkwl }u{ p vt
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k责任编辑 于静娴l
vu 第 w期 毕华兴等 }黄土区基于土壤水平衡的林草覆被率研究