辽东山区主要阔叶树种叶片养分含量和再吸收对落叶时间的影响

凋落物是森林生态系统养分的重要来源, 叶片脱落时间是影响其分解的关键因素。东北温带森林中蒙古栎(Quercus mongolica)落叶时间较其他树种晚, 在山脊等贫瘠立地叶片甚至第二年春天才脱落。我们假设: 相对于其他树种, 蒙古栎叶片养分元素含量过高、再吸收时间长, 导致叶片延迟脱落。为验证假设, 除蒙古栎外, 选择了落叶时间居中的色木槭(Acer mono)和落叶较早的胡桃楸(Juglans mandshurica)为对象, 持续监测叶片从成熟至凋落过程中叶片养分元素含量, 包括大量元素: 氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)和镁(Mg), 微量元素: 铁(Fe)、铜(Cu)、锰(Mn)和锌(Zn); 并分析养分再吸收率。结果表明: 蒙古栎成熟叶养分元素含量介于对照树种之间; 凋落叶N、P和K含量低于对照树种, Fe和Mn含量高于对照树种, 其余元素含量介于对照树种之间。该结果不支持“蒙古栎叶片养分含量过高”假设。蒙古栎叶片N、P和K再吸收率高于对照树种, 再吸收率高低与其落叶时间完全一致; 叶片Cu和Zn再吸收率与对照树种无显著差异; 叶片其余元素未发生再吸收, 其累积率与对照树种无显著差异; 说明养分再吸收与养分含量无关, 可能与树种的种专一性相关, 可能会影响叶片脱落时间。由于蒙古栎多生长在贫瘠土壤, 其成熟叶无法积累更多养分; 为避免叶片脱落后养分进入土壤被其他物种利用, 将养分尽量回收储存于自身, 即蒙古栎叶片养分再吸收过程较长, 叶片脱落较晚。生长在极端贫瘠立地的蒙古栎叶片次年春天才落叶, 可能是由于再吸收一直在进行, 来不及脱落而保留至新生长季开始。落叶晚的树种养分再吸收率高、有利于自身养分保存, 更能适应贫瘠土壤, 反之亦然。     

辽东山区次生林乔木优势树种幼苗更新动态

以辽东山区次生林4 hm²动态监测样地为平台,2014—2016年连续3年对样地进行乔木优势树种幼苗调查和半球面影像拍摄,分析森林更新过程中林下乔木幼苗和冠层结构的动态,研究幼苗的天然更新规律及其对冠层结构变化(以叶面积指数LAI的变化来表示)的响应.结果表明: 调查期间冠层LAI先减少后增加,且存在显著的年际差异.12种乔木优势树种幼苗对冠层结构变化存在明显的响应,且不同树种幼苗的响应明显不同;中性树种幼苗的相对多度或频度一般会随着冠层LAI的减小而增大;阳性树种幼苗的相对多度或频度一般会随着冠层LAI的增大而减小.2014—2016年乔木优势树种幼苗的多响应置换过程分析表明,优势树种幼苗的数量组成和分布存在显著差异,且年际间的差异逐渐减少.调查期间优势树种幼苗指示种发生明显变化,也反映出其对冠层结构变化的响应.     

东北森林两种典型阔叶树种子和幼苗对15N同位素的富集响应

以东北森林两种典型的阔叶树种风力传播种子——花曲柳和色木槭种子为研究对象,通过室内¹⁵N尿素浸泡试验和温室盆栽试验,设置4个浓度(0、0.05、0.1和0.2 g·L^-1)、3个浸泡时间(4、8和12 d)与4个叶期(2、4、6和8叶)处理,研究种子浸泡浓度、浸泡时间和幼苗叶期对种子和幼苗¹⁵N富集的影响.结果表明: 浸泡浓度和浸泡时间对两树种种子δ¹⁵N值均有显著的正反馈作用,高浓度和长时间(0.2 g·L^-1+12 d)更有利于种子¹⁵N总量的富集,花曲柳和色木槭种子¹⁵N同位素最大富集倍数的浸泡浓度和浸泡时间组合分别为0.1 g·L^-1+(4、8 d)和0.05 g·L^-1+(4、8 d);δ¹⁵N值稀释率随幼苗株高的增加先急剧减少(2~6叶)后趋于稳定,幼苗从8叶开始叶片¹⁵N总量降低,表明6叶幼苗更适合追踪幼苗的来源;幼苗叶片δ¹⁵N值与种子浸泡浓度、浸泡时间和种子的δ¹⁵N值呈显著正相关.花曲柳和色木槭种子及幼苗均能成功富集到¹⁵N信号,采用0.1 g·L^-1+8 d+6叶组合最适合追踪花曲柳和色木槭种子和幼苗.     

铵盐和硝酸盐稳定同位素丰度测定方法及其应用案例

综述了过去几十年来铵盐和硝酸盐稳定同位素丰度测定方法的历史发展变化,分析了各种方法的优缺点,并对新方法作了介绍和推荐.目前铵盐稳定同位素丰度的最新测定方法为次溴酸盐氧化结合羟胺还原法,硝酸盐氮氧同位素丰度主流的测定方法为反硝化细菌法和镉粉叠氮酸还原化学法.这些方法的主要共同特点是以N₂O为分析物,分析精度高,对样品的含氮量需求小,一般只需要10～60 nmol N,适用于低浓度样品.新方法的建立对于国内外开展氮素循环研究将起到极大的推动作用.     

氮稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的应用

在过去几十年中, 氮(N)稳定同位素技术的发展提高了人们对于陆地生态系统氮循环的认识。该文回顾了氮稳定同位素技术在研究生态系统氮循环中的历史, 综述了最近十多年来氮稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的典型案例, 包括利用氮同位素自然丰度鉴定植物氮来源、指示生态系统氮状态和量化过程速率, 利用¹⁵N标记技术示踪氮的去向和再分布等。该文同时指出这些应用中存在的问题, 以及在陆地生态系统上氮稳定同位素技术今后研究的重点发展方向。     

光温条件对不同种源红松种子萌发的影响

种子萌发受种源和环境条件(如光照和温度条件等)的影响。种子萌发决定红松(Pinus koraiensis)的天然更新能力, 因此也是恢复地带性顶极群落阔叶红松林的关键。该研究以我国3个主要种源地(辽宁清原、吉林长白山和黑龙江伊春)当年的红松种子为对象, 监测自然光、温(不同季节、林窗和林下)和控制光、温(3个光照强度: 200、20和0 μmol·m^-2·s^-1, 记为L200、L20和L0; 2个温度: 25和15 ℃)条件下红松种子的萌发特征。结果表明, 自然越冬后, 春季(5月)所有种源种子均未萌发, 夏季(7月)和秋季(9月)各种源种子萌发率(GP)均较低(1.8%-33.7%), 但夏季林窗内各种源种子GP均显著高于林下。对林下各季节未萌发的种子, 带回室内给予适宜的光温条件(L200、25/15 ℃)后发现: 春季和夏季种子均能大量萌发(32%-77%), 而秋季种子GP极低(<2%)。25 ℃下, 3个种源地种子GP和萌发指数(GV)均呈现在L200条件下显著高于L20和L0处理。15 ℃条件下, 清原种子GP和GV对光照的响应与25 ℃条件下相一致, 长白山和伊春种子GP和GV分别在L0和L20处理下最高。所有光照强度下, 3个种源地种子GP和GV均为25 ℃处理显著高于15 ℃处理。可见, 适宜的温度是红松种子萌发的必要先决条件, 长白山和伊春红松种子可能需要更高的积温解除休眠; 适宜温度下(25 ℃), 红松种子表现出萌发需光性; 红松种子萌发对光、温的响应存在种源特异性, 长白山和伊春红松种子在相对低温下萌发需光性弱或消失。林下光、温条件不适宜红松种子萌发是造成红松林天然更新慢或更新差的重要原因。     

辽东山区次生林土壤主要化学性质空间异质性

研究土壤化学性质的空间变异性不仅有助于了解土壤的形成、结构和功能,而且有助于了解植物与土壤的关系。本研究以辽东山区次生林4 hm2样地为平台,分析8种土壤化学性质(p H值、有机质、全氮、有效氮、全磷、有效磷、全钾、有效钾)的空间异质性。结果表明:辽东山区次生林土壤呈微酸性;p H值呈弱度变异,其他7个指标均表现为中等程度变异;样地土壤8种化学性质的半方差函数均表现出一定的空间结构特征,除p H的变异函数可拟合为球状模型外,其余7个指标均可拟合为指数模型,模型拟合度均较好,其中有效钾、p H值和有机质呈现出中等程度的空间相关性,其余5个指标均表现出较强的空间相关性;样地中p H值呈现出较为均匀的缀块性分布格局,其余7个指标的分布格局均表现为西高东低,可能与幼苗分布及土壤温度有关。     

基于树木年轮径切特征的卷积神经网络树种识别

卷积神经网络可以通过树木年轮样本构造特征图像实现物种识别的自动化。本研究通过建立树木年轮样本构造特征图像集,选用LeNet、AlexNet、GoogLeNet和VGGNet 4个卷积神经网络模型,实现基于树木年轮横切面的计算机自动化树种精准识别,进而确定各模型的树种识别准确率,明晰不同树种在自动识别中的混淆情况,探测不同模型识别结果的差异。结果表明: 本研究训练的用于树种识别的卷积神经网络模型具有较好的可信度;4个模型中GoogLeNet模型树种识别准确率最高,为96.7%,LeNet模型识别准确率最低(66.4%);不同模型对于所选树种的识别结果具有一致性,表现为对蒙古栎识别准确率最高(AlexNet模型识别率达到100%),对臭冷杉的识别准确率最低。本研究中也存在类似结构树种的识别混淆情况。模型在科和属水平的识别准确率高于种水平;阔叶树种因其显著的结构差异容易区分,阔叶树树种的识别准确率高于针叶树。总体上,通过卷积神经网络,探测了树木年轮特征的深层信息,达到树种的精准识别,提供了一种快速便捷的自动树种初筛鉴定方法。     

辽东山区天然次生林两个不同坡向林窗光温空间分布特征

为探讨辽东山区次生林林窗干扰特征,对不同坡向雪/风干扰后形成林窗内的光温空间分布特征进行了研究。结果表明:东北和东南坡向的林窗中,各时段光量子通量密度(PPFD)和气温的空间分布格局类似但大小并不相同;8:00—10:00 PPFD最高值均出现在林窗中央偏西(东北坡169μmol·m-2·s-1,东南坡350μmol·m-2·s-1),11:00—13:00PPFD最高值出现在林窗中央偏北侧(东北坡234μmol·m-2·s-1,东南坡400μmol·m-2·s-1),而14:00—16:00均以林窗东侧PPFD最大(东北坡74μmol·m-2·s-1,东南坡56μmol·m-2·s-1),且两个坡向的PPFD在各时段大小差异显著(P0.05)。两个坡向林窗内平均气温的空间分布均表现为8:00—10:00西高东低,11:00—13:00北高南低,14:00—16:00东高西低的趋势,而在各时段的差异为8:00—10:00、11:00—13:00东北坡气温显著低于东南坡(P0.01),14:00—16:00则显著高于东南坡(P0.01)。上述结果表明,林窗坡向及林窗内位置不同,使其光温环境发生异质性,进而影响到林窗区域种子萌发、幼苗生长发育及植物种群分布等,最终影响到森林的更新。     

辽东山区次生林物种多样性的空间分布及尺度效应

以辽东山区次生林为研究对象,分析4 hm²样地Gleason丰富度指数、Simpson优势度指数、Shannon多样性指数和Pielou均匀度指数的空间分布特征及其与尺度的关系.结果表明: 4个多样性指数的空间分布均表现出较高的空间异质性;4个多样性指数的方差随尺度的增加其变化趋势有所差异;4个多样性指数的变异系数随尺度的增加呈下降趋势;乔木层的4个多样性指数值高于灌木层,且随尺度增加其变化趋势有所差异.在分析辽东山区次生林物种多样性时应考虑尺度效应.