落叶阔叶林反照率的时间变化与影响因素

反照率原位测量对生态系统能量收支及其遥感应用至关重要,但目前坡面地形反照率的测量方式有局限且可见光与近红外波段反照率时间变化的差异尚不清楚。本研究以东北地区帽儿山森林生态站的落叶阔叶林为例,探究入射和反射太阳辐射(SR,300～2800 nm)、光合有效辐射(PAR,400～700 nm)、近红外辐射(NIR,700～2800 nm)的反照率时间变化特征及其影响因子,同时分析了两种辐射表安装方式反照率的差异。结果表明: 晴天SR和NIR反照率日变化呈上下午不对称的U型曲线,但PAR从早到晚递增;阴天反照率均先急剧下降后趋于稳定。平行于坡面测量增大了反照率的日均值,但缓和了SR、NIR反照率日不对称的现象。从整个生长季来看,SR、NIR与PAR反照率水平测量时最大值分别为0.16、0.27和0.11,最小值分别为0.07、0.11和0.03。SR和NIR反照率季节变化均为先增大后减小(7月为峰值),PAR则相反,SR反照率主要受NIR而不是PAR控制。各波段反照率季节变化的影响因子按照贡献率排序为宽带归一化植被指数(61.7%～78.5%,可表征叶面积指数)>太阳高度角(15.4%～36.9%)>晴空指数(0.4%～36.9%)。     

北方森林土壤呼吸和木质残体分解释放出的CO2通量

北方森林因其面积大、土壤碳储量高以及对全球暖化响应敏感而在全球碳平衡和气候系统中起着至关重要的作用。土壤呼吸和木质残体分解释放出的 CO2 通量是北方森林生态系统输入大气圈的最主要的碳源。量化这个通量并深刻理解其中的机理过程 ,是评价和预测北方森林在全球变化中的作用必不可少的内容。综述了北方森林生态系统土壤呼吸和木质残体分解释放出的 CO2 通量随生态系统类型及环境条件而变化的一般格局以及自养呼吸和异氧呼吸在土壤表面 CO2 通量中的相对贡献 ;分析了影响北方森林土壤呼吸的主要生物物理因子 ;讨论了该领域研究存在的问题和今后的研究方向 ;并强调木质残体分解释放出的 CO2 通量虽然在以往的森林生态系统碳平衡研究中常被忽略 ,但在火灾频繁的北方森林中不容忽视     

植物残体去除对帽儿山温带落叶林土壤碳、氮、磷化学计量特征及其相关因子的影响

2007年在帽儿山温带落叶阔叶林中设置了地上凋落物去除(NL)、根系去除(NR)2个处理,9年后(2016年)测定土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)浓度,以及土壤含水率和容重.结果表明: NL和NR处理表层(0～10 cm)土壤C浓度分别降低15.6%和10.7%,0～30 cm土层加权平均C浓度分别降低7.9%和4.6%;NL处理表层土壤N浓度降低10.2%,而NR处理表层土壤P浓度增加6.6%,两种处理均降低了表层土壤的C:P和N:P.标准主轴回归分析表明,不同处理间0～30 cm各土层C、N、P浓度的回归斜率均差异显著,土壤C浓度与土壤含水率、容重的回归截距也差异显著,这表明处理使土壤C、N、P化学计量与土壤物理性质发生了协同变化.建议今后植物残体去除处理试验考虑生态化学计量的调控作用.     

帽儿山不同年龄森林土壤呼吸速率的影响因子

为探明东北温带森林恢复过程中土壤呼吸(R_S)的变化趋势及其影响因子,在帽儿山选取皆伐后天然更新恢复的4个年龄(1a、10a、25a和56a)林分进行了1年的野外原位测定。结果表明:(1)皆伐后天然更新恢复1年、10年、25年和56年林分的年R_S通量差异显著(P0.05),分别为686.5、639.7、733.3、762.3g C m~(-2)a~(-1);其中生长季(5月─10月)和非生长季的R_S通量也存在显著差异,均呈现出随林龄增加先减后增的趋势。全年、生长季和非生长季R_S随林龄变化的变异系数分别为7.6%、6.3%和21.1%,表明非生长季R_S通量的变异性加大了全年R_S通量的差异。(2)4个年龄林分的Rs季节变化趋势相似,且其主控因子均随季节而变:6月─8月Rs与土壤含水率呈二次函数关系(R~2波动在56%─79%之间),其余时段则与土壤温度呈指数函数关系(R~2波动在85%─93%之间)。(3)不同年龄林分生长季R_S与0─20cm土层有机碳(SOC)密度呈正相关关系(R~2=0.434,P0.05),而非生长季R_S与同期土壤5cm温度呈正相关关系(R~2=0.959,P0.01)。本研究区森林皆伐导致R_S降低,随皆伐后森林恢复R_S不断增加,其主导驱动因子是SOC密度的增加和非生长季土壤温度的变化。     

兴安落叶松叶碳利用效率对环境变化的适应

兴安落叶松(Larix gmelinii)作为北方森林的主要组成树种,具有广阔的分布范围和多样的生长环境,是研究树木对环境变化响应的理想树种。叶碳利用效率(CUE_L)不仅与树木的碳代谢及生长发育密切相关,而且能反映树木对环境变化的响应与适应。将来自不同地区(即环境条件)的6个兴安落叶松种源的种子播种培育在帽儿山森林生态系统研究站内,在其生长30a后采用研究站和种子来源地间干燥度(AI)的差值(ΔAI)来代表环境变化梯度,研究环境变化对CUE_L的影响。结果表明:CUE_L在不同环境变化梯度间存在显著差异(P0.05),且呈现随ΔAI的增大而减小的趋势。CUE_L与叶片氮含量、叶片磷含量、比叶重及叶绿素含量等均呈线性正相关关系,但较大ΔAI梯度下的CUE_L敏感性更高。CUE_L与种子来源地平均年降水量呈显著线性正相关关系(P=0.05),而与种子来源地AI则呈显著线性负相关关系(P0.01);随种子来源地年平均气温、平均年蒸发量的增加而下降,但其相关性不显著。以上结果表明,环境变化使兴安落叶松CUE_L产生了适应性变异,表现出树木对原生长环境的生态适应。     

帽儿山干扰系列次生林碳密度恢复

干扰作为森林恢复和生态演替的重要影响因子,通过其改变植被群落的组成和微环境,进而影响森林生态系统碳动态及固碳潜力。针对帽儿山地区阔叶红松原始林不同时期皆伐后形成的次生林干扰系列,包括林木采伐一次(NS,林龄56a)、采伐两次(MS,林龄25a)和采伐两次且扰动表层土壤(YD,林龄15a)的次生林,采用森林清查和异速生长方程结合的方法,旨在量化干扰方式对温带森林恢复进程中生态系统碳密度及分配格局的影响。结果表明：YD、MS和NS的0—50 cm各层次土壤有机碳含量的波动范围依次分别为10.46—29.27 mg/g、6.37—108.40 mg/g、5.21—114.34 mg/g;且随土层的加深土壤有机碳含量显著降低。表层土壤(0—20 cm)有机碳含量在各干扰处理间存在显著差异(P<0.01),而深层土壤有机碳含量差异不显著;土壤有机碳含量与容重呈显著负相关关系。表层土壤有机碳密度占土壤总有机碳密度(0—100 cm)的50%以上,YD的表层土壤有机碳密度(30.91 t/hm²)显著低于MS(54.09 t/hm²)和NS(55.1...     

帽儿山地区不同土地利用方式下土壤-微生物-矿化碳氮化学计量特征

土地利用方式的变化导致土壤碳氮含量及其化学计量关系的变化,然而土壤微生物化学计量及其驱动的碳氮矿化过程如何响应这种变化仍不明确。以帽儿山地区天然落叶阔叶林、人工红松林、草地和农田4种不同土地利用类型为对象,测定其土壤有机碳(C_(soil))、全氮(N_(soil))、微生物生物量碳和氮(C_(mic)和N_(mic))、土壤碳和氮矿化速率(C_(min)和N_(min)),旨在比较不同土地利用方式对土壤、微生物碳氮化学计量特征及矿化速率的影响,探索土壤-微生物-矿化之间碳氮化学计量特征的相关性,揭示微生物对土壤碳氮化学计量变化的响应和调控机制。结果显示:C_(soil)、N_(soil)、C_(mic)、N_(mic)和C_(min)均呈现天然落叶阔叶林人工红松林草地农田,而天然落叶阔叶林和草地的N_(min)显著高于人工红松林和农田。土地利用方式显著影响土壤和微生物碳氮比(C∶N_(soil)和C∶N_(mic)),均呈现农田最高。不同土地利用方式的数据综合分析发现:碳氮矿化速率比与C∶N_(mic)呈负相关,而和微生物与土壤碳氮化学计量不平衡性(C∶N_(imb))显著正相关。单位微生物生物量的碳矿化速率(qCO_2)随着C∶N_(mic)的增加而降低,而单位微生物生物量的氮矿化速率(qAN)随着C∶N_(mic)的增加而增加。C∶N_(imb)与qCO_2正相关,与qAN负相关。以上结果表明,微生物会通过改变自身碳氮化学计量、调整碳氮之间相对矿化速率,以适应土地利用变化导致的土壤碳氮及其化学计量的变异性,以满足自身生长和代谢的碳氮需求平衡。     

4种温带森林非生长季土壤二氧化碳、甲烷和氧化亚氮通量

中高纬度森林土壤在漫长的非生长季中对重要温室气体——二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亚氮(N2O)的释放或吸收在碳氮年收支中作用很大,但目前研究甚少。采用静态暗箱-气相色谱法,比较研究东北东部4种典型温带森林土壤表面CO2、CH4和N2O通量在非生长季中的时间动态及其影响因子。结果表明:4种森林土壤在非生长季中整体上均表现为CO2源、N2O源和CH4汇的功能。红松林、落叶松林、蒙古栎林、硬阔叶林的非生长季平均土壤表面CO2通量分别为(65.5±8.1)mgm-2h-1(平均值±标准差)、(70.5±10.2)mgm-2h-1、(77.1±8.0)mgm-2h-1、(80.5±23.5)mgm-2h-1;CH4通量分别为(-17.2±4.6)μgm-2h-1、(-15.4±4.2)μgm-2h-1、(-31.5±4.5)μgm-2h-1、(-23.6±4.1)μgm-2h-1;N2O通量分别为(19.3±5.1)μgm-2h-1、(11.5±2.5)μgm-2h-1、(16.4±4.0)μgm-2h-1、(14.4±5.4)μgm-2h-1;其中非生长季土壤表面CO2总排放量分别为143.4gm-2、162.8gm-2、189.9gm-2、252.7gm-2,分别占其年通量的7.3%、10.6%、8.4%和8.5%。所有林型非生长季土壤表面CO2通量在春季土壤解冻前均维持在较低水平;在解冻进程中随温度升高而增大。土壤表面CO2通量与5cm深土壤温度(T5)呈极显著的指数函数关系。在隆冬时节出现CH4净释放现象,但释放强度及其出现时间因林型而异,其中以红松林的释放强度较大,高达43.6μgm-2h-1。土壤表面CH4通量与T5呈显著的负相关。土壤表面N2O通量的时间动态格局在林型间的分异较大,但在春季土壤解冻阶段均释放出N2O,而释放峰值和出现时间因林型而异。土壤表面N2O通量与0—10cm深土壤含水量呈显著的正相关(红松林除外)。研究展示了不同温带森林类型的土壤水热条件对其非生长季土壤CO2、CH4和N2O通量的重要影响,但这3种温室气体的林型间分异的生物学机理尚需进一步研究。     

五种温带森林土壤微生物生物量碳氮的时空格局

土壤微生物是森林生态系统中的重要分解者,在碳和氮循环中起着重要作用,同时也是对环境变化的敏感指示者。采用氯仿熏蒸浸提法测定了我国东北地区5种温带森林土壤微生物生物量碳(Cmic)和氮(Nmic)的季节动态及其在土壤中的垂直变化。结果表明:林型之间Cmic和Nmic差异显著(P0.01)。落叶松林、红松林、蒙古栎林、杨桦林、硬阔叶林的Cmic的变化范围依次为:278937mgkg-1、2181020mgkg-1、313891mgkg-1、5101092mgkg-1、4401911mgkg-1;其Nmic的变化范围依次为:1872mgkg-1、18103mgkg-1、2495mgkg-1、43125mgkg-1、40208mgkg-1。所有林型的Cmic和Nmic均随土壤深度的增加而下降。Cmic和Nmic基本上呈现出生长季开始之前下降、生长季结束时上升、其中出现12个峰值的季节变化格局,但峰值大小和出现时间随林型和土壤层次而变。010cm土层的Cmic和Nmic季节变化较大。Cmic和Nmic与凋落叶量、土壤有机碳含量和土壤总氮含量呈显著正相关。Cmic与土壤含水量呈正相关,而与土壤温度呈负相关。不同林型凋落物数量和组成、土壤理化性质的差异是导致其土壤微生物生物量时空格局差异的主要因素。     

植物叶片水力与经济性状权衡关系的研究进展

叶片既是植物光合产物形成的主要场所, 又是整株植物的水力瓶颈、应对灾难性水力失调的安全阀门, 是植物碳水耦合权衡的重要器官。叶经济型谱反映了叶片经济性状“投资-收益”的权衡, 为验证植物进化过程中形成的物种对策提供了适用的理论框架。叶片水力性状变化会影响叶片经济性状及植物存活和生长。因此, 探索植物叶片水力与经济性状的权衡关系, 对建立植物碳-水耦合模型、揭示植物水-碳投资机理、扩展植物性状型谱等均有重要意义。该文首先综述了叶片水力性状、经济性状及两者之间的权衡关系, 分析了叶片导水率与水力脆弱性、失膨点水势、水容、安全阈值等水力性状以及与叶片的形态、结构和气体交换功能性状之间的关系。然后, 从叶片形态、解剖和叶脉网络结构以及气孔功能方面探讨了叶片水力性状与经济性状的调节机制。最后, 提出今后应加强三方面的研究: (1)探索建立植物根-茎-叶水力输导系统的碳-氮-水资源的整株经济型谱, 以揭示植物功能结构耦合、高效固碳用水的生理生态学机制; (2)探索叶片水力安全、水力效率和固碳效率之间的普适性权衡关系, 以深入理解抗旱植物叶片构建的生物物理结构与生理代谢的关系; (3)探索个体水平碳水代谢关系、水分运输与生长速率的耦合, 为代谢推演理论和植物群落尺度预测提供基础。