森林更新与空间异质性

森林更换是一个重要的生态学过程,一直是森林生态系统动态研究中的主要领域之一。森林更新受物理环境、自然干扰、人为干扰、更新树种特性、树种对干扰的反应等因素及其相互作用的影响。这些生物和非生物的因素随空间和时间而不断变化,构成了森林的空间异质性和时间异质性,使森林更新具有空间和时间上的变化特点,表现在异质性的格局和过程中。探索森林更新与空间异质性的内在规律,可揭示空间格局对更新的生态学过程的潜在作用机制。本文主要综述了近年来有关森林更新与空间异质性研究的主要内容和一些观点,分析了更新中空间异质性的来源,着重评述了空间异质性的生境及更新树种的反应、小尺度的空间异质性与更新动态、林分中光有效性的空间异质性与更新格局以及土壤和更新的空间异质性尺度的关联性等方面的研究。     

不同植被恢复模式下煤矸石山复垦土壤性质及煤矸石风化物的变化特征

为了探讨植被恢复模式对煤矸石山复垦土壤和矸石风化物的影响,对煤矸石山6种主要植被类型(刺槐林、刺槐-柠条混交林、榆树-紫穗槐混交林、侧柏-刺槐混交林、荆条林、紫花苜蓿草丛)下土壤和煤矸石风化物的理化性状及重金属进行了比较研究。结果表明:(1)煤矸石山上种植植被可使土壤容重、土壤持水量和孔隙度明显改善。乔木模式更明显。矸石山植被恢复后,可明显增加土壤养分含量。不同植被模式下,土壤养分增加存在显著差异。侧柏-刺槐和榆树-紫穗槐混交模式效果较好。(2)植被对煤矸石风化物容重和机械组成改善作用依次为针阔混交林>乔灌林>乔木纯林>灌木林>草本。植被促进有机质与全氮积累依次为:侧柏-刺槐>刺槐>刺槐-柠条>榆树-紫穗槐>荆条>紫花苜蓿。荆条林下煤矸石风化物全P含量最大。荆条林与侧柏-刺槐混交林利于速效P积累。对速效K积累有利的是荆条林与榆树-紫穗槐混交林。(3)植被种植可以减少煤矸石风化物中重金属含量。榆树-紫穗槐混交模式对减低超标重金属Cd的效果好,其次是针阔混交林(侧柏-刺槐)。对于超标重金属As而言,侧柏-刺槐模式优于其它植被模式,基本达到重金属As不超标。     

不同混交比例对杉木和大叶榉幼苗功能性状的影响

了解林木功能性状在不同培育模式下的变异和关联,对揭示林木生态适应性及其生态功能具有重要意义。选取了亚热带地区两种常见人工林树种杉木、大叶榉幼苗为研究对象,设置4种不同栽培模式的盆栽试验：单一杉木（4C）,单一大叶榉（4Z）和杉木、大榉树3种混栽模式（1C3Z、2C2Z、3C1Z）,研究不同混交比例对其叶、茎、根功能性状的影响。结果表明：（1）杉木总叶面积、叶干物质含量、净光合速率、蒸腾速率和气孔导度在混栽模式下显著减小,而比叶面积显著增大;根长和比根长在不同处理间无显著差异;叶、茎、根生物量和单株总生物量在混栽模式下显著低于4C处理,不同混栽模式之间差异不显著。（2）大叶榉单叶面积在3C1Z处理下最高,总叶面积随大叶榉在树种组成中所占比例的降低而逐渐增大,比叶面积在不同处理间无显著差异,叶干物质含量、净光合速率、蒸腾速率和气孔导度均在2C2Z处理下最大,而瞬时水分利用效率在2C2Z处理下最小;根长在3C1Z处理下显著增大,比根长在不同处理间无显著差异;叶、茎、根生物量和单株总生物量随大叶榉在树种组成中所占比例的降低而逐渐增大。综合来看,杉木和大叶榉混合处理中杉木种间竞争大于种内竞争,而大叶榉相反;随杉木在混栽处理中比例减少,其主要通过增加比叶面积,提高净光合速率,减少茎生物量积累来适应种间竞争关系;而大叶榉随其在混栽处理中比例的减少,显著增加叶面积和根长来提高资源利用率,减少地下资源分配,提高地上茎生物量积累。因此,树种混交比例将显著影响林木功能性状及其生物量积累,选择适宜混交比例对混交林可持续经营具有重要意义。     

不同林龄杉木+闽楠复层林土壤磷形态及微生物功能多样性变化

磷是限制亚热带地区林木生长的关键因素之一,研究土壤微生物群落功能多样性对土壤磷素的影响,对亚热带地区人工林可持续经营具有重要意义。在江西官山林场选取了3种不同林龄杉木+闽楠（4 a、7 a、11 a）复层林为研究对象,测定了土壤全磷、有效磷及无机磷组分含量,采用Biolog-ECO法研究了复层林表土层（0-20 cm）土壤微生物群落对碳源的利用特征,并分析了土壤磷素与土壤微生物功能多样性的关系。结果表明：（1）土壤全磷、有效磷及无机磷组分含量随复层林营建时间延长呈增加趋势;（2）不同林分类型土壤微生物群落功能多样性差异显著。土壤微生物碳源代谢活性（AWCD）以及多样性指数也均随复层林营建时间延长呈增加趋势;多聚物类是杉木纯林土壤微生物利用的主要碳源,7 a复层林对碳水化合物、羧酸和酚酸的利用强度较大,11 a复层林对氨基酸、胺类、多聚物、羧酸和酚酸的利用强度较大,并且11 a复层林土壤微生物群落代谢碳水化合物、氨基酸、羧酸、胺类和酚酸的强度显著高于4 a复层林和杉木纯林,而4 a复层林与杉木纯林土壤微生物群落对不同碳源利用率的差异较小（除多聚物外）。（3）土壤微生物多样性指数、氨基酸类、胺类和酚酸类物质与土壤全磷、有效磷、Al-P和Fe-P含量之间显著正相关,随机森林模型分析表明,氨基酸、胺类和酚酸是不同林分类型土壤微生物利用的主要碳源。因此,杉木纯林转化为复层异龄林更有利于森林土壤磷的储存和供应,土壤微生物群落代谢功能多样性的增大可能是提高复层异龄林土壤磷有效性的关键调控因素。     

华北山地典型天然次生林土壤氮素空间异质性对落叶松幼苗更新的影响

在华北山地典型天然次生林中选择研究样地,应用地统计学理论和格局分析方法,定量分析林分土壤氮素空间异质性特征,探测更新幼苗空间格局特征;依据协同变异函数理论模型参数,定量估计土壤氮素营养空间异质性与落叶松更新格局之间的空间关联性,探讨土壤氮素空间变异对落叶松幼苗更新格局的影响程度.研究结果表明:(1)无论是以华北落叶松为优势树种的寒温性针叶林,还是以白桦和山杨为优势树种的山地阔叶林,不同空间样点间土壤氮素总量及速效态氮素均存在很大差异.阔叶林中,硝态氮在整个研究样地尺度(＞70.71m)上表现出很强的空间自相关性(结构因素所占比重为81.5%).针叶林中,硝态氮则在相对小的尺度范围(47.90m)呈现更明显的空间自相关变异.且阔叶林中土壤氮含量显著地高于针叶林.(2)华北落叶松苗更新空间分布格局呈明显的集聚分布.更新的空间格局变异主要由空间自相关因素引起(针叶林为77.4%,阔叶林为85.2%),随机变异占的比例较低(分别为22.6%和14.8%).(3)阔叶林土壤氮含量相对高,更新与氮素的空间关联性不明显,与全氮的协同变异呈随机性(R2=0.078).针叶林土壤氮含量相对低,更新与氮素的空间关联性明显,与全氮的协同变异呈现明显的空间自相关性,氮素空间异质性对更新格局与过程具有更重要的影响.整个研究样地水平上,硝态氮与更新的协同变异呈现明显的空间自相关性(空间结构比为59.4%～77.7%).NO-3-N含量较高或铵、硝态氮的比例较低的土壤环境中,更新苗发生数量较多.     

采伐干扰对帽儿山地区天然次生林土壤表层温度空间异质性的影响

研究了不同强度采伐干扰对土壤表层（3～5 cm）温度空间异质性和空间格局的影响.在帽儿山地区天然次生林内,设置3块不同强度采伐干扰处理样地: A（对照）、B（按基面积的50%随机采伐）和C（皆伐）,分别布设不同空间距离 (0.5～56 m)的取样点160、154和154个,比较了干扰以后2年内春季和夏季（共4次）土壤表层温度的空间异质性和空间格局特征.结果表明,森林采伐后,土壤表层平均温度显著增加（相差0.6～4.2 ℃,P＜0.001）,与干扰强度存在一定程度正相关,温度波动范围加大.采伐干扰导致土壤表层温度空间异质性程度和变异尺度增加,并随干扰强度加大而增大,小尺度上的空间异质性也出现增加现象,但土壤温度空间变异尺度主要体现在＜20 m范围内,空间异质性组成受干扰影响较小.经Kriging法对土壤表层温度空间格局模拟,发现采伐干扰样地土壤表层温度的空间格局强度较对照林地大,温度等值线密集,其差异春季比夏季明显.采伐干扰样地的年际间相同季节土壤表层温度格局较相似,而对照样地则呈较均匀的分布格局.     

不同干扰强度下针阔混交林树种空间格局及种间关联性

为了探究不同干扰程度下针阔混交林树种空间格局变化及树种种间关联性,本研究以关帝山庞泉沟自然保护区不同干扰强度的针阔混交林为对象,选取郁闭度、林分密度、伐桩数量作为划分干扰程度的因子,采用相对影响法,将林分划分为未干扰、中度干扰和严重干扰3个等级。利用空间点格局K2函数分析了林分的空间分布格局及其不同树种的种间关联。结果表明: 未干扰样地直径分布呈倒“J”型,中度和严重干扰样地直径分布均为双峰曲线分布。同时,未干扰和中度干扰林分在小尺度上呈现聚集分布,严重干扰的林分随机分布更为显著。针阔树种种间关系表现为未干扰林分在所有尺度上无关联;小尺度上中度干扰表现为正相关,严重干扰林分表现为负相关;较大尺度上中度与严重干扰林分均表现为不相关。说明林分干扰程度越严重,林下小径级林木数量越少,导致小尺度上种内聚集程度越低。同时,适当的干扰程度有利于林分内物种间对环境资源的协同利用。研究揭示了干扰对林分结构的影响,可为林分结构调整及抚育经营提供理论依据。     

林分光照空间异质性对水曲柳更新的影响

 光照是森林更新动态中极为关键的环境因子。本研究在东北天然次生林中选择样地,应用地统计学理论结合实验生态学方法,定量分析林分光照空间异质性特征,同时进行林下播种水曲柳（Fraxinus mandshurica）的更新实验,探测更新格局特征。通过空间关联性分析,研究探讨是否林分光照的空间变异对水曲柳更新有重要影响作用。研究结果表明： 1）生长季林分平均光照仅为全光照的4.2%～4.6%,在空间分布上呈现非常明显的异质性特征,空间自相关变异（62.5%～78.2%）主要体现在10.9～12.4 m的尺度上。2）林分光照不同的空间样点上,水曲柳更新幼苗发生数量和秋季幼苗存活数量均存在显著差异,光照相对强的微生境中,更新苗发生数量较多且存活率高,而在光照较弱的微生境中则更新较差,更新具有十分明显的空间格局。3）更新格局与林分光照空间异质性特征紧密关联。在光照空间异质性程度较高、空间变异较复杂的条件下,更新相应呈现出较复杂的空间格局,自相关的变异表现在较小尺度范围（2.12～6.97 m）。在光照空间异质性程度较低、空间变异复杂性较小的条件下,更新格局的复杂程度明显变小,空间自相关变异（>83%）表现在较大的尺度上（30 m）,对更新格局起主要的影响作用,随机变异的影响很小（<17%）。这些研究结果说明,林分光照环境在水曲柳更新中的作用十分关键,林分光照的空间异质性对更新格局起决定性作用。     

距树干不同距离处华北落叶松人工林细根生物量分布特征及季节变化

 该文研究了华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)人工林细根生物量水平分布和季节变化特征。采用钻土芯法(土钻内径7.0 cm), 在距树干20、50和100 cm处设取样点, 每个样点处分3层(0~10、11~20和21~30 cm)钻取土芯, 取样时间为5、7、9和10月。华北落叶松人工林细根(≤2 mm)生物量全年平均值为224.89 g&#8226;m^–2, 在水平分布上表现为100 cm处细根生物量最大(244.20 g&#8226;m^–2), 其次为20 cm处(221.03 g&#8226;m^–2), 50 cm处最少(209.45 g&#8226;m^–2)。在0~30 cm土层, 总细根(包括活跟和死根)生物量季节变化范围在169.67~263.09 g&#8226;m^–2之间, 9月细根生物量最大, 5月细根生物量最少。0~10 cm土层细根生物量季节变化差异显著(p＜0.05), 11~20和21~30 cm差异不显著(p＞0.05)。距树干100和20 cm处(0~10 cm土层), 细根生物量的季节变化差异明显(p＜0.05), 9月总细根生物量最大(172.82和185.68 g&#8226;m^–2), 5月总细根生物量最少(69.28和73.47 g&#8226;m^–2); 50 cm处季节变化差异不明显(p＞0.05)。细根生物量分布和季节变化不仅受土壤垂直格局影响同时也与距树干不同水平距离有很大的关系。     

微根管在细根研究中的应用

细根（直径≤2 mm）的周转在植物生态系统碳分配过程中具有重要意义.已往细根周转研究主要采用根钻法、分室模型法和内生长法等.这些方法由于不能直接观测到细根生长动态,导致细根周转估计不准确.微根管法是一种非破坏性野外观察细根动态的方法.本文从微根管的发展、功能、安装步骤、图像采集、参数计算、影响观测因素和存在问题等方面逐一进行介绍,并通过水曲柳和落叶松微根管细根观测实例介绍在细根周转过程研究中的应用. 结果表明,微根管可以比较精确地估计出细根长度、单位面积上根长密度、单位体积上根长密度、细根生长量、细根死亡量和细根周转等.微根管是一个观察细根生长、衰老、死亡和分解过程的有效工具.微根管观测精度主要取决于微根管安装的质量和数量、微根管取样间隔期和取样数量、微根管图像分析技术等.此外,土壤质地、石砾多少、微根管材料选择、减少光系统对根系的干扰等也是影响微根管测定精度的因素.如何提高微根管测定精度将成为今后微根管在细根研究中的主要问题.