氮沉降对热带亚热带森林土壤氮循环微生物过程的影响研究进展

近年来,高速的城市化和工业化建设导致全球大气氮沉降量逐年递增,其中热带亚热带地区氮沉降量显著高于全球平均水平,而大部分热带亚热带森林土壤趋近氮饱和状态,氮沉降增加将持续向土壤输入外源活性氮,极易导致土壤氮过剩,进而破环整个森林生态系统氮循环的平衡。我国热带亚热带地区经济发展快速,氮沉降增加导致的土壤养分失衡和林地退化等生态问题日益凸显,森林土壤氮循环对大气氮沉降的响应及适应机制已引起了学术界的广泛关注。研究表明氮循环各环节均由特定的功能微生物驱动完成,明确氮沉降增加对热带亚热带森林土壤氮循环功能微生物及其介导的关键过程的影响,对评价未来氮沉降增加背景下全球森林土壤氮循环的响应及驱动机制有重要作用,可为促进我国热带亚热带地区森林修复、生态环境的改善与提升提供科学支撑。鉴于此,本文综述了热带亚热带森林土壤氮循环主要过程（如固氮、硝化、反硝化、厌氧氨氧化等）及其功能微生物群落丰度、活性、组成等对氮沉降增加的响应,同时分析了这些功能微生物的群落特征与主要环境因子（如NH₄⁺、NO₃^-、有机碳、pH、含水量等）的关联性。在此基础上探讨了氮沉降增加下功能微生物对热带亚热带森林土壤氮循环的调控作用,重点探讨了功能微生物如何通过改变丰度与群落组成而影响氮循环过程,并对目前研究中存在的主要问题与未来研究重点进行了简要剖析。     

海南岛热带原始森林主要分布区土壤有机碳密度及影响因素

以海南尖峰岭、霸王岭、五指山、吊罗山、鹦哥岭5个热带原始森林土壤为研究对象, 分层采集0-100 cm的土壤样品并分析有机碳含量, 用纵向拟合法和分层估算法分别估算其土壤有机碳密度。结果显示: (1)纵向拟合法计算的5个热带原始森林土壤有机碳密度分别为14.98、18.46、16.48、18.81、16.66 kg·m^-2, 分层估算法分别为14.73、16.24、15.50、16.91、15.03 kg·m^-2, 前者显著高于后者(p < 0.05); 未经扰动的原始森林土壤, 宜采用纵向拟合法计算土壤有机碳密度。(2) 5个热带原始森林0-30 cm表层土壤有机碳含量分别占0-100 cm的50.50%、48.56%、43.49%、47.37、42.88%。(3)土壤有机碳密度与森林群落Shannon-Wiener指数(p < 0.01)、Simpson指数(p < 0.05)、物种丰富度(p < 0.01)、土壤容重(p < 0.001)存在极显著或显著的负相关关系; 与海拔(p < 0.05)、土壤孔隙度(p < 0.001)、土壤全氮含量(p < 0.001)存在极显著或显著的正相关关系; 与坡向、林分生物量、平均胸径、平均树高无显著相关关系(p > 0.05)。(4)由于海南地处低纬度地区, 其丰富的降水和持续高温条件加速了有机质的分解和物质的再循环, 导致海南森林土壤碳密度远低于全国平均水平。     

海南尖峰岭热带山地雨林物种多样性空间分布格局的尺度效应

物种多样性的空间分布格局和维持机制是群落生态学的基本问题。为了探讨海南尖峰岭地区物种多样性空间分布格局的尺度效应, 以海南尖峰岭热带山地雨林60 hm²样地为研究对象, 分析了物种丰富度、物种多度、Shannon-Wiener指数、Simpson指数以及Pielou均匀度指数随6个空间取样尺度(5 m × 5 m、10 m × 10 m、20 m × 20 m、40 m × 40 m、100 m ×100 m、200 m × 200 m)的变化。结果表明: 相比Simpson指数和Pielou均匀度指数, 物种丰富度、多度以及Shannon-Wiener指数具有更为明显的空间尺度效应; 物种丰富度的方差随取样尺度增加呈现单峰分布特征, 并且在20 m × 20 m尺度上达到最大值, 而物种多度的方差随取样尺度的增加而增大; 物种丰富度和多度的正相关性随着取样尺度的增加逐渐减小甚至消失, 这可能与随取样尺度增加生境异质性增加有关; 取样尺度对3个物种多样性指数空间分布的影响可能与研究区域内稀有种的组成有关。     

尖峰岭热带山地雨林海南特有木本植物群落结构

以海南尖峰岭4.8 hm ²的热带山地雨林原始林为研究对象, 分析了群落内海南特有乔、灌木植物(以下简称特有种)的物种组成、特有种种群的多度和径级结构特点, 分析了保留和剔除特有种对群落物种多样性指数的影响。结果表明, 在4.8 hm ²样地中, 共记录了胸径≥1.0 cm的个体36481株, 隶属于65科134属247种; 其中, 24种为特有种, 占样地内总种数的9.7%; 大多数特有种多度较小, 在群落发展中居从属地位。多数特有种对生境具有选择性, 分布区域相对狭窄, 种实以动物传播型为主。剔除特有种后, 导致群落的Margalef丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指数极显著下降(p < 0.01), 对Simpson和Pielou均匀度指数影响不显著。由此可见, 特有种不仅对维持尖峰岭山地热带山地雨林的物种多样性具有重要的意义, 也具有较高的科学研究价值。     

大气污染对珠江三角洲森林及土壤影响的初步研究

于1998年4月至1999年3月采用定点测定和面上调查相结合的方法,开展大气污染对珠江三角洲森林生长及其土壤酸碱性的肥力特性的影响研究。初步结果表明：大气污染引起珠江三角洲的地区发生大面积、高频率的酸雨,主要的污染物有SO、NOx、悬浮颗粒物等;随着污染程度的增大,森林土壤pH值降低,SO4^2-和AI^3 质量浓度增大;马尾松、湿地松叶片叶绿素含量降低,生长衰退甚至死亡;但不同树种对大气污染敏感程度不同,种植马占相思比马尾松更能增加林地对酸雨缓冲力和提高土壤肥力。     

冰雪灾害对粤北天然次生林的损害及产生的林冠残体量

采用样地调查和取样,研究了2008年初中国南方冰雪灾害对粤北天然次生林的损害特征及其产生的林冠残体量.结果表明,灾害对粤北天然林造成严重损害,林木受害特征主要是胸径较大的植株断枝、断梢和断干较多,胸径较小的容易压弯,坡度大的林分翻蔸受害率增加.灾后林地林冠残体总量为38.12～43.52 t hm-2,平均41.25 t hm-2;地表凋落叶11.79～12.87 t hm-2,平均12.47 t hm-2;灾害产生的枝、干木质残体量为24.27～30.65 t hm-2,平均28.41 t hm-2.天然常绿阔叶林产生的林冠残体量较常绿与落叶混交林和杉木人工林大,造成林地林冠残体量骤增,一方面使林地存在严重安全隐患(如发生火灾和病虫害的风险增加),另一方面大量的林冠残体归还林地、改变了森林生态系统的结构与功能.     

海南岛鸡毛松人工林群落种间联结性研究

对海南岛尖峰岭鸡毛松人工林群落主要树种的重要值、总体方差比率及x^2统计量等种间联结性指标进行测定。结果表明,鸡毛松人工群落树木种类丰富,种群间总体上正联结达显著水平,大部分种群种间联结性不显著,独立分布的为多。鸡毛松与极少种群的种间联结性显著,与大部分种群间联结性不显著,体现了鸡毛松较强的生态适应性。海南岛尖峰岭鸡毛松群落已逐渐向天然次生群落演替。     

海南尖峰岭热带山地雨林土壤有机碳密度空间分布特征

森林土壤有机碳是陆地碳库的重要组成部分,在碳循环中有着重要的作用。研究热带雨林土壤性质的空间异质性对于深入分析热带雨林植被分布格局与土壤的关系,促进热带雨林的保护等具有重要指导意义。在海南岛尖峰岭热带山地雨林60 hm2大样地内采用野外布点采样、实验室测定和地统计学分析相结合的方法,定量研究了土壤有机碳密度在局域范围内的空间异质性及分布特征。研究结果表明:(1)A(0—10 cm)、B(10—30 cm)、C(30—60 cm)3层土壤有机碳平均密度分别为2.699、2.782、2.434 kg/m2,A、B两层差异性不显著,与C层差异性显著(P0.05);(2)不同层次土壤有机碳密度模型交叉验证结果表明:A层拟合的半方差函数最适模型为指数模型,B、C两层为球状模型;3层土壤有机碳密度的变程分别为:54.2、70.9、97.2 m;块金值与基台值比值分别为:0.512、0.708、0.882,表明A、B两层属中等程度变异,C层具有较大的块金值,属于弱变异,说明在小尺度范围具有更明显的空间异质性,也说明不同层次土壤有机碳密度具有不同程度的空间自相关性;Person相关性分析表明不同层次土壤有机碳密度之间具有不同的相关性:A层与B层及C层之间的相关性要小于B层和C层之间的相关性,说明热带雨林中土壤有机碳密度表层与下层受到不同生态过程的控制。(3)普通克里格插值及绘制的空间分布轮廓图表明:在研究尺度上A、B两层不同深度的土壤有机碳密度的空间分布具有一定的一致性,空间异质性明显,呈斑块状分布;C层空间异质性较弱,具有一定的连续性,呈条带状分布;(4)地形引起的水热分配是影响不同层次土壤有机碳密度空间分布格局的一个重要因素。     

海南尖峰岭热带山地雨林不同空间尺度和径级水平的物种丰富度与个体密度关联

以海南尖峰岭热带山地雨林为研究对象, 基于尖峰岭原始林60 hm²大样地, 分析了7个不同空间尺度(5 m × 5 m、10 m × 10 m、20 m × 20 m、40 m × 40 m、60 m × 60 m、80 m × 80 m、100 m × 100 m)、3个不同径级(胸径(DBH) ≥ 1.0 cm、DBH ≥ 2.5 cm、DBH ≥ 7.5 cm)物种丰富度与个体密度之间的关联性, 以期为负密度制约效应等研究的尺度选择提供参考依据。研究结果表明, 物种丰富度和个体密度之间的关联性是基于空间尺度存在的, 并受分析植株径级大小的影响。DBH ≥ 1.0 cm时, 在4个空间尺度下(5 m × 5 m、10 m × 10 m、20 m × 20 m、40 m × 40 m), 物种丰富度随个体密度增加而增加, 但物种丰富度和个体密度两者间的相关性随取样空间尺度的增大而逐渐下降; 在其他3个空间尺度下(60 m × 60 m、80 m × 80 m、100 m × 100 m), 两者间没有显著相关性。当DBH ≥ 2.5 cm和DBH ≥ 7.5 cm时, 物种丰富度和个体密度间的相关性随空间尺度变化的趋势也与上述结果基本一致; 在60 m × 60 m的空间尺度上, DBH ≥ 1.0 cm时物种丰富度和个体密度相关性不显著, DBH ≥ 2.5 cm和DBH ≥ 7.5 cm两个径级的物种丰富度和个体密度表现出弱相关性。DBH ≥ 2.5 cm和DBH ≥ 7.5 cm时, 各空间尺度下物种丰富度和个体密度之间的决定系数几乎一致, 但高于DBH ≥ 1.0 cm时两者之间的决定系数, 说明大径级植株的个体密度和物种丰富度之间有更强的关联性, 负密度制约效应和自疏效应可能是产生这种现象的主要原因。     

广州市森林土壤水化学和元素收支平衡研究

为了探讨酸沉降对森林生态系统的影响,于1998年4月至1999年3月对广州市3个不同林分试验点的降雨,林内穿透雨和土壤渗透水进行了物理量测定和化学分析,据此计划了元素的收支平衡,研究表明：（1）SO4^2-和Ca^2 是土壤水中最主要的阴,阳离子,土壤水中的主要组分浓度的变化与树冠和凋落物淋溶的贡献以及土壤中一系列物理化学过程（如硝化作用,吸附作用,阳离子交换反应）有关;（2）土壤水中H^ 和Al^3 浓度的增高是土壤酸化的重要指标,可能对森林植被构成潜在危害;（3）S－沉降（＞110kg/hm^2.a)可能不是目前土壤酸化的主要原因,也没引起土壤中碱性离子的大量淋失,由于研究区土壤有较强的吸附So4^2-的能力和容量,So4^2-和与之关系密切的Ca,Mg,K等元素在土壤中处于积累阶段;（4）过量的N沉降（＞20kg/hm^2.a)和NH4^ 的硝化 作用是广州市森林土壤进一步酸化的主要原因,由于该地区NOx排放量逐年上升,因此N沉降对森林生态系统的负面影响会进一步加剧。