温带落叶阔叶林冠层CO2浓度的时空变异

为了研究温带落叶阔叶林CO₂浓度(摩尔分数, [CO₂])的时空变化特征, 利用帽儿山通量塔8层[CO₂]廓线系统分析了[CO₂]的时间动态及垂直梯度, 并结合森林小气候的同步测定数据探讨了影响[CO₂]时空变化的因子。结果表明: 帽儿山温带落叶阔叶林的[CO₂]及其垂直梯度具有明显的日变化和季节变化。在日尺度上, [CO₂]呈“单峰”曲线, 在夜间或日出前后出现最大值, 日出后迅速降低, 在午后达到最低值, 日落时分又开始迅速升高。在季节尺度上, 生长季的[CO₂]日变幅明显大于非生长季, 且冬季(1、2和12月)白天呈“V”型, 其他季节白天呈“U”型, 这与白天对流边界层的持续时间随季节的变化趋势一致。在垂直方向上, [CO₂]及其日变幅随高度增加而降低, 并且在生长季夜间湍流交换较弱时其垂直梯度最显著; 植被冠层的光合作用改变了生长旺季白天的[CO₂]垂直格局, 使冠层高度的[CO₂]最低; 休眠季节该垂直梯度大大减弱。近地层日均[CO₂]与土壤温度的趋势相似, 呈单峰曲线; 而林冠上[CO₂]在5月初和10月各出现一次峰值, 最低值出现在8月初, 与植被光合作用紧密相关。日尺度上[CO₂]及其垂直梯度主要受控于大气边界层和生态系统碳代谢过程; 年尺度上近地层[CO₂]主要受控于土壤呼吸, 而林冠上的[CO₂]则受生态系统光合作用和呼吸作用的共同控制。     

基于塔载辐射监测帽儿山落叶阔叶林

基于通量塔常规辐射测量的宽带植被指数(BVI)具有高时间分辨率的优点,有利于获得更详细的森林冠层叶面积指数(LAI)动态信息.本文以帽儿山通量观测站的温带落叶阔叶林为例,研究宽带归一化差值植被指数(NDVI_B)、宽带增强型植被指数(EVI_B)、近红外反射率与光合有效辐射反射率比值(SR_NP)和太阳辐射反射率与光合有效辐射反射率比值(SR_SP)4种BVI时间序列的控制因子及其滤波方法,并以凋落物收集法为参考,评估采用BVI估测冠层LAI的可行性.结果表明: Huemmrich、Wilson和Jenkins 3种方法计算的同一BVI值略有不同,但其季节变化趋势高度一致.BVI主要受太阳高度角和太阳高度角与坡度夹角的影响而呈现明显的日变化,太阳高度角与坡度夹角最大时刻(12:30)前后的BVI相对稳定.晴空指数可以作为BVI日值滤波的有效参数,不同时刻数据构成的日BVI时间序列的晴空指数阈值以及滤波后的有效数据率存在差异,应综合考虑平滑效果和有效数据率选择合适的时间点代表BVI日值.NDVI_B与凋落物收集法测定的LAI呈显著的线性关系,而EVI_B、SR_NP和SR_SP与LAI均呈显著的对数关系.因此,NDVI_B在表征冠层LAI季节动态和LAI外推中更为精确、方便.鉴于大部分森林碳水通量观测塔配备能量平衡观测系统,如果同时测定光合有效辐射反射率,即可实现冠层LAI长期连续联网监测.     

帽儿山温带森林演替初期土壤碳、氮、磷计量特征的变化

2004年在帽儿山森林生态站设置土壤置换试验,将0～30 cm农田土置换成邻近天然次生林淋溶层土(A处理)、淀积层土(B处理)和母质层土(风化砂,C处理),分别模拟森林皆伐次生演替、无种子库次生演替和原生演替,2014年研究温带落叶阔叶林不同演替类型在自然演替初期土壤碳、氮、磷计量特征的变化.结果表明: 演替10年,A处理土壤碳、氮、磷含量无显著变化,B处理土壤碳和氮含量分别降低34.7%和38.6%,而C处理土壤碳和氮含量分别增加63.4%和198.4%.植被演替后,氮-碳异速生长关系斜率显著降低,磷-氮异速生长速率显著升高.10年演替后,仅C处理土壤C∶N减小44.5%,N∶P增加283.6%,其他处理变化不显著.土壤碳、氮、磷含量与活细根现存量、死细根现存量均存在显著相关关系,植被演替可能主要通过改变有机质输入驱动土壤碳、氮、磷含量及其计量关系.     

东北主要树种光合作用可行的离体测定方法

树木光合作用的测定常因植株高大而难以开展, 其中离体测定是解决途径之一。但离体测定的方法及其可靠性因树种而异。选取东北东部温带森林中特性各异的7种主要树种: 针叶树(红松(Pinus koraiensis)、长白落叶松(Larix olgensis))、散孔材(白桦(Betula platyphylla)、胡桃楸(Juglans mandshurica))和环孔材(水曲柳(Fraxinus mandshurica)、黄榆(Ulmus macrocarpa)、蒙古栎(Quercus mongolica)), 首先采用光合速率恢复到光合诱导前稳定值90%的时间(T₉₀)长短和叶片蒸腾速率(E)的大小评估离体叶片水分供应状况及其光合活力, 以此确定较优的离体测定方案; 同时, 观测离体叶片的光合活力稳定时间; 最后通过比较原位测定和采用所确定的较优离体方案测定的各树种叶片气体交换参数, 论证采用离体测定光合作用的可靠性。结果表明: 除蒙古栎外的6个树种的离体叶片均具有较高、较稳定的水分供应和光合活力。离体枝条或复叶插入水中, 环剥去除切口处3 cm左右的韧皮部和剩余叶片的方法, 是这6个温带树种叶片光合能力的较优离体测定方法。6个树种叶片的T₉₀受树木特性的影响而差异显著(p < 0.05), 其中环孔材树种的T₉₀显著高于散孔材和针叶树种。6个树种离体叶片在1 h内均有较高、较稳定的水分供应和光合活力。在此期间离体所测得的绝大多数叶片的气体交换参数与其原位测定值之间的差异不显著。该研究提出了可行的树木叶片光合作用的离体测定方案, 适用于蒙古栎以外的其他6个温带树种。     

气候暖化对解冻期不同纬度兴安落叶松林土壤氧化亚氮释放的影响

春季解冻期北方森林土壤释放出大量的N₂O,是大气温室气体的主要来源之一.本研究将分布于塔河(52°31′ N)、松岭(50°43′ N)、孙吴（49°13′ N）和带岭（47°05′ N）4个纬度上林分状况相似的兴安落叶松林样地（包括幼树、地被物和A、B层土壤）移置至其自然分布区南缘,模拟气候暖化,分析春季解冻期土壤N2O通量的时间动态及其影响因子.结果表明：各处理的土壤N2O释放高峰均出现在解冻中后期.带岭、孙吴、松岭和塔河样地土壤解冻期的土壤N₂O平均通量分别为（66.5±9.3）、（54.3±5.6）、（44.3±5.3）和（33.5±3.7） μg·m^-2·h^-1;土壤N₂O通量与5 cm土壤温度和0～10 cm土壤微生物生物量碳呈显著正相关,但与土壤含水率的相关性不显著.解冻期4个处理的土壤N₂O释放差异显著,其平均通量和累积释放量均随纬度升高而下降.这种差异主要是由于不同纬度土壤的微生物活性和土壤物理性质的差异引起的.     

帽儿山5种林型土壤碳氮磷化学计量关系的垂直变化

采用土壤分层取样法测定了帽儿山地区相同气候条件、不同立地条件下林龄相近的2种人工针叶林(红松林和兴安落叶松林)和3种天然落叶阔叶林(蒙古栎林、杨桦林、硬阔叶林)的土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)元素含量,以及土壤容重、土壤厚度等,研究土壤C、N、P含量和密度及化学计量关系的垂直变化特征.结果表明: 不同林型间土壤C、N、P含量和密度差异显著,其中硬阔叶林土壤O层和A层的C、N含量和密度均显著高于其他林型.所有林型土壤的C、N含量均随土层加深而下降;落叶阔叶林土壤P含量随土层加深而显著下降,但针叶林各土层间P含量差异不显著.不同林型间A层土壤C/N、O层土壤N/P,以及A和B层土壤C/P均存在显著差异.不同林型间土壤C-N存在显著的线性关系,且其斜率和截距在林型间差异均不显著,但土壤N-P、C-P关系只在阔叶林中存在显著相关关系.这表明不同林型间土壤C-N耦联关系有趋同现象,而土壤N-P和C-P关系随林型而变.     

六种温带森林类型凋落物量长期动态及其环境驱动

阐明凋落物动态及其环境控制机制，可以为森林生态系统生产力及碳汇功能的维持提供重要的数据支持和理论依据。以长白山系余脉张广才岭西坡林龄相近但立地条件不同的4种天然次生林（即硬阔叶林、杨桦林、杂木林和蒙古栎林）和2种人工林（落叶松人工林和红松人工林）为研究对象，对其地上凋落物产量及其组分以及相关环境因子进行了14年（2008-2021年）的连续测定，旨在揭示森林凋落物量及其组分的时空变化（林型间和年际变异）及其环境驱动机制。结果表明：6种森林类型的凋落总量（TL）无显著差异，波动范围为500.5-556.1 g m^-2 a^-1；但其叶凋落量（LL）、繁殖组织凋落量（RT）和其他组织凋落量（OT）均存在显著差异，波动范围依次分别为333.9-391.8 g m^-2 a^-1、8.43-69.93 g m^-2 a^-1和93.4-185.9 g m^-2 a^-1。6种森林类型的TL均存在显著的年际变化；其中LL和OT年际变化的显著性因森林类型而不同，而RT的年际变化不显著。除落叶松人工林外，其余5种森林类型的LL与生长季平均气温、日最低气温均值、土壤10 cm深度处的平均温度、最低温度（Ts_min）和土壤5 cm含水量（Ms）均呈显著正相关。杂木林、硬阔叶林和红松人工林的RT与Ms呈显著负相关；杂木林、杨桦林和硬阔叶林的OT与Ts_min呈显著负相关。样地水平的LL与土壤10 cm处含水量存在显著的正相关关系，而RT和OT则与其呈现显著负相关关系。这些结果表明林龄相似的温带森林地上凋落物总量有趋同趋势，但其通过改变组分分配格局来适应立地条件的变化；土壤湿度和温度变化会引起凋落物量的年际变化，但不同森林类型的凋落物量对环境波动的敏感性不同。     

CO2储存通量估算方法对森林生态系统碳收支估测的影响

准确测定森林生态系统中CO₂储存通量(F_s)对于以涡动协方差(EC)法估算生态系统碳收支具有重要意义,而F_s不同算法引起的森林碳收支估测误差还未被全面评估。本研究利用2018年帽儿山落叶阔叶林的开路EC系统和8层CO₂/H₂O廓线系统(AP100, Campbell Scientific Inc., USA)数据,比较了2-min平均廓线(P_{2 min})、30-min平均廓线(P_{30 min})和30-min平均EC单点法(P_s)3种不同方法估算的F_s对净生态系统交换(NEE)、生态系统呼吸(R_e)和总初级生产力(GPP)估算结果的影响。结果表明: F_s估算方法对森林碳通量的影响总体上随时间尺度增大而不断增大,表明通量数据插补和拆分会进一步放大F_s估算方法的影响。在年尺度上,P_{2 min}法和P_s法的NEE分别比P_{30 min}法的低36.3%和29.4%;P_{2 min}法的R_e比P_{30 min}法和P_s法高8.7%;而P_{2 min}法的GPP比P_{30 min}法的高5.4%,P_s法则比P_{30 min}法的低2.1%。传统的P_{30 min}法忽略了CO₂浓度的瞬时变化,P_s法缺少林冠层内部CO₂浓度变化,因此两者低估了真实R_e。近似瞬时廓线的方法(2-min平均)具有更高的时间与空间分辨率,能够更加准确地估算非平坦地形和复杂冠层结构的森林碳收支,这对解决EC法在复杂条件下森林R_e和GPP低估、净碳汇高估具有重要启示。     

东北东部山区11种温带树种粗木质残体分解与碳氮释放

采用长期定位跟踪实测方法,比较分析了我国东北温带森林4个水热状况不同的立地条件(红松(Pinus koraiensis)人工林、硬阔叶林、蒙古栎(Quercus mongolica)林和林外空旷地)下11个温带树种粗木质残体(CWD)分解初期3年中的碳氮动态及其影响因子。测定树种包括:白桦(Betula platyphylla)、山杨(Populus davidiana)、紫椴(Tilia amurensis)、胡桃楸(Juglans mandshurica)、蒙古栎、色木槭(Acer mono)、春榆(Ulmus japonica)、红松、黄檗(Phellodendron amurense)、兴安落叶松(Larix gmelinii)和水曲柳(Fraxinus mandshurica)。结果表明:在分解过程中,所有树种CWD的碳浓度没有明显变化(p0.05),但其干重、碳密度、氮浓度和氮密度均随分解进程不同程度地减小,碳氮比(C/N)则增大,而且树种间差异显著(p0.001)。针叶树种的CWD分解速率显著地低于阔叶树种,其中白桦的3年CWD干重损失率(65%)约为兴安落叶松(22%)的3倍。径级大的CWD分解较慢。CWD分解与碳氮释放均与CWD的初始N含量呈正相关,而与初始C/N呈负相关。4个立地条件下CWD的干重和碳氮含量的变化差异不显著,均表现出一致的变化趋势。该研究指出,在分解初期的前3年中,CWD基本上是一个碳源和氮源。     

东北东部5种温带森林的春季土壤呼吸

春季土壤解冻过程是中高纬度地区森林生态系统土壤呼吸(即土壤表面CO2通量,RS)年内变化的一个关键时期,但此期间RS的时间动态规律及其控制机理尚不清楚。以我国东北东部5种温带森林为研究对象,采用静态箱-气相色谱法测定春季土壤解冻时期RS动态及其相关的环境因子。结果表明:在土壤解冻过程中,RS受林型、解冻时期及其交互作用的显著影响。红松(Pinus koraiensis)林、落叶松(Larix gmelinii)林、硬阔叶林、杨桦(Populus davidiana-Betulaplaty phylla)林和蒙古栎(Quercus mongolica)林的RS变化范围依次为:10.0196.0mg·m-·2h-1,5.8217.1mg·m-·2h-1,9.7382.1mg·m-·2h-1,15.8-269.0mg·m-·2h-1和35.9262.5mg·m-·2h-1。RS的平均值随着解冻的进程而增大,其变化趋势大致与土壤温度的变化相吻合。土壤温度极显著地影响RS(R2=0.46-0.77),而土壤含水量对RS的影响则因林型和土壤深度而异。5种林型的土壤呼吸温度系数(Q10)依次为:落叶松林10.9,硬阔叶林7.1,红松林6.5,杨桦林4.3和蒙古栎林2.3。进一步的研究应该集中研究春季自然解冻过程中土壤呼吸的控制机制,尤其是土壤呼吸与土壤微生物种群动态及其活性之间的关系。