11种温带树种粗木质残体分解初期结构性成分和呼吸速率的变化

采用长期定位跟踪实测方法,比较分析我国东北温带森林11个主要树种粗木质残体(CWD)分解初期3a中结构性成分的差异、变化以及与其呼吸速率(R_CWD)的关系。测定树种包括:软阔叶树种(白桦、山杨、紫椴)、硬阔叶树种(胡桃楸、蒙古栎、色木槭、春榆、黄檗、水曲柳)和针叶树种(兴安落叶松、红松)。结果表明:11个树种CWD木质素含量(L_c,%)和综纤维素含量(H_c,%)差异显著(P<0.001),其中软阔叶树种的L_c最低。木质素含量与N含量的比值(L_c/N)依次为:针叶树种 >硬阔叶树种 >软阔叶树种。经过3a的分解,大部分树种(除了紫椴和春榆)的L_c略有增加,但变化不显著(P>0.05);而其木质素密度(L_d, g/cm³)和综纤维素密度(H_d, g/cm³)都有不同程度的减小(P<0.05),软阔叶树种损失最多,针叶树种损失最少。所有树种L_c/N值均增大。将R_CWD标准化成温度为15 ℃时(R₁₅)比较发现,在CWD形成初期(2005年)不同树种的R₁₅有所差异;阔叶树种的R₁₅及其温度系数(Q₁₀)均高于针叶树种。经过3a的分解,除兴安落叶松、色木槭和水曲柳外,其它树种的R₁₅出现了不同程度减小。总体看来,软阔叶树种R₁₅减少了32.0%,而针叶树种R₁₅则增加了23.1%。另外,针叶树种的Q₁₀增大,而阔叶树种的Q₁₀则基本保持不变。R₁₅与H_c呈正相关,与L_c和L_c/N呈负相关。CWD分解初期3a R₁₅的变化率与H_c的变化率之间呈正相关关系,表明结构性成分的变化是导致CWD分解初期R_CWD变化的主要因素之一。     

利用细丝热电偶评估涡度相关系统开路分析仪表面加热效应

目前广泛使用的涡度相关系统开路CO₂/H₂O分析仪存在表面加热效应,可能影响涡动通量测量精度.以帽儿山森林生态站温带落叶林的开路涡度相关系统为例,采用细丝热电偶评估了开路CO₂/H₂O分析仪(Li-7500)的加热效应,并检验Burba方程的适用性.结果表明: 2016年4月23日至5月28日,白天Li-7500光路中部温度比环境空气温度高0.2 ℃以上,夜间二者很接近,加热峰值多出现在清晨转换期和正午或午后.Burba第4种方法的一元模型(BurbaLF)估计的感热通量加热效应(H_S,HE)日变化大体呈矩形波型,多元线性回归模型(BurbaMR)的估计值呈微弱的单峰型.与K079型细丝热电偶(单裸丝线径0.079 mm)测定(K079)和细丝热电偶模拟(K079Model)的感热通量相比,BurbaLF和BurbaMR估算的白天变化小且波峰低而宽(20 W·m^-2),昼夜过渡急剧,夜间一般低于5 W·m^-2.K079和K079Model法的H_S,HE峰值在40 W·m^-2以上,夜间H_S,HE在零值上下波动.白天Li-7500光路的感热通量增量为13.6%. K079和K079Model估算的白天加热对CO₂湍流通量影响(F_c,HC)的平均值约0.5 mg CO₂·m^-2·s^-1,是以往估值的2倍.与实测法相比,Burba方程正午由于H_S,HE不足而低估了F_c,HC,但因高估了清晨、傍晚和夜间加热效应,导致整体上高估F_c,HC.研究结果证实K079和K079Model法均可用于估计F_c,HC.     

九种不同材性的温带树种叶水力性状及其权衡关系

不同材性树种的解剖、叶脉分布等结构性状差异会影响树木的水分运输效率和水分利用策略, 进而限制树木的生存、生长和分布。然而, 材性对叶导水率、水力脆弱性及其潜在的权衡关系的影响尚不清楚。该研究选择东北温带森林中不同材性的9种树种(散孔材: 山杨(Populus davidiana)、紫椴(Tilia amurensis)、白桦(Betula platyphylla); 环孔材: 蒙古栎(Quercus mongolica)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、胡桃楸(Juglans mandshurica); 无孔材: 红皮云杉(Picea koraiensis)、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)、红松(Pinus koraiensis), 测量其基于叶面积和叶质量的叶导水率(K_area和K_mass)、水力脆弱性(P₅₀)、膨压丧失点水势(TLP)及叶结构性状, 以比较不同材性树种叶水力性状的差异, 并探索叶水力效率与安全的权衡关系。结果表明: 3种材性树种的K_area、K_mass和P₅₀均差异显著(p < 0.05)。无孔材树种的K_area和K_mass最低, 而散孔材和环孔材树种差异不显著; 环孔材树种P₅₀最高, 而散孔材和无孔材树种差异不显著。K_area和K_mass均与P₅₀显著负相关(p < 0.05), 但散孔材、环孔材和无孔材树种的相关关系分别呈线性、幂函数和指数函数关系。这表明叶水力效率与安全之间存在一定的权衡关系, 但该关系受树木材性的影响。K_mass与TLP显著负相关(p < 0.01), 其中散孔材和环孔材树种呈线性负相关, 无孔材树种呈负指数函数关系; P₅₀随TLP的增加而增加, 这表明树木在面临水分胁迫时, 其质外体和共质体抗旱阻力共同协调保护叶片活细胞, 防止其水分状况到达临界阈值。K_mass与叶干物质含量、叶密度、比叶重均显著负相关, 而P₅₀与之显著正相关(p < 0.01, P₅₀与比叶重的关系除外), 表明树木叶水力特性的变化受相同叶结构特性驱动, 树木增加对水力失调的容忍需要在叶水力系统构建上增加碳投资。     

三种温带树种树干储存水对蒸腾的贡献

树干储存水在协调叶片水分和碳平衡、维持树木水分收支平衡中起着重要作用。以无孔材红松(Pinus koraiensis)、散孔材山杨(Populus davidiana)和环孔材蒙古栎(Quercus mongolica)为对象, 于2010年8月中旬至9月末(生长季后期)测定其冠基和干基树干液流通量以及树干储存水的日变化过程, 量化分析树干储存水对日蒸腾量的贡献及其生物影响因子。结果表明: 冠基的液流比干基启动得早, 而且两者在一天中存在显著的时滞。树干储存水的日进程总体上可分为: 完全释放、以释放为主补充为辅、以补充为主释放为辅、饱和稳定等4个阶段, 但每个阶段的持续时间和变化格局随树种而变。红松的树干储存水在一天内表现出两个释放-补充周期, 而两种阔叶树种均只经历了一次释放-补充过程。在测定时段内红松、山杨、蒙古栎标准化到平均木(边材体积为0.29 m³)的树干储存水释放量分别为: (3.4 ± 1.5)、(2.4 ± 0.6)和(1.5 ± 0.4) kg·d ^-1, 分别占日蒸腾量的18.9%、17.1%和8.8%。树干储存水释放量与日蒸腾量呈显著的指数函数关系, 而与干基的边材面积和树高呈正相关关系。该研究突显了树木大小(树高和边材面积)和材性特征对树干储存水释放量及其对蒸腾量贡献的重要影响。     

6 种温带森林碳密度与碳分配

量化森林碳储量及其分配格局是森林碳循环和陆地生态系统模型的重要研究内容. 采用样地清查和异速生长方程法测定了相同气候条件下林龄相近(42~59 年生)的6 种典型温带森林类型 (杨桦林、硬阔叶林、红松林、兴安落叶松林、杂木林和蒙古栎林)的碳密度和碳分配格局. 结果表明, 所处的立地条件和植被组成不同的6 种温带森林, 其生态系统组分碳密度(除碎屑碳库外)差异不显著, 但用林分胸高断面积标准化之后则存在显著差异. 6 种温带森林的总碳密度在 186.9~349.2 tC/hm² 之间波动; 其中, 植被碳密度、碎屑碳密度和土壤碳密度分别在86.3~122.7, 6.5~10.5 和93.7~220.1 tC/hm² 之间波动, 占总碳密度的(39.7±7.1)%(均值±标准差), (3.3±1.1)%和 (57.0±7.9)%. 在植被碳库中, 乔木层占99%以上. 叶生物量、中细根(直径<5 mm)生物量、根冠比、中细根生物量与叶生物量之比分别在2.08~4.72 tC/hm², 0.95~3.24 tC/hm², 22.0%~28.3%, 34.5%~122.2%之间波动. 6 种森林中, 红松林的叶生产效率(总生物量与叶生物量之比)最低(22.6 g/g), 兴安落叶松林的中细根生产效率(总生物量与中细根生物量之比)最高(124.7 g/g). 除蒙古栎林外, 其他5 种森林的中细根碳密度(包括死活中细根量)均随土壤层次加深而下降; 而蒙古栎林的中细根碳密度的垂直分布却有下移趋势. 两种人工林(红松林和兴安落叶松林)的粗木质残体碳密度显著低于4 种天然林. 本研究指出, 特定森林碳分配格局的分异主要受植被类型、经营历史、局域土壤的水分和养分有效性等因素的共同作用, 同时也为温带森林碳循环模型提供了重要的构建和校验参数.     

东北典型森林土壤呼吸的模拟——IBIS模型的局域化应用

集成生物圈模拟器(IBIS)将陆地生态系统的生态学过程与相关的生物物理和生理学过程统一起来,代表了生态系统碳循环模拟模型的研究方向。将IBIS-2.6进行适当改造用于中国东北地区的6种典型森林类型(红松林、落叶松林、杨桦林、硬阔叶林、蒙古栎林和杂木林)的土壤呼吸、根际呼吸和异养呼吸估算,并以实测数据作验证。2004-2005年土壤呼吸、根际呼吸和异养呼吸年通量的模拟结果与实测值吻合较好,模拟偏差变动范围分别为:-5%-21%、-2%-16%和-16%-45%。土壤呼吸模拟值与实测值之间的差异不显著(P0.05),两者间的相关系数以杂木林最低(0.362)、硬阔叶林最高(0.917)。除了春末夏初的土壤呼吸迅速升高过程外,模型能较好的捕捉土壤呼吸的季节动态。研究为IBIS模型的局域化应用奠定了基础,并表明经过改造的IBIS可以用于特定的森林生态系统水平的土壤呼吸模拟估测。     

11种温带树种粗木质残体呼吸的时间动态

粗木质残体(CWD)呼吸释放出的CO2(RCWD)与温度的关系是森林生态系统RCWD年通量估测的基础,是随树种和时间而变化的,但这种关系的时间动态目前尚不清楚。采用红外气体分析法测定自然条件下东北东部山区典型天然次生林中11个主要树种RCWD的时间动态,尤其注重于其日变化格局及其对温度的响应。测定树种包括:白桦、山杨、紫椴、胡桃楸、蒙古栎、色木槭、春榆、红松、黄檗、兴安落叶松和水曲柳。结果表明:在测定的生长季期间,11个树种RCWD的日动态多表现为受10cm深的CWD温度(TCWD)驱动的单峰曲线日变化格局,RCWD最高值出现在13:0015:00时,明显滞后于气温(TA)的日变化。然而,在7月和8月份RCWD对温度的响应不明显,呈现出无峰或多峰的日变化格局。各树种均表现为白昼RCWD平均值高于黑夜。RCWD与TCWD、TA有显著的相关关系(P0.05),但与测定前两个小时的TA相关更紧密,说明RCWD对TA响应的滞后性。RCWD温度系数(Q10)平均为2.61,但随树种和季节而变化。Q10值波动在1.74(白桦)和4.20(蒙古栎)之间,并有随温度升高而减小的趋势。本研究结果表明粗木质残体分解碳释放的估算应该考虑RCWD温度敏感性随树种和时间的变化特性。     

帽儿山温带落叶阔叶林通量塔风浪区生物量空间格局

采用网格法在帽儿山温带落叶阔叶林通量塔风浪区(1500 m×400 m)内设置直径为20 m的圆形样地106个,运用地统计学方法和回归分析法研究了乔木生物量空间格局及其驱动因子。结果表明,风浪区总生物量平均值为153.63 Mg/hm~2,变异系数为37.89%;根冠比平均0.25(变化范围0.18—0.36)。总生物量、地上生物量和地下生物量的空间自相关显著,半方差模型的结构比分别为0.50、0.61和0.50,空间异质性尺度分别为276 m、198 m和375 m。硬阔叶林与杂木林的生物量组分和根冠比差异均不显著,但以胸高断面积(BA)为协变量,生物量组分差异显著。硬阔叶林和杂木林生物量组分与BA均呈极显著的线性正相关关系,BA可以解释总生物量和地上生物量空间变异的85%以上,表明局域尺度上BA可作为森林乔木生物量的预测因子。两种林型的生物量与优势高呈对数线性关系,但相关程度较低(R~20.41)。杂木林的各生物量组分与坡度显著正相关,但硬阔叶林的关系不显著。帽儿山落叶阔叶林乔木生物量受BA、优势高、林型、坡度和坡向共同驱动而存在空间变异,因此在整合通量塔与地面碳汇测量时需要考虑空间异质性。     

东北东部森林生态系统土壤呼吸组分的分离量化

对森林生态系统的土壤呼吸组分进行分离和量化,确定不同组分CO2释放速率的控制因子,是估测局域和区域森林生态系统碳平衡研究中必不可少的内容。采用挖壕法和红外气体分析法测定无根和有根样地的土壤表面CO2通量(RS),确定东北东部6种典型森林生态系统RS中异养呼吸(RH)和根系自养呼吸(RA)的贡献量及其影响因子。具体研究目标包括:(1)量化各种生态系统的RH及其与主要环境影响因子的关系;(2)量化各种生态系统RS中根系呼吸贡献率(RC)的季节动态;(3)比较6种森林生态系统RH和RA的年通量。土壤温度、土壤含水量及其交互作用显著地影响森林生态系统的RH(R2=0.465~0.788),但其影响程度因森林生态系统类型而异。硬阔叶林和落叶松人工林的RH主要受土壤温度控制,其他生态系统RH受土壤温度和含水量的联合影响。各个森林生态系统类型的RC变化范围依次为:硬阔叶林32.40%~51.44%;杨桦林39.72%~46.65%;杂木林17.94%~47.74%;蒙古栎林34.31%~37.36%;红松人工林33.78%~37.02%;落叶松人工林14.39%~35.75%。每个生态系统类型RH年通量都显著高于RA年通量,其变化范围分别为337~540 gC.m-2.a-1和88~331 gC.m-2.a-1。不同生态系统间的RH和RA也存在着显著性差异。     

森林生态系统碳循环的基本概念和野外测定方法评述

全球气候变化与森林生态系统碳循环息息相关,定量评估森林碳收支是生态系统与全球变化研究的重要任务。30年来森林生态系统碳循环研究已经取得了长足的进展,但全球和区域森林碳收支仍然存在很大的不确定性。这一方面与森林生态系统本身的复杂性有关,另一方面也与具体研究方法有关。评述了森林生态系统碳循环的基本概念和主要野外测定方法,为我国森林生态系统碳循环研究提供可参考的方法论。从生态系统碳浓度、密度、通量、分配和周转5个方面回顾了碳循环相关概念,指出碳浓度和碳储量是对碳库的静态描述,而碳通量和碳周转是对碳库的动态描述。净初级生产力是测量最普遍的碳通量组分,但大多数情况下因忽略了一些细节而被系统低估。普遍使用的净生态系统生产力,由于没有包含非CO2形式的水文、气象和干扰过程产生的碳通量,通常情况下高于生态系统净碳累积速率。在详细介绍碳通量组分的基础上,改进了森林生态系统碳循环的概念模型。重点讨论了碳通量的3种地面实测方法:测树学方法、箱法和涡度协方差法,并指出了其注意事项和不确定性来源。针对当前碳循环研究的突出问题,建议从4个方面减小碳循环测定的不确定性:(1)恰当运用生物量方程估算乔木生物量;(2)尽可能全面测定生态系统碳组分;(3)给出碳通量估算值的不确定性;(4)多种途径交互验证。