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%)。     

5个温带树种冠层枝叶非结构性碳水化合物浓度的空间变异

非结构性碳水化合物(NSC)是树木存活和生长的重要能源物质。冠层NSC不但是全树NSC的来源,也是全树NSC的重要储存库。然而,冠层NSC空间变异的研究较少,因而影响了树木NSC分配的估算精度。以红松(Pinus koraiensis)、兴安落叶松(Larix gmelinii)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、蒙古栎(Quercus mongolica)和白桦(Betula platyphylla)5个温带树种为研究对象,测定了不同高度冠层叶和细枝(直径≤3 cm)NSC浓度,分析了粗枝(一级侧枝)枝皮、边材和心材NSC浓度轴向变化及其与枝径的关系。结果表明:(1)除了5月末兴安落叶松树冠中层叶淀粉浓度显著高于树冠下层,以及8月中旬树冠上层叶可溶性糖浓度显著高于树冠中层之外,其他树种冠层叶NSC浓度的垂直变化不显著。常绿树种红松叶龄对NSC浓度的影响在生长季中期显著,但在生长季末期和休眠季节的影响不显著。(2)除了5月末红松树冠上层细枝可溶性糖浓度显著高于树冠中层之外,其他树种不同高度冠层间细枝NSC浓度差异不显著。(3)在纵向上,阔叶树种蒙古栎、水曲柳和白桦粗枝的枝皮、边材和心材NSC浓度多随着距树枝基部距离的增加而升高;在径向上,NSC浓度(除了水曲柳边材淀粉和白桦枝皮淀粉之外)多随着枝径增加而降低,表明树枝中的NSC浓度随着远离碳源而降低。总体上,5个温带树种冠层叶、细枝NSC浓度的空间变异不显著,但枝径和叶龄对NSC浓度的影响因树种、组织和季节而异,这在未来研究中应予考虑。     

三种温带树种非结构性碳水化合物的分配

树体中的非结构性碳水化合物(NSC)浓度、含量及其分配反映了树木整体的碳供应状况, 是决定树木生长和存活的关键因子, 也是构建树木碳平衡模型的关键参数。温带树种的NSC尚缺乏系统研究。该文测定了特性各异的3种温带树种在生长盛期的NSC及其组分的浓度和含量以及分配格局的种间种内变异。结果表明, NSC及其组分的浓度在树种和组织之间差异显著, 可溶性糖、淀粉和总NSC浓度分别在0.65-8.45、1.96-5.95和3.00-13.90 g·100 g^-1 DM之间波动。NSC及其组分含量的大小依次为: 兴安落叶松(Larix gmelinii) >蒙古栎( Quercus mongolica) >红松( Pinus koraiensis), 其中叶和根中的浓度较高。树干中的NSC及其组分浓度的纵向变化不显著, 但其心材与边材之间的浓度差异却随树种和NSC组分而异, 表现为心边材的可溶性糖浓度差异不显著, 但其淀粉和总NSC浓度差异显著。不同直径根系的NSC及其组分浓度在2种针叶树种中差异不显著, 但在蒙古栎中差异显著。蒙古栎将可溶性糖主要投资到地上生长, 而2种针叶树将更多的可溶性糖投资到根系生长。淀粉的主要储存库为树干, 其在树体内的分布格局与可溶性糖正相反, 因而使总NSC在树根和树枝中的分配趋于较平衡状态。在树干中, 除了2种针叶树的可溶性糖库以边材为主外, 心材是淀粉和总NSC的主要储存库。在树根中, 粗根是NSC及其组分的优势储存库。该研究中3种温带树种的NSC及其组分的浓度和含量的种间和种内变化, 反映了这些树种的生长对策和体内碳源汇强度的差异。     

中国科学院清原森林生态系统观测研究站塔群平台的功能和应用

森林生态系统结构与生态服务功能关系是森林生态学和林学的永恒研究主题。受传统森林调查方法及技术手段的限制,对复杂地形下森林生态系统结构和功能的监测及二者关系的研究面临诸多挑战。在中国科学院野外站网络重点科技基础设施建设项目的支持下,中国科学院清原森林生态系统观测研究站在独立流域内建成了以观测塔群(三座观测塔覆盖各自子流域代表性森林类型)为主体,集激光雷达(LiDAR)、通量仪器、水文站网、固定标准地和数据中心为综合体的“次生林生态系统塔群激光雷达监测平台”(简称塔群平台)。塔群平台采用激光雷达扫描获取森林点云数据,描述森林生态系统的全息三维结构;依托独立流域/子流域内的通量监测系统、水文监测站网和通量源区内的长期固定标准地,可保证碳-水过程观测的可靠性,并用于验证复杂地形下的通量监测技术与方法,揭示森林生态水文与碳交换过程,准确估算森林生态系统主体生态服务功能(水源涵养和固碳)。所有“塔-站”数据通过无线网络实时汇集于数据中心,便于数据监视、管理与共享。此外,塔群平台将侧重研究森林生态系统结构量化的新方法和新指标,探索复杂地形森林生态系统中H₂O/CO₂/痕量气体通量观测的理论与方法,为阐明森林结构与功能的关系、服务于森林生态系统管理提供基础数据。     

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.     

3个温带阔叶树种根系长期分解速率研究

根系分解对土壤碳固持和养分长期有效性具有重要意义,但目前对根系的长期分解模式仍知之甚少。比较3个温带阔叶树种不同直径根系7 a分解动态,可为生态过程模型提供数据支撑。在帽儿山生态站采用分解袋法对白桦（Betula platyphylla）、春榆（Ulmus davidiana var.japonica）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）的5个直径等级（< 1 mm）、（1-2 mm）、（2-5 mm）、（5-10 mm）、（10-20 mm）根系进行了7 a野外分解实验。重复测量方差分析表明：时间、树种、直径与树种交互作用、树种与时间交互作用显著影响根系质量保持率。根系质量保持率随时间呈指数下降趋势,7 a间根系经历早期快速分解和后期慢速分解两个阶段,实验结束时根系仍剩余相当部分的初始质量（24%-56%）。利用Olson指数衰减模型估计各树种根系分解系数发现：白桦根系分解系数与根直径间具有显著的线性正相关关系,水曲柳具有显著对数正相关关系,春榆的关系不显著。3个树种短期分解系数均高估根系分解速率,而且不能完全代表长期分解系数的种内、种间差异。研究结果对理解根系长期分解速率随直径变化模式提供了数据支撑。     

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.     

白桦和紫椴树干非结构性碳水化合物的空间变异

以中国东北温带森林两个散孔材树种白桦和紫椴为对象,研究落叶后树干木质部中非结构性碳水化合物(NSC)浓度的空间变异.结果表明: 两种树种的可溶性糖与淀粉的总和(TNC)与可溶性糖浓度均随树干径向深度增加而缓慢下降,淀粉的径向变化不明显,即使在树干径向深处仍存有大量的NSC.两种树种树干的TNC、可溶性糖和淀粉浓度从根颈到胸高降低,之后逐渐升高,最大值出现的高度因树种和TNC组分而异.两种树种树干糖淀粉比值的纵向变化趋势为：白桦随树干升高而增大,紫椴则随之减小.树干NSC储量估算的误差主要来源于NSC浓度的纵向变化,其次是径向变化.喜光树种白桦的树干TNC浓度(1.0%干质量)显著低于耐阴树种紫椴(4.3%干质量),可能与其生活史对策差异有关.采用考虑了树干NSC纵向和径向变化的取样方法,可以有效地降低树木或林分水平上NSC储量估算的不确定性.
     

基于不同浓度变量的温带落叶阔叶林CO2储存通量的误差分析

利用帽儿山温带落叶阔叶林通量塔8层CO2/H2O浓度廓线的测定数据,比较分析了基于不同浓度变量[密度(ρc)、摩尔分数(cc)和混合比(χc)]计算CO2储存通量(Fs)的误差.结果表明:通量观测的控制体积内部干空气储存量不为常数,其波动可引起CO2分子进出控制体积,即干空气储存通量调整项(Fsd)的变化.在夜间以及昼夜转换期,Fsd相对于涡动通量而言较大,忽略Fsd将为森林与大气之间净CO2交换量的计算带来误差.大气水热过程对Fs计算引起的误差包括3方面:空气温度变化引起的误差最大,比大气压强(P)的影响高1个数量级;水蒸气的影响在温暖湿润的夏季大于P的影响,但在寒冷干燥的冬季则相反;P的效应在全年均较低.基于ρc、cc和χc计算Fs分别平均高估CO2有效储存通量(Fs_E)8.5%、0.6%和0.1%.在通量计算过程中,建议选择对大气水热过程守恒的χc计算Fs.     

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。