落叶松人工林细根动态与土壤资源有效性关系研究

 树木细根在森林生态系统C和养分循环中具有重要的作用。由于温带土壤资源有效性具有明显的季节变化,导致细根生物量、根长密度（Root length density, RLD）和比根长（Specific root length, SRL）的季节性变化。以17年生落叶松（Larix gmelini）人工林为研究对象,采用根钻法从5月到10月连续取样,研究了不同土层细根（直径≤2 mm）生物量、RLD和SRL的季节动态,以及这些根系指标动态与土壤水分、温度和N有效性的关系。结果表明：1） 落叶松细根年平均生物量（活根+死根）为189.1 g·m-2·a-1,其中50%分布在表层（0～10 cm）,33%分布在亚表层（11～20 cm）,17%分布在底层（21～30 cm）。活根和死根生物量在5～7月以及9月较高,8月和10月较低。从春季（5月）到秋季（10月）,随着活细根生物量的减少,死细根生物量增加;2）土壤表层（0～10 cm）具有较高的RLD和SRL,而底层（21～30 cm）最低。春季（5月）总RLD和SRL最高,分别为10 621.45 m·m-3和14.83 m·g-1,到秋季(9月)树木生长结束后达到最低值,分别为2 198.20 m·m-3和3.77 m·g-1;3）细根生物量、RLD和SRL与土壤水分、温度和有效N存在不同程度的相关性。从单因子分析来看,土壤水分和有效N对细根的影响明显大于温度,对活根的影响大于死根。由于土壤资源有效性的季节变化,使得C的地下分配格局发生改变。各土层细根与有效性资源之间的相关性反映了细根功能季节性差异。细根 （生物量、RLD和SRL） 的季节动态（58%～73%的变异）主要由土壤资源有效性的季节变化引起。     

细根分解研究及其存在的问题

细根分解是陆地生态系统C和养分循环的重要环节。主要包括淋溶和破碎等物理过程和以生物作用为主的化学过程。这些过程受复杂的细根化学成分及外部土壤因子的综合控制,如细根本身养分含量、木质素和纤维素含量、土壤温度、水分、养分的有效性以及土壤动物、真菌和细菌等。但是,细根分解发生在不能直接观测的地下部分,人为改变细根分解的自然环境是研究过程中存在的主要问题。埋袋法虽然应用最为普遍,但是它严重地干扰了细根分解环境,导致低估分解速率。最近提出的原状土芯法(intact-core)克服了埋袋法的主要缺陷,是目前细根分解研究中最接近自然分解过程的研究方法,但也存在一些问题。因此,如何设计有效且能够真实的反映细根自然分解过程的试验方法是今后该领域研究最重要和最具挑战性的课题。     

绒毛白蜡二态型果实的扩散特征

多态型果实或种子的出现对植物种群的扩散具有重要的意义。绒毛白蜡(Fraxinus velutina)的果实具有二态型特征,主要表现在果翅数量上不同,分别定义为二翅型和三翅型果实,为了比较两类果实在风传扩散时的差异,研究了两类果实的形态、果翅结构和扩散距离及扩散时长。在大型封闭地下室内,以电扇在不同速度档位产生的气流作为风源,分别从2、1.5、1m处手动释放果实,对风速为0、4.6、6.5、7.3m/s时的果实扩散距离及扩散时长进行了比较;并在此基础上对果实的形态特征与扩散特征进行了线性相关分析。结果表明:在同一高度及相同风速下,三翅型果实的水平扩散距离都极显著的大于二翅型,但其相应的扩散时长都小于二翅型。在相同情况下,三翅型的果实沉降速度显著高于二翅型。两类果实随着释放高度的增加,其扩散距离和扩散时长都相应的增加;随着风速的升高,其扩散距离及扩散时长都相应的增加。三翅型果实质量显著高于二翅型,相反,三翅型果翅长与宽都显著小于二翅型。两种翅型的果翅细胞结构都一样,细胞内部都呈现气囊状,果翅表面沿纵轴方向有流线型的纵棱。通过直线相关分析发现,翅型是对扩散距离和扩散时长影响最显著的形态特征;与果实释放高度相比,风速是影响绒毛白蜡果实扩散距离与扩散时长最显著的环境因素。绒毛白蜡三翅型果实比二翅型果实传播的远,关键在于其具有三翅,三翅对阵风瞬间响应,使得沉降速度较二翅型高,可以在瞬时风的作用下,快速传播到较远的距离。三翅型与二翅型在扩散方式上的结合增强了绒毛白蜡的生存与定殖机会。     

采伐干扰对华北落叶松细根生物量空间异质性的影响

以华北落叶松天然林为研究对象,选择采伐干扰林分(样地A)和未采伐干扰林分(样地B),利用根钻法分3层(0—10cm,10—20cm,20—30cm)获取各径级细根(≤1mm、1—2mm、2—5mm3级活细根,≤2mm死亡细根)生物量数据。采用地统计学变异函数和经典统计相结合的数据分析方法对采伐干扰造成的细根生物量空间异质性的变化进行定量研究。主要研究结果如下:采伐干扰林分样地A各经级细根生物量均值减少;同一土层相同径级细根生物量样地A与样地B相比差异显著(P<0.05);不同土层的细根生物量异质性具有显著差别(P<0.05)。0—10cm土层,未采伐干扰林分≤1mm细根生物量呈现较明显的空间自相关变异,采伐干扰林分则表现为随机性变异特征,采伐干扰导致≤1mm细根生物量空间分布特征更加复杂(分维数D=1.978);10—20cm土层,采伐干扰林分各径级细根生物量异质性程度明显降低,只有未采伐干扰林分的5.4%—88.9%。20—30cm土层,未采伐干扰林分≤1mm细根生物量在较小尺度范围(<2.9m)表现出明显的空间自相关变异(结构方差比86.1%),受采伐干扰林分各径级细根生物量异质性程度只有未采伐干扰林分的8.9%—45.9%,且呈现随机性变异。各径级细根生物量空间异质性的垂直分异均表现为随土层深度的增加异质性强度明显降低。     

采伐干扰对林下草本根系生物量与土壤环境异质性关系的影响

结合统计学和地统计学的理论,探讨了采伐干扰对华北落叶松林下草本根系生物量空间异质性及与林下土壤含水量、全氮、硝态氮、铵态氮、pH及华北落叶松细根生物量空间异质性的关联性。结果表明,采伐干扰样地草本根系生物量为 31.17 g/m²,明显小于未干扰样地(72.01 g/m²);采伐干扰导致草本根系生物量更多地向表层积聚。0~10 cm土层,采伐干扰样地草本根系生物量的空间异质性(C₀+C=31330.0)和空间自相关性(C/C₀+C=92.5%)明显增强,表现出较强的空间依赖性。采伐干扰后,土壤水分、全氮、硝态氮和铵态氮对草本根系生物量的相关性增强;未采伐干扰样地华北落叶松细根生物量与草本根系生物量的相关性较强。     

麻栎种源林叶片碳、氮、磷化学计量特征的变异

结合林木育种方法,以3个麻栎种源试验林为研究对象,测定了29个麻栎种源叶片碳、氮、磷化学计量特征.结果表明: 地点(环境)显著影响叶片碳、氮、磷、碳氮比、碳磷比、氮磷比,解释量占总变异量的13.2%～66.7%,而种源(遗传)的影响并不显著,解释量只占总变异量的2.9%～11.0%.叶片氮与碳氮比、氮与氮磷比、磷与碳磷比、磷与氮磷比均具有显著的相关性,且无论是地点间还是东西部种源间均存在共同的标准化主轴斜率.表明在单一树种(麻栎)水平上,种源间具有相似的碳、氮、磷生化过程,其叶片化学计量特征主要受环境的影响;而化学计量特征在地点间和东西部种源间稳定的相关系数反映出叶片化学计量特征的特定耦合比例不受环境和种源的影响,支持化学计量学的内稳性理论.     

华北山地典型天然次生林群落的树种空间分布格局及其关联性

关帝山华北落叶松、云杉、杨桦天然次生林植被类型是华北高海拔地带代表性的森林类型。以该地区上述3种典型的天然次生林群落为例,运用点格局分析中的单变量O-ring统计方法,分析各群落主要树种的种群空间分布格局;用双变量O-ring统计方法,分析各群落中树种间的空间关联性;并对同一树种在不同森林群落类型中种群空间分布格局和种间关联性的变化进行比较,以探讨华北山地次生林群落空间格局形成和种群维持与动态机制。研究结果表明,(1)各种群在相对小的尺度上聚集分布特征明显,随尺度增加树木种群的聚集性减弱并逐渐表现出随机分布的格局特征;(2)同一树种在不同森林群落类型中空间分布格局差异很大。红桦、白桦和山杨在阔叶林中呈明显的小尺度聚集分布格局,而在针叶林群落呈随机分布。在阔叶次生林中混生的小龄级华北落叶松呈现聚集性空间分布格局。在华北落叶松为优势树种的针叶林中,大龄级的华北落叶松表现出小尺度上均匀分布和较大尺度上随机分布的格局特征;(3)各群落中树种间的空间关联性主要表现在小尺度范围,随尺度加大空间关联性逐渐不明显;(4)在阔叶树占优势的次生林,小龄级华北落叶松与桦木的分布有较明显的空间正关联性,而在华北落叶松为优势树种的针叶林,桦与华北落叶松并未表现明显的空间关联性。种群分布格局和种群间的空间关联性随群落结构、空间尺度和龄级结构不同而有较大变化。     

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。     

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。     

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.