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。     

发展林业碳汇推动三北防护林体系建设

三北防护林体系建设作为中国六大林业重点工程之一,30年来取得了巨大成就.但长期以来,工程建设资金不足一直困扰着工程发展.林业碳汇的兴起和快速发展,将对其产生重大影响.本文在对林业碳汇进行分析的基础上,提出了加快发展林业碳汇推动三北防护林体系建设的建议.     

东北次生林主要树种比叶面积对光照强度的响应

通过测定不同光照条件下（15％透光、30％透光、60％透光、全光）东北次生林主要树种（红松、红皮云杉、胡桃楸、水曲柳和黄波罗）的比叶面积,探讨了不同树种对光照变化的响应与适应。结果表明:不同树种比叶面积存在明显的差异,尤其是常绿针叶树种与落叶树种之间差异显著（P<0.001）,指示不同功能型树种存在不同的生存策略;随着光照强度降低,所有树种比叶面积呈现增加的趋势,尤其是弱光照（15％）和低光照（30％）相对于全光和中光照（60％）差异显著（P<0.05）;不同树种比叶面积随光照强度的变化幅度明显不同,且变化最显著的光照区域也有所不同;不同年龄红松比叶面积的变化趋势一致,但变幅不同,4年生幼苗对光照响应则更为明显。本研究结果表明,所有树种均能通过改变叶形态来适应光照条件的变化,在低光条件下通过增加单位质量叶面积,提高叶片光捕获能力;但各树种对光照强度变化的不同响应则表明树种之间不同的光适应机制,这对森林生态系统内部树种的共生具有重要意义;年龄较小的幼苗对光照的强响应指示其在植物更新过程中叶片水平上生理生态学机理研究中的重要性。     

植物对气候变化生理生态响应的不确定性分析

生态系统对全球气候变化的响应模式有利于人类预测与适应未来生态环境变化,植物作为陆地生态系统的重要组成部分,对全球气候变化的响应具有重要作用.本文通过对近年来植物对气候变化的生理生态响应研究中(包括定点控制实验,空间代替时间样带),植物响应模式的复杂性、多样性及可变性等诸多不确定性进行分析.以探讨预测未来气候情景下植物的动态变化及生理生态响应过程.分析结果认为.造成这些不确定性的主要原因包括:(1)利用空间代替时间的样带研究中,往往忽略了植物的非线性响应,存在明显的阈值;(2)样带及定点研究中,由于各种气候因子的耦合.很难确定各种气候因子对植物生理生态学特性影响的权重;(3)定点控制实验中往往忽略了植物对气候变化的适应性,使实验结果很难代表更长时间尺度上的反映模式;(4)在相同的气候变化条件下,不同植物的响应有可能存在明显差异.提出了今后植物对气候变化生理生态响应研究的建议.     

辽东山区次生林冠下红松生长与顶端透光环境的关系

通过调查3种不同人为干扰强度(轻度择伐、重度择伐和皆伐)下次生林林分结构及其冠下红松生长状况,应用全天空照片法测定红松(Pinus koraiensis)顶端的透光孔隙度,分析红松当年高生长量与顶端透光环境的关系.结果表明:以蒙古栎(Quercus mongolica)为建群种的皆伐样地林冠下,林分透光较强,以杂木阔叶林为主的轻度择伐样地和重度择伐样地林冠下,林分透光较弱;对29年生红松生长起主要阻碍作用的是下木层(≥10 m)阔叶树;在透光较好的皆伐样地内,红松当年高生长量均比透光较弱的轻度择伐样地和重度择伐样地高,红松当年高生长量与顶端林分透光孔隙度显著正相关(R2 =0.516,P＜0.01);为促进辽东山区次生林向阔叶红松林正向演替,应调控红松顶端林分透光孔隙度达30％以上.     

光环境对胡桃楸幼苗生长与光合作用的影响

为了解胡桃楸幼苗对光的需求及适应规律,采用Li-6400便携式光合测定系统研究了不同光环境处理（100%、60%、30％和15%自然光）条件下3年生胡桃楸幼苗（适应1年后）叶片光合能力的季节变化及其对光强的响应.结果表明：在春季,胡桃楸幼苗对光反应不敏感,夏季和秋季随着光强的增加,叶片的最大光合速率、最大羧化速率和最大电子传递速率均显著增加（P<0.05）.光饱和点随光强的下降而降低（P<0.05）,表观量子效率、暗呼吸速率和光补偿点在不同光环境下未发现显著差异.100%和60%自然光处理的幼苗相对生长率差异不显著,但是随着光强下降,相对生长率显著下降（P<0.05）,为60%>30％>15%自然光处理.胡桃楸幼苗对不同的光环境表现出较强的适应性和可塑性;同时,通过降低光饱和点和减少碳积累,也能适应15%～30％自然光环境.     

不同光环境对红松幼苗光合生理特征的影响

应用Li-6400P便携式光合测定系统于生长季（8月）测定了4种模拟光环境（100%、60%、30%和15%自然光强,分别记为FI、II、LI和WI）和3个实际光环境（林窗、林下和林缘,分别记为G、U和E）下3个苗龄红松（Pinus koraiensis）针叶气体交换参数和净光合速率（P_n）的日变化,以及单位叶面积叶绿素（Chl）含量和比叶质量（LMA）的变化。结果表明:3年和5年生红松在II和LI处理间的P_n基本一致,且均高于FI的P_n;7年生红松在FI处理下的P_n高于其他处理的P_n,各处理的P_n峰值均出现在13:00。3年和5年生红松在LI处理下的最大光合速率（A_max）和暗呼吸速率（R_d）均高于全光FI处理。随光强降低,LMA呈下降趋势,说明红松通过改变LMA的方式适应光环境的变化。3年和5年生红松II处理与G处理间的光合生理指标差异不显著(P>0.05）,LI和WI处理与E处理间同样如此,说明光环境模拟很好地反映了实际的光环境。通过对红松针叶生理生态指标的可塑性分析,得出3种不同苗龄红松可塑性的大小顺序为3年>5年>7年。表明随树龄增大,红松的需光性增加;3年和5年生红松在全光30%～60%条件下生长较好,7年生红松则是在全光下生长最好。     

极端降雨对辽东山区次生林土壤侵蚀与树木倒伏的影响

为了解次生林生态系统在极端降雨后的受灾情况,于2010年7-8月极端降雨后,对中国科学院沈阳应用生态研究所清原森林生态实验站内、不同立地次生林生态系统及无林地进行了全面调查与分析.结果表明:极端降雨对次生生态系统土壤产生了强烈的侵蚀,并造成树木的大量倒伏,同时诱发多处坡面型泥石流;受灾严重区多分布于坡度陡、高差大的林分;侵蚀沟和泥石流的数量与灌木盖度呈显著负相关;凋落物层对土壤侵蚀具有一定的抑制作用;不同树种倒木数量表现不同,其中水曲柳、桦树和落叶松的倒木数量较多;与有林地相比,无林地受灾程度更为严重.基于上述结果,讨论了极端降雨干扰对次生林生态系统结构、立地条件及演替模式等可能造成的影响.     

遮阴对黄波罗幼苗的光合特性及光能利用效率的影响

一直以来黄波罗(Phellodendron amurense)被认为是不耐阴树种, 然而引入美国纽约后, 发现它具有一定的耐阴性, 在全光和林下均能更新, 在纽约已经成为生物入侵种。为了探讨黄波罗的耐阴性问题, 通过设置自然光与遮阴(15%自然光)两种光环境, 观测了三年生黄波罗幼苗(遮阴1 a后)光合生理参数、光能利用效率、叶绿素和比叶重的变化。结果表明, 与自然光处理相比, 遮阴处理的黄波罗幼苗最大光合速率、表观量子效率和暗呼吸速率略有下降, 但差异不显著(p>0.05), 光补偿点下降显著(p＜0.05); 同时, 单位面积叶绿素含量无显著差异(p>0.05), 而单位干重叶绿素含量显著升高, 比叶重显著下降, 叶面积显著增大(p＜0.05)。上述结果说明: 遮阴的黄波罗幼苗通过降低光补偿点和暗呼吸速率利用环境中的弱光, 同时通过减小比叶重、增大叶面积和提高叶绿素b相对含量来增强对光的捕获, 使其在弱光时的光能利用效率提高。由此推断, 黄波罗幼苗能适应一定程度的遮阴。     

水分处理对沙地樟子松幼苗膜脂过氧化作用及保护酶活性影响

通过盆栽控水实验,模拟科尔沁沙地由东至西50年的年均降水量及最大、最小年降水量下的土壤水势,分析了不同水分处理(土壤水势分别为-16.18、-5.09和-4.50 bars,即A、B和C处理)对樟子松2年生幼苗膜脂过氧化产物[丙二醛(MDA)、脂膜相对透性(RC)和超氧阴离子自由基(O2-)产生速率]、渗透调节物质[可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)和脯氨酸(Pro)]和膜保护酶(SOD酶和POD酶)的影响.不同水分处理对樟子松幼苗针叶内的保护酶、渗透调节物质及膜脂过氧化的作用影响显著.随着土壤水势的降低,幼苗的SOD酶呈现微下降再升高的趋势;POD酶活性呈逐渐升高的趋势;幼苗的渗透调节物质(SS、SP和Pro)的含量均呈现上升趋势;3种水分处理的可溶性糖和可溶性蛋白含量上升的幅度最大,A处理分别是C处理的1.8倍和2.4倍,脯氨酸的含量持续积累;随干旱胁迫加重,MDA、RC和O2-产生速率均有明显上升趋势,以O2-产生速率上升幅度最大.这表明,樟子松幼苗通过体内的生理生化机制,尤其是增加渗透调节物质的含量,实现对干旱胁迫较强的忍耐性和较好的适应性.A处理针叶内的自由基大量积累和膜脂过氧化程度加重,对植物造成不可逆的损伤.