黄土高原人工刺槐林生长衰退的生态生理机制

刺槐是黄土高原广泛栽植的水土保持树种,然而人工刺槐林的树木个体生长衰退已经成为该区域开展植被恢复建设、实现森林可持续经营所面临的重大生态环境问题之一.目前人工刺槐林生长衰退的定义、界定标准、量化指标尚未形成统一标准.探讨刺槐生长衰退的机理不仅是植被恢复的理论基础,也是退耕还林还草工程持续开展的直接需求,具有实际价值和研究意义.通过汇集相关研究文献,综合国际和黄土高原关于森林生长衰退、死亡率增加的研究,从生态学(气候变化、土壤干化、群落结构失调、森林经营管理不当)和树木生理学(水力学故障、碳饥饿、遗传及分子调节)两个角度概述了黄土高原人工刺槐林生长衰退的机制以及取得的研究进展.最后提出黄土高原人工刺槐林生长衰退研究的不足,并对未来研究进行展望.     

黄土高原南北样带尺度人工刺槐林对气候响应的敏感性分析

根据黄土高原南北样带尺度的人工刺槐林(Robinia pseudoacacia)的年轮宽度资料,分析了该地区刺槐树木生长趋势,以及刺槐年表对气候响应随降雨梯度变化规律。研究结果表明延安以北的刺槐样点(绥德、神木)年轮指数近期趋于下降,树木有生长衰退现象;而延安以南刺槐样点(延安、富县、宜君、永寿)年轮指数近期趋于上升,树木无生长衰退现象。气候响应结果表明,刺槐年表对气候响应均以延安样点最为敏感,表现年表与温度的负相关关系,以及年表与降雨和干旱指数的正相关关系,而延安以北和以南刺槐样点对气候响应敏感性均较低。黄土高原中部延安地区地处森林草原过渡带,刺槐生长对外界环境变化最为敏感,年表中气候信号也较强;延安以南地区地处森林植被带,气候条件较为适宜刺槐林生长,因而年表中气候信号较弱;延安以北地区地处草原植被带,气候条件比较恶劣,刺槐生长对干旱气候已有一定适应性特征,因而年表中气候信号也较弱。     

紫色土流域次降雨条件下碳、磷非点源输出过程及其流失负荷

通过对位于川中丘陵区的紫色土流域在次降雨过程中溶解态有机碳(DOC)和不同形态磷素的输出进行动态监测,分析降雨过程DOC和P输出负荷,并探讨降雨径流对C、P迁移和水环境的影响。研究结果表明:(1)3次降雨共产生地表径流20399.8 m3,碳、磷输出负荷为83.19 kg和5.1 kg,次降雨过程径流C、P输出动态差异较大,其中径流DOC浓度随降雨历时的延长而降低,随后迅速升高,在达峰值后逐渐降低并趋于平稳。(2)降雨径流过程中磷素迁移主要以颗粒态(PP)为主,磷酸盐(PO3-4-P)是径流溶解态总磷(DTP)的主要存在形式,3次降雨PP输出负荷分别为1167.491、1891.331、984.74 g;PO3-4-P输出负荷分别为108.37、338.8、167.79 g。(3)3次降雨径流DOC输出浓度分别为3.37、4.77、6.97 mg/L,总磷(Total phosphorus,TP)输出浓度分别为0.11、0.43、0.74 mg/L;次降雨径流C/P比分别为192、48和42.1,相比于暴雨而言,大雨和中雨带来的水质问题需引起关注。     

北京东灵山辽东栎林树木生长对气候要素的响应特征

根据北京东灵山辽东栎(Quercus wutaishanica)的年轮宽度资料,分析了该地区树木生长在1951—2010年时段对气候要素的响应特征。相关分析表明,夏季干旱胁迫是限制东灵山辽东栎树木生长的最为重要的气候要素,主要体现在与夏季(7—9月)温度的负相关关系和夏季降雨(7月)的正相关关系,另外春季(5月)温度对树木生长也有一定的限制性影响;年表与生长季节干旱指数普遍呈正相关关系,进一步证实了干旱胁迫对树木生长的限制性作用。滑动相关分析表明,年表与夏季温度负相关关系及与夏季降雨的正相关关系在近期趋于增强,这表明夏季干旱胁迫对树木生长影响作用有不断加强的趋势。辽东栎林是北京东灵山温带落叶阔叶林的优势群落,在暖干化气候不断发展背景下,辽东栎林生长的干旱胁迫效应将更加突出,对北京东灵山地区森林的生产力及固碳能力产生负面影响。     

黄土丘陵区不同恢复年限人工刺槐林土壤水分时空动态及其时间稳定性

以空间代时间的方法研究不同恢复年限对人工刺槐林土壤水分时空动态及其时间稳定性的影响,对于了解人工刺槐林在生态恢复过程中的土壤水分动态特征具有重要意义。基于长期定位观测,选取黄土丘陵沟壑区15、20、30、35 a等4个恢复年限人工刺槐林,自2014年5月至2018年10月每年生长季（5-10月）开展土壤水分自动观测。研究结果如下：（1）不同恢复年限刺槐林土壤水分差异显著,刺槐林土壤储水量随恢复年限增加呈现先增加后降低的趋势,排序依次为30 a（184.9 mm） > 20 a（184.6 mm） > 35 a（150.8 mm） > 15 a（128.8 mm）;不同恢复年限刺槐林土壤水分的时空分布特征差异明显,土壤水分变异性随土层增加而降低,但不随恢复年限而有规律的变化;土壤水分主要受到降水以及植被生长的影响,其变异性的时空格局也说明随土壤深度增加土壤水分的稳定性随之增加;（2）通过相对差分分析不同恢复年限刺槐林土壤水分时间稳定性,确定15、20、30、35 a的代表深度分别为80、100、80、150cm土层,都属于与100cm相近的土壤深度;（3）Spearman秩相关分析显示,上土层与下土层的土壤水分的时间稳定性特征差异明显;（4）线性回归与纳什系数结果表明通过相对差分与时间稳定性指数得到土壤水分代表深度的结果是可接受的,其中15 a恢复年限刺槐林的结果最好,决定系数R²和纳什系数NSE分别可达0.91和0.82,但总体结果仍存在误差,在区域土壤水分模拟时需考虑这一不确定性。（5）灰色关联分析表明,土壤质地（砂粒）,土壤总氮、土壤容重、土壤有机碳、土壤总孔隙度以及坡度是不同恢复年限刺槐林土壤水分时间稳定性主要影响因素。     

黄土高原羊圈沟小流域人工物种和自然物种径向生长对气候变化的响应差异

为揭示黄土高原人工和自然物种径向生长对气候变化的响应差异,在延安羊圈沟小流域分别获取人工和自然物种的树木年轮材料并构建标准年表,其中人工物种为刺槐(Robinia pseudoacacia)和柠条(Caragana korshinskii),自然物种为山杏(Armeniaca sibirica)和荆条(Vitex negundo var.heterophylla),并对年表中的气候信号进行了统计分析。结果表明:1)人工物种年表中的气候信号较强,主要表现在5—8月份,与温度呈负相关关系(刺槐:r=-0.427—-0.511,P0.05;柠条:r=-0.227—-0.738,P0.05),与降雨则呈正相关关系,但相关系数未达到显著性水平;自然物种年表中的气候信号较弱,与温度和降雨的相关关系均较低;2)不同于自然物种,人工物种树轮年表还与去年夏季(7—9月份)温度(负相关)和降水(正相关)存在相关关系,表明人工物种树木生长对气候因子存在一定滞后性;3)人工物种树轮年表与PDSI干旱指数在各月份均维持正相关关系,在生长季(刺槐4—9月、柠条4—8月)达到显著水平(刺槐:r=0.481—0.704,P0.05;柠条:r=0.314—0.610,P0.05);而自然物种年表与PDSI干旱指数的相关关系较弱,均未达到相关性水平。从各年表与气候要素(温度、降雨、PDSI)响应强度来看,黄土高原人工物种树木生长受水分胁迫显著,且以刺槐最为明显,其次是柠条;自然物种树木生长则没有明显干旱胁迫的影响,仅山杏生长受一定水分胁迫影响,荆条生长则与各气候要素关系较弱,水分胁迫对其生长的影响已很小。本研究的结果表明黄土高原人工物种生长明显受到水分条件限制,而自然恢复物种生长则受水分条件影响较小,能适应黄土高原干旱半干旱气候条件。