阔叶红松林6种阔叶树单个叶片叶面积和叶干质量的垂直变异及模型构建

快捷、准确地测定植物叶片尺度上的叶面积(LA)和叶干质量(LDM)对于探讨植物性状对气候变化的响应机制至关重要,但适于测定区域尺度上不同阔叶植物单个叶片LA和LDM的经验模型尚未提出.本研究以中国东北4个分布区阔叶红松林内的白桦、紫椴、山杨、枫桦、水曲柳和裂叶榆6种阔叶树种为研究对象,分别测定其不同冠层高度(上层、中层和下层)叶片的叶长、叶宽、叶厚、LA及LDM.以叶长与叶宽之比(叶长宽比)的中位数为标准将6种阔叶树分为两组,检验每组树种不同冠层高度对构建预测LA和LDM的经验模型是否存在显著影响;构建适于预测区域尺度上不同冠层单个叶片LA和LDM的经验模型,验证其预测精度;并进一步评估构建的经验模型预测其他区域相同阔叶树种LA和LDM的适用性.结果表明: 整体上6种阔叶树单个叶片的LA随冠层高度的降低呈显著增大趋势,而部分树种的LDM呈下降趋势;冠层高度对构建预测LA和LDM的经验模型具有显著影响;构建的经验模型预测两组阔叶树种不同冠层单个叶片LA和LDM的平均精度分别为95%和83%,且基于这些模型预测其他区域相应树种LA和LDM的平均精度分别为94%和80%,表明本研究构建的经验模型在我国东北区域具有普遍适用性.     

基于叶干质量比的杉木比叶面积估算模型的构建

随着叶片功能性状研究的不断深入, 通过简单易测量的叶片指标, 同时探究植物生活史权衡对策和估算林分生产力的研究需求日益增长, 例如叶干质量比(LDMC)和比叶面积(SLA)的相互转换。杉木(Cunninghamia lanceolata)是亚热带重要的常绿针叶树种, 基于LDMC对杉木SLA进行估算, 能够为核算SLA提供途径, 为机理解释和生产估算构建连接途径, 为小区域到大尺度、精算到估算搭建桥梁。该研究在湖南会同和河南信阳两个杉木生长区, 对处于不同小生境(坡向、坡位和冠层深度)以及不同生活史(林龄和叶龄)的叶片进行抽样和采集, 通过测得不同叶龄的单叶LDMC和SLA, 初步探究在不同因子下两个性状值的分布差异, 进一步基于LDMC构建SLA估算模型并讨论以叶龄为差分因子对模型的影响。结果表明: 1)杉木SLA平均值为(103.15 ± 69.54) cm ²·g ^-1, LDMC为0.39 ± 0.11; 2)杉木LDMC和SLA可用非线性模型进行估算, 模型符合估算要求; 3)其中一年生叶的拟合效果最好, 老叶(大于二年生叶)的拟合优度较低, 老叶较低的SLA (52.28-75.74 cm ²·g ^-1)可能暗示LDMC的变化保持相对独立性。该研究基于杉木LDMC的SLA估算模型可信且有效, 且不同叶龄对LDMC和SLA的影响可能预示着杉木叶片的响应敏感性和生活史权衡策略。     

小兴安岭三种林型叶面积指数的估测

利用Winscanopy2006冠层分析仪测定2009年7月初至11月初小兴安岭白桦次生林、谷地云冷杉林、阔叶红松林的有效叶面积指数(LAIe),并将经过木质部分所占比率、冠层水平集聚和簇内集聚校正的11月初LAIe作为真实叶面积指数(LAIt),结合凋落物法测定3种林型的LAIt及其季节动态.结果表明:调查期间,白桦次生林的LAIe在7月达到峰值(2.21),谷地云冷杉林、阔叶红松林的LAIe在8月达到峰值,分别为2.57、2.68.白桦次生林、谷地云冷杉林、阔叶红松林的LAIt均在7月达到峰值,分别为3.44、3.86、6.93;相对于本文探讨的方法,光学仪器所测定的LAIe在最高叶面积指数期分别低估33.1％、32.9％、66.0％;而在整个调查期内,谷地云冷杉林和阔叶红松林LAIe平均低估22.8％和56.5％,白桦次生林平均高估13.2％.     

小兴安岭三种林型叶面积指数的估测

利用Winscanopy2006冠层分析仪测定2009年7月初至11月初小兴安岭白桦次生林、谷地云冷杉林、阔叶红松林的有效叶面积指数(LAI_e),并将经过木质部分所占比率、冠层水平集聚和簇内集聚校正的11月初LAI_e作为真实叶面积指数(LAI_t),结合凋落物法测定3种林型的LAI_t及其季节动态.结果表明： 调查期间,白桦次生林的LAI_e在7月达到峰值(2.21),谷地云冷杉林、阔叶红松林的LAI_e在8月达到峰值,分别为2.57、2.68.白桦次生林、谷地云冷杉林、阔叶红松林的LAI_t均在7月达到峰值,分别为3.44、3.86、6.93;相对于本文探讨的方法,光学仪器所测定的LAI_e在最高叶面积指数期分别低估33.1%、32.9%、66.0%;而在整个调查期内,谷地云冷杉林和阔叶红松林LAI_e平均低估22.8%和56.5%,白桦次生林平均高估13.2%.
     

小兴安岭白桦次生林叶面积指数的估测

叶面积指数(LAI)是量化冠层结构最常用的参数之一,准确估测LAI对森林生态系统结构特性的研究具有重要意义.利用半球摄影图像法和LAI-2000法及半球摄影图像法结合凋落物法估测了小兴安岭白桦次生林LAI及其动态变化.首先对该林型叶凋落末期(11月初)的半球摄影图像进行合理校正(包括木质部分所占比例α,冠层水平集聚指数ΩE,校正值作为该时期常绿树种的真实LAI(LAIt),结合各调查期的凋落物数据,得到落叶季节(7-11月)的LAIt,并以该值为参考值,对比分析了两种光学仪器法估测值.结果表明:两种光学仪器法在LAI最大时期低估(分别低估2.83％、6.20％),其他时期显著高估(平均高估118.13％、89.34％),但两种光学仪器法与探讨方法估测值存在很好的相关性:LAIt=-1.1393+1.0934·LAIHP,R2=0.80; LAIt=-0.1712+0.6259·LAILAI-2000,R2=0.83.研究结果可为将来方便、快捷、准确的估测白桦次生林的LAI提供参考.     

一类阔叶树叶面积的通用公式测算法

本文在观察和测算的基础上,提出了一类阔叶树的叶形方程,并对方程进行积分,求出了计算这类阔叶树叶面积的通用公式。从1980年应用至今证明,用这个通用公式计算这类阔叶树的面积,方便、简捷、精度高,现介绍如下。     

利用凋落物法和林木因子模拟小兴安岭阔叶红松林叶面积指数

叶面积指数(LAI)是研究森林生态系统生理生态进程中关键的结构参数之一。目前,凋落物法是在非破坏性条件下能直接测定森林生态系统LAI的最有效的方法,然而将凋落叶按树种分类增加了该方法的实施难度。平均优势度模型、林分优势度模型和局域优势度模型基于凋落物法和林木因子(如胸高断面积basal area,BA;坐标)能精确地预测落叶阔叶林的LAI,而这些模型是否适用于针阔混交林仍未进行验证。以小兴安岭阔叶红松林(Pinus koraiensis)为研究对象,先利用凋落物法测定其LAI,依此为参考对3种模型预测LAI的有效性进行验证,并以红松、冷杉(Abies nephrolepis)、紫椴(Tilia amurensis)、五角槭(Acer mono)、枫桦(Betula costata)和裂叶榆(Ulmus laciniata)为例,探讨了基于凋落物法测定的LAI与BA的相关关系。结果表明:平均优势度模型不适于预测针阔混交林的LAI;林分优势度模型预测效果较好,精度达86%;局域优势度模型预测效果最优,精度高于90%。然而,为准确测定阔叶红松林的LAI,应最少选择测定8个主要树种的比叶面积。基于凋落物法测定的6个树种的LAI与其BA均显著相关(P0.01),最小R2为0.67。研究结果可为快速、准确地测定针阔混交林的LAI提供依据,为非破坏性条件下建立树种的LAI与其BA的相关关系提供参考。     

阔叶树的叶形曲线方程：—适于叶面积计算的数学模型

树木的叶形可以看作一个平面几何图形。这种几何图形可用解析方程给予表达,我们把这种解析方程称为叶形曲线方程。由于叶形是一个左右对称,而上下不对称的图形,也就是说叶的最宽处绝大多数不在叶的中部,少数在     

气候变化对小兴安岭主要阔叶树种地上部分固碳速率影响的模拟

运用LANDIS Pro 7.0模型,模拟了2000—2200年小兴安岭地区10个阔叶树种地上部分生物量在当前气候条件和不同气候变化情景下的变化状况,并结合各树种的含碳率计算各树种的地上部分固碳速率.结果表明: 在模拟初始年份,水曲柳、黄檗、蒙古栎、春榆、色木槭的生物量低所占比例小,枫桦、白桦、山杨生物量较大所占比例较高.先锋树种白桦和山杨的固碳速率在模拟中后期出现先下降后上升的过程;其他阔叶树种的固碳速率变化规律较复杂,蒙古栎和紫椴的固碳速率在整个模拟阶段分别在-0.05～0.25和0.16～1.29 t·hm^-2·(10 a)^-1范围内波动,水曲柳、春榆、色木槭和枫桦的固碳速率在模拟中后期呈先上升后下降的趋势.在模拟的第2(2050—2100年)和第4阶段(2150—2200年),黄檗、黑桦在不同气候变化情景间的固碳速率存在显著差异,其他树种的固碳速率在不同气候条件间无显著差异.小兴安岭地区阔叶树种地上部分固碳速率对未来气候的敏感性存在差异.不同气候变化情景的不确定性对大多数森林乔木树种地上部分固碳速率不会造成显著差异,且气候对森林固碳速率的影响存在时滞效应.     

4种阔叶树种叶中氮和磷的季节动态及其转移

从叶完全展开到生长季结束 ,对常绿阔叶树种日本米槠 (Castanopsis cuspidata(Thunb.) Schottky)和具柄冬青 (Ilexpedunculosa Miq)及落叶阔叶树种栎 (Quercus serrata Murr.)和栓皮栎 (Quercus variabilis Blume)叶片的 N和 P浓度、含量和养分转移进行了测定 .在生长期中日本米槠新叶的 N浓度在 5月为 36 .6 g/ kg,然后降到 15 .5和 17.5 g/ kg之间 ,其老叶的N浓度波动于 10 .4和 13.1g/ kg的范围内 ,而具柄冬青新叶的 N浓度从 2 7.3下降到 16 .0 g/ kg,接着上升到 18.3g/ kg,其老叶的 N浓度在 12 .0到 15 .5 g/ kg的范围内。栎和栓皮栎的叶 N浓度分别从 2 8.8下降到 18.1g/ kg和从 2 8.5下降到17.5 g/ kg。日本米槠新叶的 N含量从 1.5 4下降到 1.35 g/ m2 ,接着上升到 1.5 0 g/ m2 ,其老叶 N含量从 1.36下降到1.0 0 g/ m2 ,接着上升到 1.2 1g/ m2 ,而具柄冬青新叶的 N含量从 2 .2 5下降到 1.6 0 g/ m2 ,接着上升到 2 .2 0 g/ m2 ,其老叶的 N含量从 2 .13下降到 1.6 5 g/ m2。栎和栓皮栎的叶 N含量分别从 2 .10下降到 1.2 8g/ m2和从 2 .95下降到 2 .13g/ m2。日本米槠新叶的 P浓度由 3.39g/ kg降到 1.12和 1.15 g/ kg之间 ,其老叶的 P浓度变化于 0 .6 6和 0 .88g/ kg的范围内 ,而具柄冬青新叶的     

地形对典型阔叶红松林叶面积指数分布的影响

基于小兴安岭丰林国家级自然保护区阔叶红松林30 hm²监测样地,利用叶面积指数(LAI)与胸高断面积间的经验模型计算样地内主要树种及所有树种的总LAI,研究海拔、坡度、坡向和曲率4种地形因子对LAI分布的影响,以及对LAI分布的综合作用. 结果表明: 4种地形因子对红松、冷杉、紫椴、裂叶榆和五角槭5种主要树种LAI的分布均存在显著影响,而坡向对枫桦LAI的分布存在显著影响;4种地形因子对所有树种总LAI的分布具有显著影响. 将样地划分为山脊、阳坡、山谷阳面、阴坡和山谷阴面5种生境类型.生境类型对所有树种总LAI的分布存在显著影响,其中山脊LAI显著高于其他生境类型,均值为8.85;阳坡的LAI次之,均值为7.62;山谷阳面和阴坡的LAI不存在显著差异;而山谷阴面的LAI最小,均值为4.42.     

Non-destructively predicting leaf area,leaf mass and specific leaf area based on a linear mixed-effect model for broadleaf species

Based on a linear mixed-effect model, we propose here a non-destructive, rapid and reliable way for estimating leaf area, leaf mass and specific leaf area (SLA) at leaf scale for broadleaf species. For the construction of the model, the product of leaf length by width (LW) was the optimum variable to predict the leaf area of five deciduous broadleaf species in northeast China. In contrast, for species with leaf thickness (T) lower than 0.10 mm, the surface metric of a leaf (e.g., LW or width) was more suitable for predicting leaf mass; and for species with leaf thickness larger than 0.10 mm, the volume metric of a leaf (e.g., the product of length, width and thickness together, LWT) was a better predictor. The linear mixed-effect model was reasonable and accurate in predicting the leaf area and leaf mass of leaves in different seasons and positions within the canopy. The mean MAE% (mean absolute error percent) values were 6.9% (with a scope of 4.1–13.0%) for leaf area and 13.8% (9.9–20.7%) for leaf mass for the five broadleaf species. Furthermore, these models can also be used to effectively estimate SLA at leaf scale, with a mean MAE% value of 11.9% (8.2–14.1%) for the five broadleaf species. We also propose that for the SLA estimation of the five broadleaf species examined, the optimum number of sample leaves necessary for good accuracy and reasonable error was 40–60. The use of the provided method would enable researchers or managers to rapidly and effectively detect the seasonal dynamic of leaf traits (e.g., leaf area, leaf mass or SLA) of the same sample leaves in the future.     

小兴安岭谷地云冷杉林的碳密度与生产力

采用样地清查和异速生长方程法,量化了处于衰退状态的小兴安岭谷地云冷杉林的森林碳密度和生产力.结果表明： 2011年森林碳密度总量为268.14 t C·hm^-2,其中植被碳密度、碎屑碳密度和土壤碳密度分别为74.25、16.86和177.03 t C·hm^-2.2006—2011年,乔木层碳密度从80.86 t C·hm^-2减少到71.73 t C·hm^-2,主要树种冷杉、白桦、云杉和兴安落叶松的碳密度年均减少比例分别为0.5%、1.2%、2.7%和3.7%,毛赤杨、红松和花楷槭的碳密度年均增加比例分别为2.9%、3.9%和7.2%.森林净初级生产力(NPP)为4.69 t C·hm^-2·a^-1,地下部和地上部NPP比值为0.56,凋落物损失部分是总NPP的最大组分,所占比例为34.5%.森林生态系统中2个主要碳输出途径异养呼吸和粗木质残体分解的年通量分别为293.67和119.29 g C·m^-2·a^-1.森林净生态系统生产力(NEP)为55.90 g C·m^-2·a^-1.研究结果表明,处于衰退状态的谷地云冷杉林仍具有一定的碳汇功能.     

地形对阔叶红松林幼苗更新的影响

依托黑龙江凉水国家级自然保护区9 hm²典型阔叶红松林动态监测样地的900个2 m×2 m多年生幼苗(H≥30 cm,DBH<1 cm)样方,基于2006、2008和2010年3次调查数据,分析了地形对幼苗建立的影响.结果表明: 样地内共有乔木幼苗26种,2006、2008和2010年的乔木幼苗总数分别为4514、6464和5611株·hm^-2.其中个体数前10位树种的幼苗数量占幼苗总数的90%以上.地形对8个主要乔木幼苗的分布有显著的影响,其中暴马丁香、冷杉、色木槭、春榆、花楷槭、紫椴和青楷槭幼苗与其成树分布基本一致,而红松幼苗的空间分布与成树分布有所不同.暴马丁香、冷杉、裂叶榆、青楷槭和紫椴幼苗的死亡与地形显著相关.暴马丁香、春榆、红松、冷杉、水曲柳、色木槭和紫椴新增幼苗与地形显著相关.
     

Biomass carbon density and carbon sequestration capacity in seven typical forest types of the Xiaoxing’an Mountains,China

森林生物碳储量作为森林生态系统碳库的重要组成部分,在全球碳循环中发挥着重要作用。以小兴安岭7种典型林型为研究对象,通过外业样地调查与室内实验分析相结合的方法,从林分尺度对林分生物量与碳密度进行计量,分析了林分生物碳储量的空间分配格局,并对林分年固碳能力与碳汇潜力进行了探讨。结果表明:小兴安岭不同林型从幼龄林到成熟林的乔木层碳密度增长速率为:蒙古栎(Quercus mongolica)林>兴安落叶松(Larix gmelinii)林>云冷杉(Picea-Abies)林>樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)林>山杨(Populus davidiana)林>红松(Pinus koraiensis)林>白桦(Betula platyphylla)林。7种典型林型不同龄组(幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林)林分生物量碳密度分别为:红松林31.4、74.7、118.4和130.2 t·hm–2;兴安落叶松林28.9、44.3、74.2和113.3 t·hm–2;樟子松林22.8、52.0、71.1和92.6 t·hm–2;云冷杉林23.1、44.1、77.6和130.3 t·hm–2;白桦林18.8、35.3、66.6和88.5 t·hm–2;蒙古栎林25.0、20.0、47.5和68.9 t·hm–2;山杨林19.8、28.7、43.7和76.6 t·hm–2。红松林、兴安落叶松林、樟子松林和蒙古栎林在幼龄林时林分年固碳量较高,其他林型在成熟林时林分年固碳量较高。7种典型林型不同龄组的林分生物量碳密度均随林龄增长而增加,但不同林型的碳汇功能存在差异,同一林型不同林龄的生物量碳密度增幅差异也较大。林分年固碳量在0.4–2.8 t·hm–2之间,碳汇能力较强、碳汇潜力较大。尤其是小兴安岭目前林分质量较差,幼龄林和中龄林所占的比重较大,具有较大的碳汇潜力。研究结果可为森林经营管理及碳汇功能评价提供参考。     

小兴安岭蒙古栎和黄菠萝径向生长对气候变化的响应比较

蒙古栎和黄菠萝是东北温带森林中重要的阔叶树种,探究二者对气候变化的响应关系能够为未来气候变化情境下东北阔叶林的经营、保护及恢复提供科学依据.本文在小兴安岭地区沿经度梯度设置3个采样点--海伦、铁力和伊春,运用树轮年代学方法建立了3个采样点蒙古栎和黄菠萝的标准年表,分析了其与当地气候因子的关系,揭示了蒙古栎和黄菠萝生长-气候关系的时空变异规律.结果表明: 研究区黄菠萝径向生长对生长季温度变化敏感,而蒙古栎径向生长受生长季温度和降水的共同限制作用.蒙古栎和黄菠萝对温度的响应存在差异: 春季均温升高抑制蒙古栎径向生长,而促进黄菠萝径向生长;夏季高温对蒙古栎径向生长的限制作用明显高于黄菠萝.随经度(水分)增加,蒙古栎径向生长与水分因子的关系逐渐减弱,而黄菠萝没有明显变化.树种生理特性是影响树木生长-气候关系的关键因素.1976年升温后,黄菠萝生长随温度升高而升高,但蒙古栎生长却随温度升高而呈下降趋势.升温造成的干旱胁迫可能是两树种生长响应差异及蒙古栎出现响应分异现象的重要原因.如果未来增温趋势持续或者加重,蒙古栎的生长可能会因干旱胁迫加剧而衰退,黄菠萝则不受影响或生长略微加快.     

Predicting the allometry of leaf surface area and dry mass

The manner in which increases in leaf surface area S scale with respect to increases in leaf dry mass M(t) within and across species has important implications to understanding the ability of plants to harvest sunlight, grow, and ultimately reproduce. Thus far, no mechanistic explanation has been advanced to explain why prior work shows that the scaling exponent governing the S to M(t) relationship is generally significantly less than one (i.e., S ∝ M(t)(α < 1.0)) such that increases in M(t) yield diminishing returns with respect to increases in S across most species. Here, we show analytically why this phenomenon occurs and present equations that predict trends observed in the numerical values of scaling exponents for the S vs. M(t) relationships observed across dicot tree species and two aquatic vascular plant species.     

小兴安岭阔叶红松林物种组成及主要种群的空间分布格局

研究了黑龙江省凉水国家自然保护区阔叶红松林的物种组成和径级结构,并应用点格局分析方法对其主要种群的空间分布格局及空间关联性进行了研究.结果表明: 该保护区内阔叶红松林中胸径≥1 cm的乔木共有16种,种群密度差异性很大,针叶树种红松和冷杉处于明显的优势地位;种群的径级结构近似倒“J”形,林分更新良好;主要种群的分布格局多呈聚集分布,只有红松在19～21 m和44 m尺度上以及青楷槭在接近所研究的最大尺度上时才呈现出随机分布.其中,红松在所研究尺度上一直都接近于随机分布,聚集强度也最小,冷杉、紫椴和青楷槭的分布格局都呈现出随机分布的趋势;除红松和冷杉在2～3 m的小尺度上,以及冷杉和青楷槭在37～81 m尺度上呈显著正相关外,其余种群的空间关联性均不显著.所有树种的总体联结关系均表现为不显著的正关联.