气候变化和林火干扰对大兴安岭林区地上生物量影响的动态模拟

预测森林地上生物量对气候变化和林火干扰的响应是陆地生态系统碳循环研究的重要内容,气温、降水等因素的改变和气候变暖导致林火干扰强度的变化将会影响森林生态系统的碳库动态.东北森林作为我国森林的重要组成部分,对气候变化和林火干扰的响应逐渐显现.本文运用LANDIS PRO模型,模拟气候变化对大兴安岭森林地上生物量的影响,并比较分析了气候变暖对森林地上生物量的直接影响与通过林火干扰强度改变所产生的影响.结果表明: 未来气候变暖和火干扰增强情景下,森林地上生物量增加;当前气候条件和火干扰下,研究区森林地上生物量为(97.14±5.78) t·hm^-2;在B1F2预案下,森林地上生物量均值为(97.93±5.83) t·hm^-2;在A2F3预案下,景观水平第100～150和150～200年模拟时期内的森林地上生物量均值较高,分别为(100.02±3.76)和(110.56±4.08) t·hm^-2.与当前火干扰相比,CF2预案(当前火干扰增加30%)在一定时期使景观水平地上生物量增加(0.56±1.45) t·hm^-2,CF3预案(当前火干扰增加230%)在整个模拟阶段使地上生物量减少(7.39±1.79) t·hm^-2.针叶、阔叶树种对气候变暖的响应存在差异,兴安落叶松和白桦生物量随气候变暖表现为降低趋势,而樟子松、云杉和山杨的地上生物量则随气候变暖表现出不同程度的增加;气候变暖对针阔树种的直接影响具有时滞性,针叶树种响应时间比阔叶树种迟25～50年.研究区森林对高CO₂排放情景下气候变暖和高强度火干扰的共同作用较为敏感,未来将明显改变研究区森林生态系统的树种组成和结构.     

停止商业性采伐对大兴安岭森林结构与地上生物量的影响

采伐是北方森林最主要的人为干扰之一,过去高强度采伐导致森林植被组成单一化和均质化。为提高森林的生态功能和经济效益,国家先后于2000年实施"天然林资源保护工程"、2014年实施全面停止天然林商业性采伐。为评价这两种政策下不同的采伐干扰对森林的直接影响,以大兴安岭林区为研究对象,采用空间直观景观模型LANDIS PRO,模拟比较2000—2100年"天然林资源保护工程"、全面停止商业性采伐政策下森林树种组成、年龄结构及森林地上生物量的长期变化特征及其差异性。研究结果表明:1)模型初始化的林分密度、地上生物量与2000年野外调查数据相吻合(P0.01),模型模拟结果具有较高的可靠性;2)对比分类经营,全面停止商业性采伐的实施:增大了优势树种(落叶松与白桦)的树种组成比例,减小了保护树种(云杉与樟子松)的比例;对树种组成在中长期影响显著(P0.05),降低了树种组成结构的多样性;总体上增加了林分平均胸高断面积,减小了林分密度;3)模型模拟100年,全面停止商业性采伐下中幼龄林向成熟林过渡,改善森林年龄结构;4)与分类经营相比,整个模拟时期内全面停止商业性采伐增加森林地上生物量,提高森林恢复速率,有助于森林地上总生物量的恢复与累积。但保护树种(云杉与樟子松)森林地上生物量在一定程度上有所下降,不利于提高珍贵树种的丰度。对评估森林管理方案在森林资源恢复上的作用和有效实施森林生态系统管理有重要的参考意义。     

大兴安岭呼中林区虫害与火干扰交互作用的长期模拟

虫害和林火是森林生态系统的两种主要干扰类型,各种干扰在大时空尺度上存在一定的交互作用.本文采用空间直观景观模型LANDIS模拟虫害和林火在300年内的交互作用.结果表明:虫害干扰降低了细可燃物载量,提高了模拟前期(0～100 a)和中期(100～200 a)的粗可燃物载量,降低了模拟前期和中期的林火频率,不同干扰预案模拟后期(200～300 a)火烧频率的结果比较接近;虫害干扰降低了模拟前期和后期的火烧强度,增加了模拟中期的火烧强度,提高了模拟中期的森林火险等级,降低了模拟前期和后期的火险等级.人类灭火可增加虫害的发生面积,因此建议森林管理部门采取适当的防虫措施,不可只注重灭火,可以采取可燃物去除和计划火烧等方式管理林火,促进森林生态系统的可持续发展.     

模拟分类经营对小兴安岭林区森林生物量的影响

运用空间直观景观模型LANDIS 7.0 PRO,模拟了在当前采伐模式和无采伐两个预案下,小兴安岭林区森林生物量及主要树种生物量在2000—2200年间的动态。模拟结果如下:(1)无采伐预案下,森林生物量由最初的93.6 t/hm2逐渐升高,90a后达到最大值258 t/hm2,之后森林生物量在245 t/hm2上下小幅波动;(2)前100a采伐预案会明显降低森林生物量,与无采伐预案相比森林生物量最大可降低21.4 t/hm2,平均减少14.7 t/hm2;后100a采伐对森林生物量的影响逐渐减弱,森林生物量平均减少2.6 t/hm2;(3)当前采伐模式促进保护树种红松和紫椴生长,其生物量分别最大可提高9.0 t/hm2和0.53 t/hm2,占到无采伐预案生物量的56%和15%;(4)采伐预案对云冷杉生物量影响较小,主要降低先锋树种(白桦、山杨)和一些阔叶树种(枫桦、春榆)的生物量。研究结果表明现行采伐模式在未来100 a内会显著影响森林生物量,之后其影响逐渐减小,并且保护政策能提高所保护树种(红松、紫椴)的生物量,但要保持较高的总生物量,仍需要降低目前的采伐强度。     

模拟西伯利亚红松种植对大兴安岭中北部森林地上生物量的长期影响

西伯利亚红松是寒温带森林重要建群树种,其在大兴安岭引种种植将直接影响区域森林生态系统的结构和固碳功能。分析引种种植西伯利亚红松对大兴安岭森林地上生物量的长期影响,对厘清区域碳汇及碳中和有重要意义。本研究采用野外调查数据和森林景观模型相结合的方法,量化景观尺度西伯利亚红松不同种植强度对大兴安岭中北部森林及本地主要树种地上生物量动态影响。结果表明：引种种植西伯利亚红松对提高大兴安岭中北部林区森林地上生物量起积极作用,未来可在该区域大面积引种种植西伯利亚红松;不同种植强度预案下森林地上生物量变化趋势相似,均提高了森林地上生物量,其中低强度种植预案下森林地上生物量增幅最大,达8.66 Mg·hm^-2;西伯利亚红松引种种植对本地主要树种的影响存在明显差异,兴安落叶松和云杉地上生物量升高0.19～8.88 Mg·hm^-2,樟子松、山杨和白桦地上生物量降低0.42～12.86 Mg·hm^-2。     

水淹干扰对羊草草地地上生物量影响的初步研究

为在一定程度上揭示水淹干扰后草地净初级生产力变化的机制,对松嫩平原羊草草地水淹干扰梯度上的地上生物量进行了测定和比较,并对经历水淹干扰后土壤水分及主要养分(N、P)的变化以及植被物种组成的变化作了比较分析。结果表明,轻度和重度水淹干扰样带的地上生物量显著高于未受水淹干扰的对照样带,分别高出对照样带89．54％和113.45％,表明水淹干扰消除了对草地生产力起限制作用的因素,使草地净初级生产力有了大幅度提高,水淹干扰首先改变了土壤的水分状况,而水分状况是限制草地生产力的最主要的因素,尤其是在干旱年份,消除了干旱对草地生产力的限制;土壤水分的增加导致土壤养分(N、P等)的有效性显著增加,消除了原来土壤养分匮乏对草地生产力造成的限制;在水淹干扰作用下,群落的物种组成由相对低矮的物种组合趋向于向形态高大的、具有更高生产力潜力的物种组合转变。     

气候变化和不同强度造林对大兴安岭主要树种林分信息和地上生物量的长期影响

气候变化及相应火干扰在不同尺度上影响着我国大兴安岭地区森林动态,且在未来的影响可能继续加剧。为了提高森林生态功能和应对气候变暖,国家在分类经营基础上全面实施抚育采伐和补植造林,效果较好,但抚育采伐对森林主要树种的长期影响知之甚少,其在未来气候下的可持续性也有待进一步评估,同时,探讨造林措施对未来森林的影响也显得尤为重要。本文运用森林景观模型LANDIS PRO,模拟气候变化及火干扰、采伐和造林对大兴安岭地区主要树种的长期影响。结果表明:1)模型初始化、短期和长期模拟结果均得到了有效验证,模拟结果与森林调查数据之间无显著性差异(P0.05),基于火烧迹地数据的林火干扰验证亦能够反映当前火干扰的效果,模型模拟结果的可信度较高;2)与当前气候相比,气候变暖及火干扰明显改变了树种组成、年龄结构和地上生物量,B1气候下研究区森林基本上以针叶树种为主要树种,A2气候下优势树种向阔叶树转变;3)与无采伐预案相比,当前气候下,抚育采伐使落叶松的林分密度和地上生物量分别降低了(165±94.9)株/hm~2和(8.5±5.1) Mg/hm~2,增加了樟子松、白桦和云杉等树木株数和地上生物量(3.3—753.4株/hm~2和0.2—4.0 Mg/hm~2),而对山杨的影响较小;B1和A2气候下抚育采伐显著改变林分密度,降低景观尺度地上生物量,进而表现为不可持续;4)B1气候下,推荐实施中低强度造林预案(10%和20%强度),在A2气候下,各强度造林均可在模拟后期增加树种地上生物量。     

气候变化对中国林火干扰空间格局的影响

林火是森林生态系统中广泛存在的自然干扰,深刻地影响森林生态系统的结构和功能,研究林火干扰时空格局的驱动因子并揭示气候变化对林火空间分布的影响,对于理解气候变化-火干扰-森林生态系统之间的多过程相互反馈关系有重要意义.本研究基于Global Fire Atlas数据集,提取2003-2016年中国林火发生密度、燃烧率和平...     

树种水平的大兴安岭地上生物量变化特征及其与气候和干扰的关系

树种水平地上生物量(每个树种的地上生物量)是衡量森林生态系统结构功能的重要指标。为揭示树种水平森林地上生物量变化机制及其与气候变化和干扰的关系,运用KNN (k-nearest neighbor distance)方法将森林调查数据和MODIS数据相结合,估算了黑龙江大兴安岭2000、2010和2015年树种水平的森林地上生物量,在此基础上运用典型对应分析和随机森林方法,分析了研究区树种水平地上生物量变化特征及其与气候和干扰因素的关系。研究结果表明:2000—2015年期间,研究区总的森林地上生物量增加了8.9%(0.41×10~8 t),其中2010—2015年期间地上生物量的增加速度要明显高于2000—2010年;地上生物量增加最多的树种为白桦(Betula platyphylla Suk.),与2000年相比生物量增加了0.40×10~8 t,其次为樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica Litv.)、山杨(Populus davidiana Dode)和蒙古栎(Quercus mongolica Fisch. ex Ledeb.),落叶松(Larix gmelinii(Rupr.) Kuzen)地上生物量下降了0.08×10~8 t,柳树(Chosenia arbutifolia(Pall.) A. Skv.)和云杉(Picea koraiensis Nakai)基本上没有变化;林火、采伐和造林等森林干扰均对树种水平地上生物量影响显著,林火对树种水平地上生物量的影响要高于造林和采伐;气候要素显示出了比干扰要素更为重要的作用,多年平均温度和降水解释了最多的树种水平地上生物量变异。年均温度与阔叶树种的生物量以及林火干扰有显著的正相关性,与总的森林地上生物量呈现出显著的负相关,与落叶松和白桦表现出微弱的负相关,预示着气候变暖将影响该区域的树种组成并降低该区域的森林生产力。     

不同烈度林火干扰下呼中国家级自然保护区森林各碳库储量的动态变化

本研究通过FireBGCv2模型,模拟不同烈度林火干扰下未来100年呼中自然保护区森林各碳库的动态变化特征,以探究森林不同碳库对火干扰的响应规律,为保护区森林可燃物的管理提供科学依据.结果表明:林火干扰显著降低了保护区森林碳储量,且林火烈度越大,碳储量降低越多.火干扰影响森林各碳库储量的变化,也改变了森林总碳库的分配特...     

林火干扰对北方针叶林林下植被的影响

林下植被在北方针叶林植被群落中的物种多样性最高, 且具有较高的生物量周转率和地上部分净初级生产力, 对北方针叶林生态系统功能起着重要作用。火干扰是决定北方针叶林林下植被结构与功能的一个重要景观过程。该文综述了火干扰是如何通过与地形、火前林冠组成的交互作用而影响环境资源和林下植被的。最近的研究表明: 林下植被能够影响火后树木更新苗的定植、重建速率及森林演替轨迹; 林下植被还会通过影响元素的生物地球化学过程(凋落物降解和养分循环)影响林下环境资源的数量与异质性。因此, 研究火后初期北方针叶林林下植被的动态变化, 对于物种多样性保护和森林管理具有重要意义。     

Net aboveground biomass declines of four major forest types with forest ageing and climate change in western Canada's boreal forests

Biomass change of the world's forests is critical to the global carbon cycle. Despite storing nearly half of global forest carbon, the boreal biome of diverse forest types and ages is a poorly understood component of the carbon cycle. Using data from 871 permanent plots in the western boreal forest of Canada, we examined net annual aboveground biomass change (ΔAGB) of four major forest types between 1958 and 2011. We found that ΔAGB was higher for deciduous broadleaf (DEC) (1.44 Mg ha^?1 year^?1, 95% Bayesian confidence interval (CI), 1.22–1.68) and early‐successional coniferous forests (ESC) (1.42, CI, 1.30–1.56) than mixed forests (MIX) (0.80, CI, 0.50–1.11) and late‐successional coniferous (LSC) forests (0.62, CI, 0.39–0.88). ΔAGB declined with forest age as well as calendar year. After accounting for the effects of forest age, ΔAGB declined by 0.035, 0.021, 0.032 and 0.069 Mg ha^?1 year^?1 per calendar year in DEC, ESC, MIX and LSC forests, respectively. The ΔAGB declines resulted from increased tree mortality and reduced growth in all forest types except DEC, in which a large biomass loss from mortality was accompanied with a small increase in growth. With every degree of annual temperature increase, ΔAGB decreased by 1.00, 0.20, 0.55 and 1.07 Mg ha^?1 year^?1 in DEC, ESC, MIX and LSC forests, respectively. With every cm decrease of annual climatic moisture availability, ΔAGB decreased 0.030, 0.045 and 0.17 Mg ha^?1 year^?1 in ESC, MIX and LSC forests, but changed little in DEC forests. Our results suggest that persistent warming and decreasing water availability have profound negative effects on forest biomass in the boreal forests of western Canada. Furthermore, our results indicate that forest responses to climate change are strongly dependent on forest composition with late‐successional coniferous forests being most vulnerable to climate changes in terms of aboveground biomass.     

模拟火干扰对森林土壤微生物活性及氮矿化的影响

火干扰产生热能从而诱导土壤有机质的化学氧化,改变碳和氮转换,对土壤的结构与功能产生严重影响,影响程度取决于火强度、火干扰持续时间和热渗透。在湖南省株洲市高枧林场选取马尾松次生林火烧迹地,按两种土壤、3个温度和3种土壤水势进行试验设计与方差分析,探讨火干扰对土壤微生物及氮矿化的影响。结果表明:无机氮的浓度与火强度和初始土壤有机质含量呈正相关关系;火干扰后短期内土壤碳和氮浓度较高,微生物生物量碳和潜在可矿化氮较低,温度和土壤水势对基础呼吸速率没有显著影响;当土壤温度达160℃时,未受火干扰土壤中潜在可矿化氮浓度迅速不稳定增加,温度达350℃时破坏90%的非微生物组织;土壤加热后水势对氮矿化过程有显著影响,水势越高,潜在可矿化氮损失越大,火干扰土壤的含水量与硝态氮之间呈正相关关系;培养14d期间,土壤火灾历史、热处理和土壤水势对微生物活性、碳和氮矿化有显著影响,-1.5 MPa水势下加热到380℃后两种土壤的微生物生物量碳含量最高,土壤水势和可溶性糖呈负相关关系;水势和火干扰之间的交互作用显著影响微生物活性和氮转换,低水势土壤中的微生物生物量碳、可溶性糖和潜在可矿化氮浓度较高。     

1987年特大火灾后不同树种种植比例对大兴安岭森林景观的长期影响

应用空间直观景观模型(LANDIS)模拟了1987年大兴安岭北坡图强林业局特大森林火灾后在目前种植强度下,不同落叶松和樟子松种植比例(100%落叶松(P₁)、70%落叶松和30%樟子松(P₂)、50%落叶松和50%樟子松(P₃)、30%落叶松和70%樟子松(P₄)、100%樟子松(P₅)以及完全依靠天然更新(P₀)条件下森林景观的长期动态变化.结果表明,在演替的前期、中期和后期,不同种植比例均对落叶松、樟子松和白桦有显著影响;落叶松所占的面积百分比随时间的推移均呈上升趋势,而樟子松则相反;在各种植预案下,落叶松和樟子松的面积百分比均高于天然更新预案的比例,随着落叶松种植比例的增加,落叶松的多度也相应增加;樟子松在该区所占的面积百分比也随其种植比例的增大而增加.白桦在天然更新预案下所占的面积百分比明显高于种植预案下所占的比例;而不同落叶松和樟子松种植比例也对白桦面积有较大影响,樟子松种植的比例越大,白桦所占的面积百分比越高,说明落叶松比樟子松有更强的竞争能力.但P₂、P₃和P₄预案下,落叶松和樟子松的面积所占比例相差不大,但要高于完全种植落叶松(P₁)或樟子松(P₅)所占的比例.     

落叶松毛虫对大兴安岭呼中林区森林的景观长期影响模拟

应用空间直观景观模型(LANDIS)模拟了落叶松毛虫对呼中林区森林景观的长期影响,利用统计软件APACK计算了落叶松毛虫、代表性树种的分布面积以及反映物种分布格局的聚集度指数和森林斑块的平均面积,模拟了300年(1990—2290年)内有无落叶松毛虫干扰预案下大兴安岭呼中林区森林景观的动态变化.结果表明:研究区落叶松毛虫的分布面积呈先增加后降低的趋势;在落叶松毛虫干扰预案下,落叶松在模拟前150年的分布面积、平均斑块面积均低于无干扰预案,聚集度指数在前190年低于无干扰预案;干扰预案下白桦的分布面积和平均斑块面积百分比均高于无干扰预案,聚集度指数只在模拟的80～190年高于无干扰预案;樟子松的分布面积、聚集度指数和平均斑块面积在干扰预案下略低于无干扰预案.落叶松毛虫在一定程度上导致森林景观的破碎化.