土壤养分空间异质性与植物根系的觅食反应

植物在长期进化过程中,为了最大限度地获取土壤资源,对养分的空间异质性产生各种可塑性反应．包括形态可塑性、生理可塑性、菌根可塑性等．许多植物种的根系在养分丰富的斑块中大量增生,增生程度种间差异较大,并受斑块属性(斑块大小、养分浓度)、营养元素种类和养分总体供应状况的影响．植物还通过调整富养斑块中细根的直径、分枝角、节问距以及空间构型来实现斑块养分的高效利用．根系的生理可塑性及菌根可塑性可能在一定程度上影响其形态可塑性．生理可塑性表现为处于不同养分斑块上的根系迅速调整其养分吸收速率,从而增加单位根系的养分吸收,对在时间上和空间上变化频繁的空间异质性土壤养分的利用具有重要意义,可在一定程度上弥补根系增生反应的不足．菌根可塑性目前研究较少,一些植物种的菌根代替细根实现在富养斑块中的增生．菌根增生的碳投入养分吸收效率较高、根系增生对增加养分吸收的作用较复杂,取决于养分离子在土壤中的移动性能以及是否存在竞争植物;对植物生长(竞争能力)的作用因种而异,一些敏感种由此获得生长效益,而其它一些植物种受影响较小．植物个体对土壤养分空间异质性反应能力和生长差异,影响其在群落中的地位和命运,最终影响群落组成及其结构．     

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.     

气候变化对中国大兴安岭森林演替动态的影响

应用森林生长演替动态模型-FAREAST,在气候变化背景下对大兴安岭漠河林区森林的演替动态进行了模拟。模拟选择了目前气候情景、增暖情景、温度和降水都增加情景3种气候情景,并考虑了气候变化引起的火干扰变化对森林演替的影响。结果表明:维持目前气候不变,兴安落叶松(Larix gmelini)将继续作为绝对优势树种,樟子松(Pinussylvestris var.mongolica)、桦树(Betula)、杨树(Populus)伴生其中;气候发生变化,东北森林带将有北移的趋势,大兴安岭将可能以温带针阔混交林为主,森林群落中出现红松(P.koraiensis)、蒙古栎(Quercus mongolica)、椴树(Tilia)等树种;火干扰影响森林生物量及森林的物种组成和结构。     

气候变化情景下天宝岩国家级自然保护区森林景观演替长期动态模拟

气候变化将会对森林树种结构、空间结构以及林龄结构等产生重大影响,准确预测森林景观演替对未来气候变化的响应,不仅能够为科学管理森林生态系统提供理论依据,而且对制定生物多样性保护与珍稀物种保护策略也具有重要意义。本文运用LANDIS Pro 7.0与LINKAGES模型,模拟天宝岩国家级自然保护区8个树种在2种不同气候变化情景(RCP4.5和RCP8.5)下未来300年的森林植被演替动态,分析森林景观格局变化特征及其对气候变化的响应。结果表明：毛竹、马尾松、猴头杜鹃、长苞铁杉以及杉木的潜在面积分布与景观格局指数对气候变化的响应较为显著。在气候变化情景下,各树种的景观分维度均介于1.03—1.08,保护区内各景观斑块相对简单规则。毛竹、猴头杜鹃和杉木聚集度下降趋势明显而斑块密度显著上升,长苞铁杉随演替进行面积逐渐减少而聚集度相对较高且斑块密度剧增,马尾松斑块密度缓慢增加而聚集度先降后升,随气候变化这些树种的景观完整度都遭到了不同程度的破坏,且在RCP8.5气候情景下景观破碎化更严重。而气候变化对阔叶林与柳杉的影响则较小,且阔叶林在演替期间斑块密度下降而聚集度稳中有增,潜在面积分布呈现出良好的...     

兴安落叶松老头林对大兴安岭森林景观变化的影响研究

采用空间直观景观模型LANDIS ,以大兴安岭呼中林业局为研究区 ,研究对老头林进行采伐和不进行采伐预案下的森林景观变化动态。结果表明 ,在对老头林不进行采伐预案下 ,各物种的过熟林分布面积要高于进行采伐预案下的分布面积。老头林的存在能使森林景观组分和格局具有更高的稳定性 ,对采伐等干扰具有更大的抗性。因此 ,保护老头林对于大兴安岭森林的可持续发展具有重要的生态学意义。     

大兴安岭北部林区景观格局变化及其影响分析

人为干扰影响着景观格局变化的速率和方向 ,这在景观格局变化过程中的作用越来越大 ,同时景观格局的变化也对人类活动产生了重大影响。通过对大兴安岭北部林区的景观多样性指数、优势度指数等一系列景观指数来研究该地区森林景观格局的变化 ,简要分析了格局变化产生的影响。结果表明 ,大兴安岭森林景观中 ,人为干扰使森林景观短时期内多样性增加、森林的优势度降低 ;景观向破碎化趋势发展 ;景观格局的变化对环境和人类活动产生了重大影响 ,森林向不可持续方向发展 ,因此应该进行合理的人类活动使森林可持续发展。     

近308年来大兴安岭北部森林植被气候生产潜力及其对气候变化的响应

揭示大兴安岭北部气候变化敏感区的气候生产潜力演变及其影响机理,对于维持东北地区生态系统平衡具有重要意义。基于标准树轮年表反演气象资料与研究区13个气象站观测数据组成的1707—2014年气象资料序列,利用Miami模型和小波分析等方法,分析了大兴安岭北部气候生产潜力演变及其对气候变化的响应。结果显示:1707年以来,气温、降水、蒸散和标准气候生产潜力变化均表现极显著增加趋势,标准气候生产潜力(W)变化率为1.79 kg hm~(-2)a~(-1),20世纪气候倾向率最大为10.14kg hm~(-2)a~(-1),温度气候生产潜力(WT)与降水气候生产潜力(WR)的比值21世纪最大,水热配比状态最好;4种气候生产潜力存在不同时间尺度的周期变化,但变化一致性较好,主周期均为215—219a;大兴安岭北部W呈现一致的正变化趋势,高值、次高值、低值中心分别在根河、塔河、鄂伦春偏南地区,振幅由西北向东南逐渐递减;W与年气温、降水量、蒸散量正相关显著,年平均气温每升高1℃、年降水量和蒸散量均增加10 mm,W变化率依次为453.71、74.40、219.01 kg/hm~2,且气温是影响W的主要因子;未来"暖湿型"气候对森林植被生长有利,而"冷干型"气候对森林植被生长不利,气候生产潜力增加(减少)幅度均为10.9%—21.7%。研究结果不仅可为区域尺度内研究森林植被气候生产潜力提供基础方法,而且对进一步估算森林碳汇、即将实施的碳交易及中国北部边疆生态安全研究和生态功能规划制定等具有重要参考价值。     

森林采伐方式对森林景观的影响模拟——以大兴安岭呼中林区为例

干扰对森林景观变化的影响是一个长期的过程,传统的定位观测很难探究大空间尺度上干扰对森林景观的长期影响,模型模拟是目前常用的研究方法.本研究采用空间直观景观模型(LANDIS),模拟大兴安岭呼中林区在无采伐、皆伐、渐伐和择伐共4种预案下300年内森林景观的长期动态变化.选取落叶松和白桦为典型代表,以平均斑块面积、物种面积比例、聚集度以及年龄结构为指标,探讨不同采伐方式对森林景观的长期影响.结果表明:采伐降低了落叶松的面积比例,提高了白桦的面积比例,不同采伐方式之间差异不明显;采伐降低了落叶松的聚集度,提高了白桦的聚集度,皆伐预案高于其他预案;采伐在模拟前期降低了落叶松的平均斑块面积,提高了白桦的平均斑块面积;采伐提高了落叶松和白桦的中幼龄林比例,皆伐预案下白桦中幼龄林面积增加最明显.采伐使森林生态景观破碎化,皆伐预案下森林景观破碎化最为严重.建议,在采伐强度相同的条件下,尽量采用择伐方式,降低森林采伐对森林生态系统的影响,进而促进森林生态系统健康稳定的发展.     

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.     

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.     

大兴安岭北部地区原始林火干扰历史的研究

在大兴安岭阿龙山林业局的一个集水区,通过样地法（９６个样地）,调查了大量的火疤木,研究了景观水平上的火状况。结果表明,由１８２５至１９９３年间样区共发生１４次火灾,火烧种类主要是地表火,但也有少量树冠火;火烧强度主要为弱度火;火场面积通常很大;火烧平均间隔期为３７ａ,火烧轮回期的约３０ａ。这些指标对大于大兴安岭北部林区有一定的代表意义。大兴安岭北部林区的火状况主要决定于兴安落叶松的抗火特性和森林群     

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。     

空间直观景观模型LANDIS在大兴安岭呼中林区的应用

应用空间直观景观模型(LANDIS),研究有采伐和无采伐预案下大兴安岭呼中林区的森林景观的长期变化。用APACK计算每一个物种及各年龄级的分布面积。为了研究物种分布格局的变化,计算了物种分布的聚集度指数。研究结果如下：(1)在无采伐预案下。火干扰模式为低频率大面积高强度火烧;在有采伐预下,火干扰模式为高频率小面积低强度火烧;(2)在无采伐预案下,火会造成各种群分布面积的强烈波动,但是对种群的年龄结构没有很大影响;在有采伐预案下,火对种群分布面积和年龄结构都没有很大的影响;(3)采伐能完全改变各种群的年龄结构。降低种群分布的聚集度,但是对各种群的分布面积并没有很大影响;(4)在有采伐预案下,各种群为增长型种群,增长量通过采伐取走,群落处于演替的干扰顶极状态;在无采伐预案下,各种群为稳定型种群(樟子松和偃松除外),大面积高强度火烧使群落产生较大的波动。结果表明,在呼中林业局,在没有人为干扰情况下,火干扰是森林景观变化的主导因素。自从有了人为干扰,采伐开始逐渐取代火干扰成为影响森林景观变化的主导因素。空间直观景观模型的一个挑战是模型的验证。由于缺乏详细的空间数据及模型模拟中的随机性,很难通过模型模拟结果与实地调查或遥感数据的比较进行验证。通过对火模拟、物种分布和物种组成的生态或生物学实现对模型进行验证。     

空间直观景观模型LANDIS Ⅰ．运行机制

空间直观景观模型是指在异质景观中模拟景观尺度上生态过程的空间直观模型．LANDIS是一个用于模拟森林景观干扰、演替和管理的空间直观景观模型．通过在样地尺度上跟踪以10年为间隔的物种年龄级,半定量化地描述火和风倒,及使用位数组表示物种年龄结构,LANDIS能同时在物种、样地和景观尺度上模拟各种生态过程及其相互关系．详细论述了LANDIS模型对种子传播、火、风倒和砍伐等生态过程的模拟,并讨论了模型中存在的一些不足．     

森林干扰对大兴安岭北部森林小流域径流情势的影响

为了解大兴安岭森林流域水文过程对森林干扰的响应,利用近配对流域方法,排除了气候变量的时空差异,对比研究了森林干扰后大兴安岭北部典型森林小流域(100 km2)洪峰径流(High flow)和枯水径流(Low flow)径流情势(Flow regimes)的变化趋势。结果表明,森林干扰对枯水径流情势影响显著,与对照流域(小北沟流域)相比,森林干扰(占流域总面积的6.74%)使老沟河流域平均枯水径流流量降低了26.58%,平均枯水径流变异系数值增加了36.77%,并且差异达到极显著水平(P0.01)。另一方面,森林植被的干扰相对增加了森林小流域的洪峰流量、历时和变异性,但与对照流域相比差异均未达到统计显著水平,说明小面积的森林植被干扰未能引起流域洪峰径流情势的显著变化。进一步对配对流域的径流浮动系数(Flashiness Index)的分析发现,森林干扰显著增加了森林小流域的径流浮动性,研究时段内干扰流域的径流浮动系数为0.078,是对照流域(0.057)的1.37倍。大兴安岭北部森林小流域的天然径流情势(Natural flow regimes)对森林干扰比较敏感,在与水文循环联系紧密的区域(例如河岸带),小范围的森林干扰便可以引起径流情势的显著变化,这在未来该地区森林和水资源的管理中需要特别注意。     

森林景观的历史变域研究进展

历史变域概念产生于20世纪90年代,是森林生态系统管理的重要概念之一,可以为生态系统管理提供参考和目标。总结了历史变域领域近期的研究热点:火烧的历史变域研究从定量化火烧特征开始,进而探讨火烧特征的影响因素,并且从火烧特征的单一影响因素向多影响因素、从单一尺度向多时空尺度研究发展;森林景观历史变域研究由描述景观的单一结构特征深入到揭示综合结构特征及功能特征。方法的新进展包括:评估历史数据的误差、探索采样和数据分析方法、重视火疤木数据的多时空特征、以及发掘整合多种来源的历史数据。模拟自然干扰的森林管理是历史变域概念的重要应用之一,最近的研究集中在为森林管理提供更加全面的模拟自然干扰的干扰参数,并且强调这些参数的空间异质性;同时,该管理模式也面临挑战和质疑:气候变化条件下历史变域的概念是否仍旧适用?森林管理是否能够真正达到自然干扰的效果?分析了我国的研究现状,提出发展建议。     

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。     

高山生物多样性对气候变化响应的研究进展

高山带是指自然气候森林边界即林线到雪线之间的无林区域。受低温限制的高山生物对气候变化具有高度的敏感性, 因此高山带被视为监测气候变化的理想试验场所。气候变暖加速了高山冰雪消融, 也加剧了高山生物多样性的波动, 因而高山生物多样性变化对于指示全球气候变化具有十分重要的意义。目前, 高山生物多样性对气候变暖响应的研究主要集中在高山物种组成和群落结构的变化、物种的分布格局和适宜生境的变化、林线交错带的位移、种间关系的变化等方面。气候变化与人为干扰等因素的叠加效应为预测未来生物多样性的变化增加了很多不确定性, 从长期来看, 气候变化效应相对于其他因素会显得越来越重要。未来的重点研究领域包括高山带生物多样性对极端气候变化的响应、全球气候变化背景下生物多样性与生态系统过程的关系、高山带地上/地下生物多样性的相互作用关系及其对气候变化的响应与适应、全球气候变化与人类活动干扰的叠加效应对高山生物多样性格局的影响等。     

长白山森林景观边界动态与气候变化的关系

气候变化对森林景观产生深远的影响,景观边界对气候变化反应尤其敏感。论文采用多元统计分析、遥感和地理信息系统相结合的方法,来定量分析长白山景观边界的变化与气候变化的关系。结果表明:可以利用长白山自然保护区经度、纬度和海拔高度对现存11个气象因子进行空间差值。1975-1997期间,苔原分布的海拔上、下限经历了一个先上升后下降的过程;岳桦(Betula ermanii)分布的海拔上限也有一个先上升后下降的过程,岳桦分布的海拔下限在降低;云杉(Picea koraiensis)冷林(Abies squamata)分布的海拔上限在上升,但其分布的海拔下限的变化没有明显的规律,苔原边界和岳桦分布的海拔上限的变化可能与1月均温和年降水量的变化有关;岳桦分布的海拔下限和云冷杉林分布的海拔上限可能与7月均温有关。     

施氮量对小麦叶片硝酸还原酶活性、一氧化氮含量和气体交换的影响

研究了不同施氮量对冬小麦分蘖到抽穗期叶片硝酸还原酶(NR)活性、一氧化氮(NO)含量、气体交换参数和籽粒产量的影响.结果表明:叶片光合速率（P_n）、蒸腾速率（T_r）、瞬时水分利用效率（IWUE）和产量均随施氮量的增加呈先升高后降低的趋势,在180 kg·hm^-2氮处理时达到最高.随施氮量的增加,叶片NR活性提高; 在分蘖期和拔节期,叶片NR活性与NO含量呈显著线性相关（R²≥0.68,n=15）,NO含量和气孔导度（G_s）呈显著正二次相关（R²≥0.43,n=15）;低氮处理下,NR活性较低使叶片NO含量维持在较低水平,促进气孔开放,高氮处理下,NR活性较高使叶片NO含量增加,诱导气孔关闭;在抽穗期叶片NR活性和NO含量无显著相关关系,虽然NO含量和G_s也呈显著正二次相关（R²≥0.36,n=15）,但不能通过施氮提高NR活性来影响叶片NO含量,进而调节叶片气孔行为.合理施氮使小麦叶片NO含量维持在较低水平,可提高叶片G_s、T_r和IWUE,增强作物抗旱能力,促进光合作用,提高小麦产量.