川西亚高山森林作为西南林区主体,是长江上游的生态屏障,该区域植被恢复方式主要为人工恢复和自然恢复,比较不同恢复方式下森林的物种组成和群落结构动态变化,对于川西亚高山森林恢复与重建有重要的意义,可以为制定合理的森林管理策略提供科学依据.基于茂县山地生态系统定位研究站不同恢复模式形成的的华山松人工林、油松人工林和自然恢复的次生林野外调查数据,分析了 2005-2020年乔、灌、草三个层次的群落结构特征和多样性.结果表明:(1)不同恢复途径下,乔木层物种数都呈现增加趋势,华山松人工林、油松人工林、自然恢复的次生林乔木层物种数分别增加了 11种、7种、8种;(2)华山松人工林中华山松重要值从48.06％降低到31.1％,乡土阔叶树种四川蜡瓣花进入乔木层,2020年重要值增大至21.62％,油松人工林中油松重要值逐渐降低,从43.59％降至29.76％;自然恢复的次生林中,乡土树种锐齿槲栎逐渐成为第一优势种,2020年重要值增至19.9％.(3)华山松人工林、油松人工林和自然恢复的次生林中,温带区系成分分别占总属数的71.43％,80.77％和84％,温带区系特征明显.(4)华山松人工林和油松人工林乔木层径级结构均为偏正态分布;而自然恢复的次生林径级分布呈倒"J"形,以小径级个体为主.(5)不同林型的乔木层高度在15年间呈现增加的趋势,具体表现为油松人工林＞华山松人工林＞自然恢复的次生林.(6)乔木层Shannon-wiener指数和Simpson指数均表现为自然恢复的次生林显著大于两个人工林,丰富度指数和均匀度指数表现为油松人工林最大;灌木层4个多样性指数均表现为油松人工林最大;草本层的丰富度指数、Shannon-wiener指数和Simpson指数均表现为油松人工林较大,均匀度指数没有显著差异.结论:人工林恢复速度大于自然恢复的次生林,但自然恢复的次生林更新能力更强,且更有利于多样性的保存.两个人工林逐渐由常绿针叶林演替为以常绿针叶树为主的针阔混交林,自然恢复的次生林演替为以常绿阔叶树为主的针阔混交林.

开展川西亚高山相似土壤母质背景下天然次生林土壤微生物群落结构及其多样性探究,可加深次生林更新过程中土壤微生物群落结构变化的认知.选取川西米亚罗林区20世纪60年代采伐后经自然更新恢复形成的3种天然次生林(械-桦阔叶林,ABB;桦-槭-冷杉针阔混交林,BAA;岷江冷杉林,AFF),分析林下表层(0-20 cm)土壤微生物群落结构变化及其影响因素,结果显示:(1)3种林型土壤细菌Chao1和Shannon指数均极显著高于真菌,但仅真菌群落的Shannon指数差异显著,表现为BAA＞ABB＞AFF;(2)细菌群落优势门主要为变形杆菌门、酸杆菌门、疣微菌门、拟杆菌门、绿弯菌门,相对丰度占比超过82％;真菌群落则为子囊菌门和担子菌门,占比超过85％,AFF担子菌门相对丰度最高而子囊菌门最低.(3)RDA分析显示,土壤pH和乔木物种多样性(Shannon指数)是影响微生物群落结构变化的主导因子;土壤养分元素对细菌群落影响不显著,真菌群落主要受TN、TP含量显著影响.总体上,林型间乔木层物种多样性、土壤酸碱度及其氮磷含量是导致微生物群落结构变化的关键因素.

西南亚高山原始针叶林被大规模采伐后,在皆伐迹地上营造了大量云杉林进行人工恢复.但关于这些人工林的土壤涵水能力如何,一直没有系统深入的研究与评价.选择川西米亚罗林区系列不同林龄云杉人工林(20 a、30 a、40a、70 a)为对象,以相邻同龄自然更新恢复的针阔混交林为对照,比较人工林土壤涵水能力随着演替进程的动态及其与自然恢复次生林之间的差异,结合人工与自然恢复后的林地特征(如细根生物量、凋落物储量和土壤有机碳等)和土壤物理结构参数等差异,阐释自然与人工恢复后土壤涵水能力差异的影响因素.结果显示:随着人工林演替,土壤0-40 cm层最大持水量随林龄的增加而降低,但变化不显著,从20年的2200 t/hm2下降到70年的2138 t/hm2,年平均下降速率为1.24 t/hm2;然而在自然次生林中,土壤最大持水量随着林龄的增加呈现出波动式变化,从20年的2142 t/hm2增加到40年的2565 t/hm2,到70年又下降为2302t/hm2.通过土壤持水特性与林地凋落物贮量、细根生物量和土壤物理结构参数的相关分析表明,由不同恢复途径导致的林地土壤有机碳含量、凋落物特性及细根差异,进而改变土壤物理结构是影响土壤持水性能差异的主要因素.这些结果说明,从土壤持水量角度考虑,在对采伐迹地进行造林恢复时,应尽量避免营造结构单一、高密度的人工纯林,应选择营造针阔混交林的模式进行恢复.

为了解亚高山林区河岸带木质残体的持水能力,以王朗国家级自然保护区亚高山林区河岸带康定柳(Salix paraplesia)直径＞30、30 ～ 20、20～ 10、10～5、5～2和2～1 cm六个径级的木质残体为研究对象,运用浸泡模拟法研究了其吸水过程和持水能力随径级的变化特征.结果 表明:不同径级木质残体的最大持水量为1024.78～2674.67 g·kg-1,不同径级木质残体的持水量大小顺序为10～5、20～ 10、30～20、＞30、2～1、5～2 cm;不同径级的木质残体在吸水过程中随着浸泡时间的增加,其饱和含水量不断升高,吸水速率不断降低.同时,30～5 cm径级的木质残体具有良好的持水能力与吸水能力.川西亚高山林区不同径级的康定柳木质残体持水能力差异明显,建议在河岸带保留较大径级的木质残体,有利于提高河岸带水源涵养功能.

水土热资源匹配程度与生态系统的稳定及其可持续性密切相关.本研究通过引入与人类福祉相关的生态系统服务的概念,利用基于遥感数据的植被净初级生产力(NPP)指标法构建了中亚地区水土热资源匹配度指数,采用趋势分析和Hurst指数方法,分析了中亚水土热资源匹配度的时空变化特征,并探讨其与气候因子及水分利用效率的相关性.结果 表明:中亚地区水土热资源匹配度总体偏低(9.3),且在不同生物群区具有明显的空间差异性,总体表现为高山森林区＞高山草甸区＞典型草原区＞荒漠草原区＞湖区＞荒漠区.2000-2015年间,中亚地区各生物群区的水土热资源匹配度与区域总体水土热资源匹配度均表现为波动下降,但变幅小、持续性较差.气温和降水在空间分布上的巨大差异性及错位性是中亚水土热资源匹配度总体偏低的主要原因,降水对中亚水土热资源匹配度的影响强于气温,中亚水土热资源匹配度与水分利用效率之间也有较强的相关性.

为进一步研究川西亚高山灌丛的水文特性,选取米亚罗林区川滇高山栎灌丛正向演替的4种类型和杜鹃灌丛(CK),测定林下地表枯落物、苔藓和土壤的持水能力以及探讨土壤持水能力的影响因素.结果表明:(1)地表枯落物积蓄量表现为川滇高山栎-陕甘花楸灌丛(QS)＜杜鹃灌丛(CK)＜川滇高山栎-华山松灌丛(QM)＜川滇高山栎-云杉灌丛(QP)＜川滇高山栎-粉背黄栌灌丛(QC);苔藓积蓄量为QC＜QP＜QM＜CK;(2)枯落物最大持水量和有效拦蓄量分别为163.78-351.78 t/hm2和17.69-79.65 t/hm2,二者为CK＞ QP＞ QC＞ QM＞ QS;苔藓最大持水量和有效拦蓄量分别为12.48-1207.88 t/hm2和5.24-741.07 t/hm2,均为CK＞QM＞QP＞QC;(3)土壤最大持水量为887.06-1373.19t/hm2,表现为CK＞QS＞QP＞QC＞QM;(4)土壤非毛管持水量为221.25-576.23 t/hm2,表现为CK＞QP＞QS＞QM＞QC.(5)综合水源涵养能力为CK＞ QP＞QM＞QS＞QC.综合地被物持水和土壤持水,地被物层持水能力占综合持水量的21.30％.随川滇高山栎灌丛正向演替的发展,地被物调节水量的作用逐渐增加.因此,对其灌丛维护和经营管理中,应强化地被物的监管力度.

为了解次生林自然更新演替过程中土壤碳氮含量及酶活性的变化规律,采用空间代替时间的方法,在川西亚高山米亚罗林区选取环境条件基本一致的20世纪60、70和80年代采伐迹地自然更新演替的次生林(60-NSF、70-NSF和80-NSF)和峨江冷杉(Abiesfaxoniana)原始林(对照,CK)为对象,研究了表层(0-20 cm)土壤碳氮含量和土壤酶活性的关系.结果表明:表层土壤有机碳(SOC)、可溶性有机碳(DOC)、轻组有机碳(LFOC)含量均随森林植被更新演替呈显著降低趋势,而全氮(TN)和可溶性有机氮(DON)含量则表现为60-NSF ＜ 80-NSF ＜ 70-NSF,但70-NSF和80-NSF间差异不显著;次生林表层土壤有机碳氮及其活性组分含量均低于CK,其中80-NSF的DOC和DON含量与CK差异不显著.次生林的β-葡萄糖苷酶(βG)、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和多酚氧化酶(PHO)活性均显著低于CK,纤维素水解酶(CBH)和过氧化物酶(PEO)活性与CK无显著差异;天然次生林中,60-NSF的βG和CBH活性显著低于70-NSF和80-NSF;80-NSF的NAG活性显著高于60-NSF和70-NSF;4种林型之间的PEO活性无显著性差异.Pearson相关分析和冗余分析显示,土壤TN、LFOC和DOC含量与土壤酶活性显著相关,其中TN含量解释了酶活性变化的65.4％,说明土壤氮含量变化可能会影响到土壤碳的水解酶活性,同时也表明土壤微生物优先利用易分解碳和氮.因此,次生林近60年的天然更新演替引起了TN、LFOC及DOC含量的显著下降,导致表层土壤某些胞外酶(如βG、CBH和NAG)活性降低.从土壤酶活性角度看,岷江冷杉原始林比早期演替阶段的次生林(＜60 a)更有利于川西亚高山高海拔森林生态系统的碳氮循环.

2019年5月-10月,采用LI-8100A 土壤碳通量自动测量分析仪对川西米亚罗林区20世纪60年代采伐后经自然更新恢复形成的岷江冷杉(A4bies faxoniana)次生针叶林(针叶林)、红桦(Betula albo-sinensis)+青榨槭(Acer davidii)+岷江冷杉次生针阔混交林(针阔混交林)和青榨槭+红桦+陕甘花楸(Sorbus koehneana Schneid)次生阔叶林(阔叶林)的土壤呼吸及土壤温湿度因子(对照、去除凋落物和加倍凋落物)进行观测.结果显示:去除和加倍凋落物对土壤温湿度的影响不显著,且3种林型之间的土壤呼吸速率差异不显著.与对照相比,去除凋落物使针叶林、针阔混交林、阔叶林的土壤呼吸速率分别降低了 17.65％、21.01％和19.83％(P＜0.05);加倍凋落物则分别增加6.76％、7.28％、8.16％(P＞0.05).3种林分土壤呼吸速率均与土壤温度极显著指数相关,与土壤湿度不相关.对照Q10值变幅为2.01-3.29,去除凋落物降低了 3种林型的Q10值;加倍凋落物分别提高了针叶林和降低了针阔混交林和阔叶林的Q10值.土壤呼吸速率仅表现在天然次生林对照处理中受到土壤pH、有机质、可溶性有机氮和草本Pielou均匀度指数的显著影响.研究结果表明,天然次生阔叶林和针阔混交林凋落物对土壤呼吸的贡献及Q10值高于天然次生针叶林,说明在未来CO2浓度及温度升高背景下,地表凋落物增加并未引起天然次生林土壤呼吸速率成倍增加,更有利于该区域天然次生林尤其是针叶林的土壤碳吸存.

开展不同恢复演替阶段天然次生林土壤-微生物生物量及其化学计量特征关系的研究,可为有效和持续管理川西亚高山次生林提供科学依据.以川西亚高山米亚罗林区20世纪60、70、80年代3种采伐迹地经自然恢复演替形成的次生林(SF60、SF70和SF80)和岷江冷杉(Abies faxoniana)原始林(PF)为研究对象,探讨了表层(0-20 cm)土壤有机碳(Csoil)、全氮(Nsoil)、全磷(Psoil)含量及微生物生物量碳(Cmic)、氮(Nmic)、磷(Pmic)含量随自然恢复演替的变化特征,分析了它们的化学计量比与微生物熵(qMB)之间的相互关系.结果 表明:(1)随着恢复演替年限的增加,Csoil和Nmic含量显著降低,Nsoil和PsoilCmic和Pmic含量呈现先升后降的显著变化趋势,且3种次生林的表层土壤碳、氮、磷及其微生物生物量的含量均低于PF.(2)次生林恢复年限对土壤微生物熵C(qMBC)和P(qMBP)没有显著影响,但对土壤微生物熵N(qMBN)存在显著影响.(3)土壤-微生物化学计量不平衡性Cimb∶Nimb随自然恢复演替进程呈先降后升的显著变化趋势,Cimb∶Pimb呈不显著的降低趋势,Nimb∶Pimb呈现显著降低趋势.冗余分析显示,Nimb∶Pimb和Cmic∶Nmic是影响qMB变化的主导因子,其中Nimb∶Pimb解释了qMB变化的62.6％,说明土壤氮磷及其活性组分(Nmic和Pmic)含量变化可能会影响到qMB变化.综上可知,次生林近60年的自然恢复演替引起了土壤碳氮磷含量的显著变化;天然次生林土壤-微生物生物量碳氮磷化学计量比主要受到氮磷的协同影响,且SF60土壤质量状况较差,为此,对SF60林分可适当增加氮素供给以促进其林木生长,进而提升土壤质量.

以川西亚高山暗针叶林区主要的人工林——云杉人工林为研究对象,通过在四川省理县米亚罗镇设置固定样地,进行群落调查、地被层(枯落物和苔藓)取样测定,探讨不同疏伐处理(S0:对照;S1:疏伐10％;S2:疏伐20％)对不同林龄云杉人工林(幼龄林:25年;中龄林:35年;近熟林:50年)地被层水源涵养能力的影响.结果表明:林分成熟前,云杉人工林地被层持水能力随林龄增加而显著提高;从4年短期效应看,疏伐对云杉人工林地被层持水能力无显著影响.地被层蓄积量组成中,枯落物大于苔藓,占比达55.64％-67.21％,且随着林龄的增加先升高后降低;地被层最大持水量组成中,枯落物占比为45.56％-52.26％,且随着林龄的增加逐渐升高.枯落物蓄积量及最大持水量占比均随疏伐强度的增加先升高后降低,苔藓的贡献逐渐增加;枯落物蓄积量、最大持水率及最大持水量组成均表现为叶片大于枝干.叶片蓄积量占比为53.02％-60.89％,最大持水量占比为64.27％-71.25％,且占比均随林龄增加逐渐升高,随疏伐强度增加先升高后降低.因此,枯落物为地被层水源涵养功能的主要承担者,叶片则是枯落物水源涵养功能的承担主体,且两者的持水能力随着林龄的增加而升高,随着疏伐强度的增加先升高再降低;同时,林龄和疏伐强度的增加还逐步提高了苔藓的持水能力.如何通过提高地被层中枯落物叶片及苔藓的蓄积量来提高地被层水源涵养能力,进而提高云杉人工林水源涵养能力将是今后其结构功能调整和可持续经营研究的重点.