研究对比祁连山东部地区典型林分水源涵养能力变化规律及差异,以期为区域森林水源涵养能力提升和管理提供科学依据.以青海互助北山国家森林公园内的云杉纯林、白桦纯林、云杉白桦混交林、云杉青杨混交林、白桦青杨混交林和白桦落叶松混交林为研究对象,采用野外实测、称量、室内浸泡等方法对林地林冠层、枯落物层和土壤层的水文效应进行测定分析,通过敏感性分析和相关性分析选取林冠截留率、未分解层厚度、饱和导水率和土壤蓄水能力等8个指标,并采用熵权法和综合指数法对林地水源涵养能力进行评估.研究结果表明:祁连山东部地区6种典型林分林冠层、枯落物层和土壤层的水源涵养能力都受到林分类型的影响.(1)不同林分类型林冠层植被截留能力表现为针叶林＞阔叶林,混交林＞阔叶纯林;(2)枯落物的厚度和储量变化趋势一致,云杉纯林(针叶纯林)表现为未分解层＞半分解层,其他林分类型(针阔混交林、阔叶混交林和阔叶纯林)均表现为未分解层＜半分解层.(3)土壤孔隙度和饱和导水率整体上表现为混交林大于纯林,且针阔混交林更优.(4)6种典型林分水源涵养能力的综合评估结果表明:云杉白桦混交林(0.746)＞白桦落叶松混交林(0.547)＞云杉青杨混交林(0.504)＞白桦青杨混交林(0.480)＞白桦纯林(0.467)＞云杉纯林(0.244).综合来看,针阔混交林可以作为区域林分结构调整和营造新林的目标林分类型,特别是云杉白桦混交林和白桦落叶松混交林,同时,在新造林时,应避免直接营造云杉纯林.

探索森林土壤中的养分限制对森林抚育和管理具有重要意义,然而目前关于黄土高原刺槐人工林植被恢复过程中微生物受到的养分限制的研究并不充分.本研究为探究黄土高原刺槐林土壤中微生物养分的限制情况,在陕西省永寿县选择不同造林时间(15、25、35、45年)的刺槐人工林以及林地旁边的摞荒坡耕地(对照)为研究对象,分析了不同林龄下土壤有机质、全氮、全磷含量,以及与土壤碳、氮、磷循环相关的β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)、纤维二糖水解酶(CBH)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和磷酸酶(AP)活性的变化特征,通过化学计量和酶计量解析土壤养分限制状况.结果表明:土壤pH随植被恢复由碱性变为酸性;全磷在刺槐植被恢复的0～25年间逐渐降低;土壤有机碳、全氮和酶活性在0～25年间呈上升趋势.土壤全磷、有机碳、全氮、AP和LAP在25～45年间逐渐降低;NAG、BG、CBH在25～45年间先增加再降低.植被恢复过程中刺槐林的(BG+CBH)/(LAP+NAG)、(BG+CBH)/AP、(LAP+NAG)/AP均高于全球尺度的平均值.本研究区刺槐恢复过程中矢量长度小于1且逐渐增大,表明微生物碳限制逐渐增强;矢量角度大于45°且整体上降低,表明土壤微生物受磷限制且磷限制逐渐减缓,未出现微生物氮限制.刺槐人工林植被恢复过程中土壤理化性质变化明显,造林时间序列影响了土壤微生物的养分限制状况.

森林凋落物的养分归还对于维持土壤碳库和养分循环起至关重要的作用.本研究以亚热带人工幼林的21个树种为对象,分析各树种的叶片和根系功能性状与凋落物养分归还特征的关系.结果表明:不同树种的凋落物量、现存量与养分归还量差异显著,其中米老排的年凋落物量(689.2 g·m-2·a-1)和现存量(605.1 g·m-2)最高,柳杉的年凋落物量(36.0 g·m-2·a-1)和现存量(10.0 g.m-2)最低.21个树种的氮归还量为3.0～48.3 kg·hm-2,其中最高为闽粤栲;21个树种的磷归还量为0.1～2.0 kg·hm-2,最高为枫香.氮、磷归还量最低的树种均为柳杉.逐步回归分析显示,叶片氮含量和叶片干物质含量对凋落物量有显著的负影响,细根组织密度对凋落物量有显著的正影响;叶片氮含量、叶片干物质含量和比根长对现存量有显著的负影响.结构方程模型显示,具有较高叶片干物质含量的树种直接或间接地通过降低凋落物产量来减少氮归还量,而具有较高细根组织密度的树种通过显著增加凋落叶氮含量从而增加氮归还量;具有较高叶片氮含量和叶片干物质含量的树种直接或间接地通过降低凋落物产量从而减少磷归还量.在亚热带营造人工林时,要考虑叶干物质含量低、细根组织密度大的树种,以提高林地凋落物产量和氮、磷养分归还量,进而提高土壤肥力和林地生产力.

近年来,由于林地开发和商品林建设等原因,我国亚热带地区大量天然林和次生林经皆伐改造为林分结构简单、树种单一的人工林.氮(N)素是维持森林植被生长和系统初级生产力的重要因子,土壤微生物驱动了森林土壤N转化的关键过程.然而,目前亚热带森林转换对土壤N转化微生物群落的影响仍不清晰.以湖南芦头森林生态系统国家定位观测研究站内典型次生林(CS)及由其转换而成的油茶(YC)、黄桃(HT)、杨梅(YM)和杉木(SM)四种人工林为研究对象,采用实时荧光定量PCR和高通量测序等方法,研究了各林分土壤性质、固N菌和氨氧化微生物功能基因丰度、群落特征及相互关系,旨在探讨亚热带森林转换后土壤N转化关键过程(固N和氨氧化作用)的功能微生物群落变化及驱动因素.结果表明:森林转换显著改变了土壤碳(C)、N含量,降低了土壤nifH基因丰度、固N菌和氨氧化细菌的群落α多样性,但提高了氨氧化微生物amoA基因丰度和氨氧化古菌的群落α多样性;并且,森林转换通过改变各功能微生物优势菌群(如变形菌、蓝细菌、泉古菌和奇古菌等)的相对丰度,显著影响了土壤固N菌和氨氧化微生物的群落组成;冗余分析和结构方程模型表明,土壤有机碳、全氮、铵态氮含量和pH是驱动土壤固N菌和氨氧化微生物群落变化的关键因素.森林转换后,合理的施肥方式有利于人工林土壤固N菌和氨氧化微生物的群落恢复.研究结果为转换后单一人工林土壤养分恢复、生产力的提高和可持续经营提供了科学依据.

为探究钙添加对林地土壤的改良效应,在杉木新造林地中分别按两种氮、磷肥量(N1:50 kg/hm2,N2:100 kg/hm2;P1:50 kg/hm2,P2:100 kg/hm2)与3 种钙肥添加量(Ca0:0 kg/hm2,Ca1:100 kg/hm2,Ca2:200 kg/hm2)开展组合施肥试验,测定土壤理化性质与有效养分元素含量,分析钙添加对林地土壤环境的影响.结果表明:钙添加可以显著降低土壤容重,提高土壤pH、含水率,以及有机质、碱解氮、速效钾、交换性钙和交换性镁含量,对土壤有效磷含量的影响因氮、磷施肥处理不同而异;方差分析表明,土壤容重、pH,以及有机质、碱解氮、有效磷、交换性钙和交换性镁含量等7 个指标受到不同施肥因子的影响极显著并存在极显著交互作用,土壤含水率则受不同钙添加量的极显著影响.土壤理化性质与有效养分元素含量之间具有较强的正相关性.在传统氮、磷肥施肥基础上添加钙肥有利于改善杉木人工新造林地土壤环境,缓解土壤酸化及提高土壤有效养分供给,提高杉木人工林质量.

以产业兴旺、生态宜居等各方面协同推进为总要求的乡村振兴战略的实施,对于生态环境脆弱且发展落后问题突出的西南喀斯特广大乡村地区具有重要意义.合理的景观格局是乡村振兴的基础.以贵州典型喀斯特石漠化乡村为研究区,从类型和景观两个尺度选取 11 个景观格局指数,对研究区的景观类型分布、景观破碎度空间分布、景观多样性空间分布等展开研究,探明了研究区景观格局特征.在此基础上结合生态学理论和乡村振兴总体要求,提出研究区乡村景观优化思路.结果表明:(1)研究区景观类型可分为水田、坡耕地、有林地、疏林地、经果林、石漠化灌丛等10 类,其中坡耕地和石漠化灌丛是主要景观类型,石漠化灌丛是优势景观类型,道路、水系和居民点景观面积占比较小.(2)研究区西北部和西南部以人工景观的分布为主,景观破碎化程度高;北部石漠化景观集中连片分布,景观多样性和异质性指数较低.(3)从景观格局优化、产业结构调整两个角度对研究区乡村景观进行了优化,优化后形成了较为完善的生态网络格局,生态系统稳定性提升;种植结构的调整提升了景观结构复杂程度和土地利用价值,也优化了研究区的生态环境,为乡村旅游业的发展创造了条件.结果可为喀斯特地区乡村振兴规划及实施提供理论参考.

杉木是我国特有的重要人工用材树种.近年来,由于不可持续的造林措施,杉木人工林存在着土壤肥力退化、生产力下降等问题.混交林与纯林相比在林分稳定性、抗御病虫害、提高林地生产力以及发挥森林多种效益等方面有明显优势,营造混交林是解决目前杉木人工林生产力下降等问题的理想途径.对 1985-2021 年国内杉木混交林的研究成果进行归纳总结,讨论营造混交林对杉木林下土壤理化性质、养分循环、微生物、酶活性和生产力的影响,阐明混交可平衡土壤微生态、增加凋落物和土壤有机质含量,提高土壤肥力和生产力.可为改变杉木林树种单一、纯林化的现状,充分发挥杉木林生态效益提供理论依据.

晋西黄土区具有典型的残塬沟壑地貌特征,该地区植被恢复时间较长,探究植被恢复对土壤理化性质的长期影响,以及开展环境因子长期定位观测,对实现区域生态修复与保护具有重要意义.以晋西黄土区四种典型植被恢复林地(辽东栎次生林地、刺槐人工林地、油松人工林地、侧柏人工林地)为研究对象,测定 2006 年、2012 年、20017 年不同土层(0-10 cm、10-20 cm、20-40 cm、40-60 cm、60-80 cm、80-100 cm)土壤理化性质(有机碳、全氮、全磷、全钾、酸碱度、土壤容重、砂粒、粉粒、黏粒),采用主成分分析、冗余分析、相关性分析等统计方法,探讨长期植被恢复下土壤中各因子的变化和相互作用规律,分析不同植被类型对土壤属性时空异质性的影响.结果表明:在长期植被恢复过程中,不同林分土壤有机碳和全氮含量会表现为初期增加,然后下降.土壤全钾和全磷含量则是先减少后增加,植被恢复增强了土壤有机碳和全氮的积累.土壤的酸碱度、容重、砂粒、粉粒、黏粒的变化则不明显,这些属性在植被恢复期内受到的外部影响较小.总体来说,长期植被恢复增加了土壤养分含量、土壤砂粒、土壤粉粒,降低土壤容重、土壤黏粒.相比人工林,辽东栎次生林改善土壤结构、增加土壤肥力的效果最好.冗余分析表明,不同植被类型长期恢复条件下,影响土壤养分含量最主要的属性存在差异,刺槐的土壤粉粒、侧柏的土壤容重对多年土壤养分变化的贡献度最高.本研究结果可为黄土残塬区的长期植被恢复实践工作的生态效益评估提供数据支持和理论依据.

凋落物所处的土壤微环境是影响其分解的关键因素之一,然而在黄土高原广泛栽植的刺槐人工林中,土壤微环境随林龄增加如何改变、其对凋落物分解过程的影响趋势尚不清楚.为明确上述问题,以油松凋落物(典型的难分解凋落物)和白三叶凋落物(易分解)为对象,分别在林龄为 10、20、33 a和 43a的刺槐林地土壤表面进行为期 592 d的模拟分解试验,检测凋落物分解特征以及地表土壤理化生物学性质随林龄增加的变化趋势,并分析凋落物分解速率与土壤微环境指标间的关系.结果表明:(1)随林龄增加,油松凋落物的分解速率呈先小幅降低后提高的趋势,白三叶凋落物的分解速率持续提高(P＜0.05);(2)总体而言,随林龄增加林地表层土壤温度呈先降后增趋势,土壤湿度、有效磷含量和pH持续降低,而速效氮含量持续提高(P＜0.05);(3)林龄增加显著改变了林地土壤微生物群落结构,特别是在各分解时间点时均导致真菌属的明显演替现象.土壤中 9种凋落物分解酶的总酶活性和木质纤维素酶活性均在分解第108 天时随林龄增加呈先降后增趋势,而在分解第389 天和第592天时持续提高(P＜0.05).(4)油松凋落物分解速率仅与土壤总酶活性、真菌群落结构和铵态氮含量呈显著正相关,白三叶凋落物分解速率则与总酶和木质纤维素酶活性、细菌和真菌群落结构、温度和铵态氮含量显著正相关,而与土壤湿度和pH显著负相关(P＜0.05).综上所述,刺槐林龄增加引起的土壤理、化和生物微环境变化总体倾向于加速凋落物的分解过程.

植物细根养分生态化学计量特征是植被适应土壤环境的一种策略.为了解喀斯特地区不同林地类型细根碳(C)氮(N)磷(P)的生态化学计量比值的季节变化及其影响因素,该文研究了喀斯特地区灌木林和乔木林活细根和死细根的C、N、P含量和比值及其与环境因子的关系.结果表明:(1)总体上乔木林两类细根C、N、P含量高于灌木林,表明乔木物种细根对养分的吸收和储存比灌木物种更强.另外,两种林地类型活细根C含量显著高于死细根(P＜0.05),而活细根N、P含量则低于死细根.(2)两种林地类型的两类细根C含量在雨季均低于旱季;灌木林活细根N、P含量在雨季高于旱季,而乔木林相反.灌木林活细根C∶N、C∶P和N∶P比值在雨季均低于旱季;乔木林两类细根的C∶N和C∶P比值在雨季高于旱季,而N:P比值则是雨季低于旱季.雨季较低的活细根N:P比值,表明灌木林和乔木林的植物在雨季的P限制程度较低.(3)两种林地类型上坡两类细根的C含量均高于中坡和下坡,而灌木林下坡N、P含量相对较高,乔木林中坡N、P含量相对较高;灌木林上坡两类细根C∶N、C∶P、N∶P比值相对较高,乔木林下坡两类细根的C∶N比值高于其他坡位而C∶P和N∶P比值是上坡高于其他坡位,表明两种林地中的植物在上坡受P限制影响较强,在中下坡受影响较弱.(4)冗余分析表明,林地类型、有效磷、季节是细根C、N、P养分含量及比值的主要影响因子,它们的单独解释量分别为18.8％、6.6％、6.5％.上述结果表明,在人工促进植被恢复时应考虑适当的林地类型、季节以及坡位差异造成的N∶P比值变化的影响,以便加快喀斯特生态系统的恢复.