降雨是影响黄土高原地区植被生长的主要限制因子,但植被群落结构间存在的差异使其对凋落物和土壤养分的影响存在较大的不确定性.以黄土区油松人工纯林、刺槐人工纯林、油松-刺槐人工混交林、山杨-辽东栎天然次生林为对象,研究了林冠对降雨的再分配特征、凋落物储量、土壤有机碳(SOC)、总氮(STN)、总磷(STP)含量随林型的变化,分析了不同降雨分配特征对凋落物、土壤养分的影响.结果表明:(1)4种林分类型间降雨再分配特征具有一定差异性,油松林、刺槐林、油松刺槐林、次生林累计穿透雨率分别为86.43％、85.37％、71.68％、64.77％,树干径流率为1.0％、1.6％、1.3％、3.2％,树冠截流率为12.48％、13.01％、27.00％、31.93％.(2)不同林分类型SOC、STN、STP以及凋落物养分释放效率表现出显著差异性,天然次生林养分含量整体上高于人工林.(3)4种林分类型中,刺槐林的土壤C∶N最低,其它3种林分的土壤C∶N无显著差异;天然次生林的土壤N∶P和C∶P最高,油松林和刺槐林的土壤N:P无显著差异.(4)穿透雨和林冠截流的变化能够影响土壤N、P组分和凋落物C、N、P元素释放率,但对土壤C组分影响较小.综上所述,黄土高原地区植被恢复过程中,降雨能够提高土壤养分含量,促进凋落物养分归还.天然次生林对改变降雨分配特征和土壤养分特征的潜力更大,自然恢复更有利于土壤养分积累.

为探究不同人工林型微生物残体碳(Microbial necromass carbon,MNC)对土壤有机碳组分的积累贡献及影响因素,在黄土高原选取刺槐林、山杏林、油松林为研究对象,分析了三种人工林0-60 cm 土层真菌残体碳(Fungal necromass carbon,FNC)、细菌残体碳(Bacterial necromass carbon,BNC)、MNC 对颗粒态有机碳(Particulate organic carbon,POC)和矿物结合态有机碳(Mineral-associated organic carbon,MAOC)的积累贡献及其影响因素.结果表明:(1)三种人工林POC、MAOC中FNC、BNC、MNC含量均随土层深度的增加而降低;(2)刺槐林和山杏林MNC对MAOC的积累贡献(60.9％,52.0％)高于POC(33.5％,49.5％),其中FNC对MAOC的积累贡献分别是BNC的4.4和2.5倍,油松林在0-10 cm 土层MNC对POC的积累贡献(73.8％)高于MAOC(48.2％),其中FNC对POC的积累贡献是BNC的3.5倍,而在10-60 cm 土层MNC对MAOC的积累贡献(30.9％)高于POC(24.4％),其中FNC对MAOC的积累贡献是BNC的3.4倍;(3)总有机碳和全氮含量与MNC/POC、MNC/MAOC呈显著正相关关系(P＜0.05),黏粒含量与MNC/MAOC呈显著正相关关系(P＜0.05),pH值、砂粒含量与MNC/MAOC呈显著负相关关系(P＜0.05).说明黄土高原三种人工林0-60 cm 土层MNC主要贡献MAOC的积累,油松林0-10cm 土层除外,且与细菌残体碳相比,真菌残体碳在土壤有机碳组分积累中的贡献更大,土壤总有机碳、全氮、黏粒、砂粒含量、pH值是影响该区不同人工林型微生物残体碳贡献土壤有机碳组分积累的主要因素.

以山西吉县蔡家川小流域人工油松林、刺槐林及油松×刺槐混交林为对象,分析不同林型下油松和刺槐根生物量密度、根长密度、根表面积密度的垂直分布特征及其与土壤理化性质的关系.结果表明:与纯林相比,混交林中油松、刺槐的总根生物量密度提高75％以上;油松根系主要分布于浅层(0～40cm),刺槐根系集中在较深层次(40～80 cm).在不同径级的根系中以细根为主,细根的根长密度及根表面积密度表现为混交林中刺槐＞混交林中油松＞刺槐纯林＞油松纯林,细根的根生物量密度表现为混交林中油松＞混交林中刺槐＞油松纯林＞刺槐纯林;在垂直剖面上,油松纯林、刺槐纯林及混交林中油松、混交林中刺槐的总根生物量、细根生物量、根长密度和根表面积密度均随土层深度增加而减少.不同林型下油松、刺槐的细根根长密度、根生物量密度和总根长密度与土壤全氮、有机碳及含水量呈显著正相关,总根表面积密度与土壤有机碳、含水量及全氮呈显著正相关.油松和刺槐纯林及混交林的根系分布呈现出不同的规律,与纯林相比,混交林的根系生物量及其土壤养分、水分含量更高.

森林生态系统化学计量对于阐明养分元素在生态系统中的供应状况及其耦合关系,揭示影响森林结构与功能恢复的限制性因子具有重要作用.本研究以辽东山区主要森林类型——次生阔叶混交林、柞树林、油松林和落叶松人工林、红松人工林为研究对象,通过测定叶片、凋落物和土壤的C、N、P含量,分析了不同林型的化学计量特征及差异.结果表明:1)不同林型的C、N、P含量差异显著,且各林型叶片和凋落物C、N、P含量均大于土壤;其中阔叶混交林土壤N含量最高,而柞树林土壤N含量最低.2)5种林型C∶N和C∶P变化趋势均为凋落物＞叶片＞土壤,N∶P为叶片＞凋落物＞土壤;其中叶片N∶P平均值为12.16,表明该地区植物生长可能存在N限制.阔叶混交林和柞树林与油松林、落叶松林和红松林N∶P差异显著,前者受N、P共同限制,后者受N限制.3)辽东山区森林植被叶片与凋落物的N、P、C∶N和N∶P均表现为正相关关系,土壤与叶片和凋落物N、C∶N均呈负相关关系.本研究表明,理解养分元素在“植物-凋落物-土壤”之间的生态化学计量特征,对于揭示整个森林生态系统的养分状况和生物化学循环过程极为重要.

为阐明不同人工林生态系统间生态化学计量特征的差异,采用野外采样与室内分析相结合的方式分析了陕北黄土丘陵区落叶阔叶树种刺槐和常绿针叶树种油松人工林乔木、灌草、枯落物和土壤(土层深度0-100cm)C、N、P化学计量特征.结果表明:1)刺槐乔木各器官(叶、枝、干、皮、根)C含量显著低于油松,但N和P含量显著高于油松.因此,油松的C∶N和C∶P显著大于刺槐,而N∶P小于刺槐.2)刺槐林下枯落物N和P含量显著高于油松,但C含量显著小于油松.此外,油松林下枯落物C∶N(70.21)大于刺槐林下枯落物C∶N(19.71),说明油松林下枯落物分解较慢,有利于养分的存储.3)刺槐和油松人工林土壤C、N含量均随土壤深度增加而减少,P含量则基本保持不变.刺槐人工林土壤中C含量低于油松,N、P含量在两者之间无显著差异.4)刺槐人工林内乔灌草叶、枯落物与土壤C、N、P及其计量比的相关性多集中在10-20、20-30cm土层,面油松林中各组分与土壤营养元素的相关性相对较小,其中20-30cm土层中无显著相关性,说明相比刺槐人工林而言,油松人工林内土壤层N、P供应量对植物叶片N、P含量影响不显著.本研究为深入了解黄土丘陵区生态系统养分耦合循环机制奠定了基础,同时也为黄土丘陵区的植被恢复工作提供了一定的指导意义.

以北京西山不同海拔梯度油松人工林为研究对象,对油松林PM2.5浓度变化和叶片PM2.5吸附量进行分析,并应用电子显微镜对不同海拔油松叶表面微形态特征进行观察,阐释叶片吸附PM2.5差异.结果表明:随着海拔升高PM2.5质量浓度逐渐降低,不同海拔油松林PM2.5质量浓度日变化均呈典型的双峰曲线,7:00和19:00是一天的两个峰值,最小值出现在13:00-15:00左右;从不同月份看,不同海拔油松林PM2.5质量浓度最高值出现在冬季的2月,最低值在8月;不同海拔油松林PM2.5质量浓度全年均值为84 m((102.28±18.44) μg/m3)＞110 m((94.18±18.34) μg/m3)＞160 m((81.53±19.23) μg/m3)＞230 m((75.39±15,71) μg/m3);随着海拔升高单位叶面积PM2.5吸附量逐渐减小,每升高50 m,单位叶面积PM2.5吸附量降低23.25％,每公顷PM2.5吸附量下降26.43％,不同海拔油松林每公顷PM2.5吸附量全年均值为84 m((8.61±1.08) kg/hm2)＞ 110 m((7.30±0.94)kg/hm2) ＞160 m((6.35±0.99) kg/hm2) ＞230 m((4.34±1.14) kg/hm2);处于低海拔的油松叶表面较粗糙,气孔内部和周围聚集大量颗粒物,在叶面形态上更有利于吸附PM2.5,高海拔则相反.高海拔空气质量优于低海拔,低海拔的植物吸附颗粒物多于高海拔.研究结果可为城市造林和森林净化大气提供数据支持.

土地利用方式变化能对土壤碳氮储量产生重要影响.为了探讨不同土地利用方式对土壤碳氮的影响,研究了黄土高原子午岭林区自退耕还林(草)工程实施以来(15年)自然恢复草地和人工油松林地0～100 cm土层土壤碳氮储量、碳氮比以及根系生物量的差异.结果表明:自然恢复草地和人工油松林地土壤有机碳均表现出表聚效应,自然恢复草地0～20 cm土层土壤有机碳储量显著低于人工油松林,而其他土层差异均不显著.人工油松林0～100 cm土层土壤总碳储量为117.94 Mg·hm-2,比自然恢复草地增加28.4％.两种植被类型土壤全氮储量在各土层间差异均不显著,但自然恢复草地0～ 100 cm土层土壤全氮总储量为7.69Mg·hm-2,比人工油松林高17.7％.自然恢复草地和人工油松林土壤铵态氮储量在各土层间差异均显著,自然恢复草地铵态氮储量显著高于人工油松林,且随土层增加表现为先增后降的趋势.而自然恢复草地和人工油松林土壤硝态氮储量只在0～20 cm土层差异显著,且自然恢复草地高于人工油松林.自然恢复草地和人工油松林土壤碳氮比表现为0～20 cm土层差异不显著,随土层的加深表现为人工油松林碳氮比显著高于自然恢复草地,且差异逐渐增大.自然恢复草地和人工油松林土壤碳氮储量与根系生物量均呈显著正相关.因此,自然恢复草地土壤有利于氮储量的积累,人工油松林土壤有利于土壤碳储量的增加,且根系是影响土壤碳氮储量分布的重要因子.

以吕梁山区3种人工林(山杨林、落叶松林和油松林)为研究对象,采用标准样地的实测数据,探索植物叶片、枯落物及表层(0-20 cm)土壤的碳(C)、氮(N)、磷(P)生态化学计量特征,并进行相关性分析,结果显示,不同森林类型同一组分C、N、P含量差异显著,叶片、枯落物、土壤的C、N含量均为山杨林大于落叶松林和油松林,P含量为落叶松林大于山杨林和油松林.3种森林C、N、P含量均为叶片＞枯落物＞土壤,且叶片与枯落物C、N、P含量显著高于土壤;C∶N、C∶P均表现为枯落物＞叶片＞土壤,N∶P则表现为叶片＞土壤＞枯落物,山杨林枯落物N:P与土壤N:P呈现显著正相关;落叶松林叶片C∶N与枯落物N∶P呈现显著负相关,叶片C∶P与土壤N∶P呈现显著正相关;油松林叶片N:P与土壤N∶P呈现显著正相关.以3种森林类型总体来说,叶片与土壤N含量呈现显著正相关,而枯落物与土壤C、N、P之间均无显著相关.上述研究表明,环境因素对土壤C、N、P计量特征的影响较大,尤其是纬度和海拔对土壤C、N、P及C∶N、C∶P的影响最为显著,且均为显著正相关;结果可为进一步研究该地区不同树种的养分利用和循环特征提供科学依据.

分析人工植被重建背景下,森林植物、枯落物与土壤的碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征有助于深入理解森林生态系统养分循环规律和系统稳定机制.以黄土高原子午岭地区的3个林龄(10、25 a和40 a)的人工油松林为对象,通过测定油松林叶片、枯落物和土壤的碳(C)、氮(N)、磷(P)含量,研究人工油松林不同林龄叶片、枯落物和土壤的化学计量学特征.结果表明,不同林龄油松叶片C、N、P含量分别为538.85-560.54 g/kg、9.00-10.47 g/kg和1.04-1.13 g/kg.在3个林龄油松林中,除叶片C含量外,叶片N、P含量存在显著差异(P＜0.05);枯落物层以及土壤层的C、N、P含量均存在显著差异(P＜0.05),且枯落物层含量大于土壤层.随着林龄的增加,叶片C∶N比呈现先减小后增大的变化,N∶P和C∶P比呈显著增加趋势,而枯落物层C∶N、C∶P和N∶P比无显著差异.同时,随着林龄的增加,除10-20 cm土层的C∶N比外,土壤的C∶N比在0-10 cm土层和C∶P和N∶P比在0-10和10-20 cm皆呈显著增加趋势.研究区油松林叶片N∶P比平均值为9.13,低于14,表明油松林生长主要受氮的限制.土壤的N含量与叶片和枯落物层的N含量、以及三者间N∶P比呈显著线性相关(P＜0.05),充分体现了油松林植物、枯落物与土壤之间的互动关系.研究结果可为我国黄土高原脆弱生态区的生态功能恢复与植被重建提供科学依据.

通过对山西太岳山油松人工林进行模拟氮沉降实验,探究土壤呼吸对模拟氮沉降刺激的短期响应动态.2015年7-8月,分3次分别对同一样地进行模拟氮沉降处理,水平皆为100 kg hm-2 a-1,同时采用LI-COR8150土壤碳通量自动观测系统全天候连续监测土壤呼吸动态,探究土壤施氮前后呼吸速率的动态变化以及呼吸速率与土壤温度和湿度的关联.结果表明:3次氮沉降处理均呈现出相同规律,土壤呼吸值在施氮后1d内达到最大值,随即下降,在施氮后第3天土壤呼吸趋于稳定;第一、二次氮沉降处理3d后土壤呼吸恢复到处理前的状态,并未表现出显著差异(P＞0.05).第三次氮沉降处理后土壤呼吸并未恢复到施氮前的状态,土壤呼吸均值由1.99 μmol m-2 s-1显著上升到3.39 μmol m-2 s-1(P＜0.05).这表明,氮处理对土壤呼吸产生了持续效应.施氮后土壤呼吸与土壤温度呈极显著(P＜0.001)指数相关(Rs=aebT),随着时间的推移,施氮处理解释土壤呼吸的相对贡献值由60％-69％下降到14％-59％.施氮提高了土壤温度敏感系数Q10值;土壤温度和湿度(Rs=aebT Wc)能更好的解释土壤呼吸变化,解释率达到49％-91％.在全球变化的背景下,研究模拟氮沉降对土壤呼吸、Q10的影响,可以对进一步模拟、预测全球暖温带地区森林碳循环和碳储量提供理论基础.