为实现大兴安岭地区落叶松天然林的全周期可持续经营,以新林林业局翠岗林场3块100m×100m不同演替阶段(白桦林、落叶松-白桦混交林和落叶松林)的天然林固定调查样地数据为基础,采用统计模型(对数正态模型)、生态位模型(断棍模型、生态位优先占领模型、Zipf模型、Zipf-Mandelbrot模型)和中性模型(群落零和多项式模型、Volkov模型)对不同演替阶段天然林的乔木层、幼苗层和由乔木层划分的不同林层的物种多度格局进行拟合,并用x2检验和Kolmogorov-Smirnov检验选择最佳模型.结果表明:(1)在大兴安岭地区不同演替阶段的落叶松天然林群落中,Zipf-Mandelbrot模型的拟合效果均最好.(2)对数正态模型对于稳定的演替阶段白桦林和落叶松林的群落相较于过渡阶段群落落叶松-白桦混交林的物种多度分布的拟合效果更好.(3)在大兴安岭地区落叶松天然林中,生境过滤主导群落构建,随着群落不断演替生境过滤和中性过程减弱.(4)天然林群落乔木层的群落构建过程与乔木层内不同生长阶段林层的构建过程不同,生境过滤过程在落叶松林乔木层中逐渐减弱,而在落叶松林不同生长阶段的林层和更新层中增强.

物候是气候变化敏感指标,是陆地生态系统模型的关键参数.目前关于气候变化对物候影响的研究较多,但关于多环境因子交互作用对秋季物候影响的研究尚不充分,制约着物候变化机制的认知与模型发展.以兴安落叶松幼苗叶黄期为研究对象,采用控制实验研究叶黄期对升温、光周期和氮添加变化及其交互作用的响应.结果表明:(1)升温对兴安落叶松幼苗叶黄期的影响较显著,升温使叶黄始期和叶黄普期显著提前,完全变色期不显著推迟;(2)光周期变化对叶黄期的影响极显著,光周期延长使叶黄始期和叶黄普期显著提前,完全变色期显著推迟;(3)叶黄期与氮添加量相关性不显著;(4)升温、光周期和氮添加变化双因子交互作用对叶黄始期和叶黄普期的影响均极显著且均存在极值,但对完全变色期的影响均不显著:升温与光周期延长交互作用使叶黄始期和叶黄普期提前,且在升温1.5℃、光周期14h时最显著;光周期延长与氮添加交互作用使叶黄始期和叶黄普期提前,且在施低氮(5g N m-2 a-1)、光周期10h时最显著;升温与氮添加交互作用使叶黄始期和叶黄普期提前,且在施高氮(20g N m-2 a-1)、升温1.5℃时最显著;(5)升温、光周期和氮添加变化交互作用对叶黄始期和叶黄普期影响极显著,对完全变色期的影响不显著.这表明,升温、光周期延长和氮添加将延长兴安落叶松幼苗叶黄期,从而增加兴安落叶松幼苗的固碳时间.研究结果可为物候模型发展以及森林生态系统碳估算提供依据.

研究大兴安岭落叶松林、白桦林和落叶松+白桦混交林3种次生林中,不同树种(落叶松、白桦和其他)和不同大小级(Ⅰ～Ⅴ级)树木的空间分布格局及其尺度效应.结果 表明:3个林型中,仅落叶松林的更新数量达到良好状态,其余2种林型均为更新不良;各林型中,更新层幼苗、幼树的数量组成均与乔木层存在显著差异,且各林型中树木的直径(落叶松林和落叶松+白桦混交林除外)和树高分布也不够合理,3个林型均属于不稳定群落.各林型内林木空间分布整体以聚集分布为主,但方差/均值比率、负二项指数、Green指数、平均拥挤度和Morisita指数5个判别指数随尺度的变化显著不同,并以线性递增(40％)、幂函数递增(22％)和负二次多项式(20％)趋势为主.Ⅰ～Ⅲ级的更新层林木在不同尺度上以聚集分布为主,而乔木层(Ⅳ～Ⅴ级)在多种分布格局间波动,其对尺度的响应同样以线性递增(44％)、幂函数递增(15％)和负二次多项式(12％)为主.同一林型和取样尺度下,林木空间聚集程度整体随着林木大小级的增加呈线性下降趋势.各林型中,非优势树种的种群格局规模往往大于优势树种,而更新层林木空间格局规模大于乔木层.

本研究于2018-2019年对大兴安岭中部白桦林、针叶林和针阔混交林3种林型的种子雨落种量进行了动态监测,并对3种林型主要树种的种子雨季节动态、落叶动态、种子雨千粒重、种子雨年际变化和种子雨空间格局进行了分析.结果表明:各林型中兴安落叶松种子雨和白桦种子雨呈现明显的单峰型分布.针阔树种(落叶松、樟子松、云杉、白桦、山杨)的落叶量呈现出明显的季节动态,各林型落叶量大多在9月中上旬达到高峰.在针阔混交林和针叶林中,处于高峰期的兴安落叶松种子雨千粒重明显大于初始期和末尾期的兴安落叶松种子雨千粒重,3种林型下白桦千粒重在季节上未表现出明显的差异.兴安落叶松和白桦的种子雨均呈现出明显的年际变化,2018年为种子散种量的丰年,2019年为歉年.两年时间内,所有种子雨的空间格局在总体上均表现为聚集分布,种子雨和幼苗幼树在空间分布格局上存在一致性.

林火干扰是影响兴安落叶松林结构和功能的主要因子之一.兴安落叶松种群火后更新受多种因子的影响,并决定着该群落演替轨迹.通过在大兴安岭呼中自然保护区的火烧迹地内设置原位控制实验,利用增强回归树分析方法,量化研究了落叶松火后恢复初期不同影响因子(温度、有机质层厚度、覆盖度等)对种子萌发的相对重要性.研究结果表明:落叶松火后种子萌发的最主要影响因子为温度,第二影响因子为种源,第三影响因子为草本覆盖度,分别解释了幼苗数量变异的28.51％、22.40％、20.66％;各影响因子的相对重要性在不同地形条件下有明显差异:温度在山坡顶部和阳坡底部占有重要影响,种源在阳坡中部和阴坡中部最为重要,土壤含水量在阴坡底部占有重要地位.同时,去除土壤表面有机质可以显著提高种子萌发数量,去除地面杂草则会使种子萌发数量降低.从研究结果可知,落叶松火后种子萌发在不同地形(环境条件)下的限制因子不同,人工辅助需因地制宜采取相应措施,才能更有效地促进种子萌发与森林恢复.

受林火干扰和采伐等因素的影响,大兴安岭原始林逐渐退化为次生林.本研究选择天然白桦纯林(先锋阶段)、天然白桦-兴安落叶松混交林(过渡阶段)和天然兴安落叶松纯林(顶极阶段)3种典型林分,各设置固定样地16块,采用种群年龄和树高结构、静态生命表、生存分析、动态指数及时间序列预测的方法量化分析共优势种(白桦、兴安落叶松)和乔木树种全体的变化规律,为天然兴安落叶松林的恢复和发展提供科学依据.结果表明:各阶段共优势种和乔木树种全体的幼龄数目均较多,种群具有较强的自我更新潜力,随着演替的进行,各龄级白桦株数逐渐减少,兴安落叶松株数逐渐增多.乔木树种全体和白桦在过渡阶段、兴安落叶松在先锋阶段的死亡率和消失率随龄级的增加逐渐升高,存活曲线为Deevey-Ⅰ型,生存分析结果显示,种群前期平稳,中期增长,后期衰退;在其他阶段死亡率呈小幅度波动,存活曲线均为Deevey-Ⅱ型,种群具有前期增长、中期衰退、后期稳定的特点.共优势种和乔木树种全体在3个演替阶段均为增长型,其中先锋阶段白桦、顶极阶段兴安落叶松和乔木树种全体对环境的敏感指数最小.时间序列预测结果表明,各阶段共优势种和乔木树种全体在未来一段时间内均会增长.在森林演替过程中,需加强对幼苗幼树的保护,对盖度大的林分进行疏伐,采取适当的人为措施以确保种群的更新.

兴安落叶松在东北地区森林生态系统的结构与功能中起着重要作用,气候变化背景下东北地区气温增加且光照缩短必将影响兴安落叶松的变化,特别是物候这一气候变化的敏感指标.弄清其物候对气候变化的响应有助于揭示兴安落叶松的变化趋势.但是,当前关于兴安落叶松物候对温度、光周期及其协同作用的响应机制仍不清楚.针对东北地区温度剧增、日照时数减少的特点,2019年4月至11月开展了3年生兴安落叶松幼苗主要物候期响应温度和光周期变化的大型人工气候室模拟控制实验.结果表明:(1)不同程度的增温对兴安落叶松生长周期(展叶始期至完全变色期)无显著影响,但显著缩短生长盛期(展叶盛期至叶变色普期),且增温2.0℃较增温1.5℃对生长盛期影响更大.(2)长光照显著增加兴安落叶松的生长周期(9.25 d),短光照对兴安落叶松生长周期的影响不显著,且长光照和短光照均使兴安落叶松生长盛期缩短,二者对兴安落叶松生长盛期影响表现一致.(3)长光照、短光照分别与增温协同作用均使兴安落叶松生长盛期缩短,其中增温2.0℃与长光照协同作用对生长盛期缩短更显著(34.67 d).(4)与生长始期(展叶始期)和末期(完全变色期)相比,兴安落叶松生长盛期对温度响应更敏感,除叶变色普期外,兴安落叶松物候温度敏感度均随温度升高而降低.不同增温条件下,光照减少降低叶变色始期的温度敏感度,但增温1.5℃时光照减少降低展叶盛期的温度敏感度,增加叶变色普期的温度敏感度;增温2.0℃则相反.东北地区气候变化不利于兴安落叶松生长,且增温2.0℃较增温1.5℃更为不利.研究结果可为理解东北地区生态系统结构与功能变化提供依据.