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.

物种多样性是生物多样性的重要组成部分.森林演替过程中物种多样性的变化会直接影响生态系统功能和稳定性.因此,揭示森林演替过程中物种多样性变化及其与影响因子之间的关系,对于准确预测森林生态过程和生物多样性格局具有重要意义.该研究选择大兴安岭北部白桦(Betulapla typhylla)林(演替前期)、白桦-兴安落叶松(Larix gmelinii)混交林(演替中期)和兴安落叶松林(演替后期)为研究对象,采用空间代替时间的研究方法,分析我国寒温带地区森林演替过程中物种多样性的变化规律及其与影响因子之间的关系.结果表明:(1)大兴安岭北部森林演替过程中物种丰富度和多样性呈显著增加趋势,演替初期Margalef丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指数分别为2.42和2.69,演替末期则分别为5.90和3.43;而物种Pielou均匀度指数无显著差异.(2)随森林演替的进行,植物群落的相似性逐渐降低,差异性逐渐增强,Jaccard指数、Sorenson指数和Bray-Curtis指数均减小.(3)森林演替过程中土壤pH、有机质含量、全氮含量和全磷含量对物种多样性存在显著影响,其中全氮含量和全磷含量是演替前期和中期物种多样性的主要影响因子,土壤pH和有机质含量是影响演替后期物种多样性的主要因子.(4)随着演替的进行,林分空间结构对物种多样性的影响逐渐增强,角尺度和大小比数是影响物种多样性的主要空间结构因子.以上结果表明大兴安岭北部森林演替过程中土壤因子对物种多样性具有主导作用,而林分空间结构对森林演替过程中物种多样性的驱动作用也不容忽视.

土壤碳通量是森林生态系统碳循环的重要组成部分,根系对土壤碳通量起着关键作用,研究根系对土壤碳通量的影响对寒温带冻土区温室气体研究有重要意义.以杜香-兴安落叶松林(DXL)、杜鹃-兴安落叶松林(DJL)和苔藓-兴安落叶松林(TXL)为研究对象,通过壕沟法进行断根处理,采用便携式土壤呼吸仪G4301对土壤碳通量进行日动态和月动态变化测定与分析.结果表明:6-11月,断根对DXL和DJL 土壤CH4的吸收起抑制作用,降幅分别为15.16％—54.31％和11.26％—33.84％,对TXL土壤CH4的排放起促进作用,增幅为19.22％—75.52％;对3种类型兴安落叶松林土壤CO2的排放均起抑制作用,其中对TXL影响最大,对土壤CO2降幅为32.29％—87.62％.断根对DXL和TXL 土壤CH4的影响在8月最为显著,增幅分别为-54.31％和75.52％,DJL在11月影响最为显著,降幅为33.84％.断根对3种类型兴安落叶松林土壤CO2排放的影响在6-11月均达到显著程度,其中在11月最为显著,降幅为54.94％-87.62％.断根对3种类型兴安落叶松林土壤CH4通量日动态影响差异不显著;而对土壤CO2通量的影响显著,其中在14:00-18:00影响最为显著,降幅为31.87％-62.26％.土壤温度和空气温度是根系影响土壤碳通量变化的主要因子,断根处理增强了土壤温度对其日变化和月变化的影响,减弱了空气温度对其日动态的影响.这表明,根系自养产生的土壤碳通量可能在日动态变化中更活跃,而在月动态变化中更稳定.

土壤微生物在森林生态系统能量流动和物质循环过程中发挥着不可替代的作用.兴安落叶松(Larix gmelinii)是我国大兴安岭地区的优势树种,而阿尔山地区是其在我国分布的最南端,受气候变暖影响较为显著,因此探索兴安落叶松林下土壤微生物群落结构对了解和维护我国东北地区森林生态系统的稳定有重要意义.在本研究中,我们从阿尔山白狼镇、天池镇采集兴安落叶松林下土样,通过高通量测序技术,依据97％相似性原则,将细菌序列划分为5,163个可操作分类单位(operational taxonomic units,OTUs),真菌序列划分为2,439个OTUs,其中门水平优势细菌为放线菌门、变形菌门、疣微菌门、绿弯菌门和酸杆菌门,优势真菌为担子菌门和子囊菌门;属水平上,优势细菌为Candidatus_Udaeobacter,优势真菌属为丝盖伞属(Inocybe)、蜡壳耳属(Sebacina)、Piloderma和棉革菌属(Tomentella).天池镇的细菌多样性显著高于白狼镇,而真菌多样性在两地间无显著差异.土壤pH和阳离子交换量是驱动土壤细菌多样性的主要因子,而土壤全氮和有机碳是驱动真菌多样性的主要因子.土壤全氮、有机碳、速效磷和阳离子交换量是影响土壤细菌群落组成的重要理化因子,而土壤理化性质对真菌群落组成的影响不显著.绿弯菌门的相对多度与pH显著正相关;担子菌门与土壤全氮和有机碳显著负相关,而子囊菌门与土壤全氮、有机碳和阳离子交换量显著正相关.

火烧是北方森林生态系统的重要扰动因子,而黑碳作为火烧后的产物在森林土壤中普遍存在.虽然黑碳对树木生长有积极影响,但对黑碳和促进树木生长的微生物(如菌根真菌)之间的协同作用还知之甚少.外生菌根(ECM)真菌作为北方森林生态系统中针叶树种与土壤联系的桥梁,探究火烧后ECM真菌群落的变化可为火烧后北方森林生态系统碳库恢复与科学管理提供理论依据.该研究以大兴安岭地区兴安落叶松(Larix gmelinii)林为研究对象,利用高通量测序的方法对ECM真菌进行鉴定,探究生长季中火烧和黑碳添加处理下ECM真菌群落的变化特征及其关键影响因子.研究结果显示:(1)在生长季中,与对照相比,火烧处理下ECM真菌的α多样性显著下降了31.52％,而黑碳添加处理下的α多样性显著增加了49.02％.β多样性分析也显示生长季中火烧和黑碳添加处理下ECM真菌群落物种组成存在显著差异.(2)在生长季中,火烧处理的ECM真菌的丰度显著下降了46.35％,但火烧处理对担子菌门物种丰度的增加影响显著,而黑碳添加处理对子囊菌门与担子菌门物种丰度的增加均有影响.(3)在生长季中,火烧和黑碳添加处理中ECM真菌群落物种组成均受到土壤pH、含水率和全氮含量的显著影响,但在黑碳添加处理中与土壤pH和全氮含量正相关,与土壤含水率负相关.该研究表明,火烧降低了生长季中兴安落叶松林ECM真菌的多样性,并显著降低了其丰度.但是,火烧后黑碳的添加通过影响土壤pH以及土壤氮含量,促进了ECM真菌恢复并增加了其多样性.

野火是大兴安岭活跃的生态干扰因子,显著影响火烧迹地土壤有效磷(AP,Available Phosphorus)和土壤微生物生物量磷(MBP,Microbial Biomass Phosphorus),本文旨在了解兴安落叶松林火烧迹地AP、MBP的时空演变特征,并在此基础上探究两者间的偶联机制.采用"以空间换时间"的研究方法,于大兴安岭塔河地区兴安落叶松林火烧迹地选取实验样地,于未过火兴安落叶松林选取对照样地,踏查每个样地的海拔、坡度、坡向、坡位信息,测定火烧迹地土壤AP、MBP含量,分析兴安落叶松林火烧迹地AP与MBP的时空演变特征.火干扰后,火烧迹地土壤AP、MBP含量均随恢复时间表现出先减少后增加的趋势,恢复初期火烧迹地MBP含量显著低于未过火样地,AP含量显著高于未过火样地(P＜0.05);不同海拔火烧迹地AP、MBP含量差异显著(P＜0.05),不同海拔未过火样地AP、MBP含量均无显著差异(P＞0.05).火烧迹地土壤MBP、AP的随机森林回归模型的模型总解释度约为84％,而未过火样地的模型总解释度约为60％,两个模型均达到了极显著水平(P＜0.001),在对照样地随机森林回归模型中,坡位达到了显著水平(P＜0.05),坡向、坡度、海拔三个地形因子达到了极显著水平(P＜0.01),在火烧迹地随机森林回归模型中,所有解释变量均达到了极显著水平(P＜0.01).火干扰对土壤微生物的影响是一个长期过程,相较于AP,MBP对火干扰的响应更为敏感.火干扰会显著加强地形因子对AP、MBP的影响力,并改变地形因子对AP、MBP影响力的相对重要性.

通过测定中度火干扰后塔河地区兴安落叶松(Larix gmelinii)林生长季土壤呼吸(Rs),并进一步探究火干扰后影响土壤呼吸变化的主要环境因子.选择在塔河林业局火烧4年后兴安落叶松林中度火烧迹地设置样地,选择临近未过火区域设置对照样地.土壤呼吸通量用LI-8100进行测量,土壤异养呼吸(Rh)采用壕沟法进行测量.火烧迹地与未火烧对照样地生长季土壤呼吸速率平均值分别为(3.67±1.03) μmol CO2 m-2 s-1,(4.21±1.25) μmol CO2m-2 s-1.火烧迹地土壤呼吸速率显著降低(P＜0.05).生长季土壤呼吸组分的动态变化表明,土壤呼吸速率的降低是因为土壤自养呼吸(Ra)显著降低导致的(P＜0.05).温度是控制这一地区生长季土壤呼吸变化的主要环境因子.与对照样地相比,火烧迹地土壤呼吸的变化与土壤温度具有更强的相关性.塔河地区兴安落叶松林火烧迹地和未火烧对照样地Q10分别为5.85±1.06,4.25± 1.19,火干扰后Q10显著增加(P＜0.05).研究结果表明:在全球气候变化的背景下火干扰后中国塔河地区兴安落叶松林生态系统对温度的变化更为敏感.本研究结果将为研究中国塔河地区火干扰后碳循环变化提供数据支持.

为探讨小兴安岭凉水自然保护区森林生态系统中地表鞘翅目成虫群落对不同人为干扰梯度的响应,于2015年7月、8月和10月分别对轻度干扰[原始阔叶红松林(KY)和谷地云冷杉林(YL)]、中度干扰[阔叶红松择伐林(ZF)和次生白桦林(BH)]及重度干扰[落叶松人工林(RL)和红松人工林(RHS)]的6个林型进行取样调查.结果表明:(1)整个采样周期共捕获地表鞘翅目成虫879只,隶属9科44物种;其中轻度干扰生境共捕获6科29种251只(KY捕获5科21种150只,YL捕获4科20种101只),中度干扰生境捕获6科27种276只(ZF捕获3科20种144只,BH捕获6科23种132只),重度干扰生境捕获6科29种352只(RL捕获4科22种232只,RHS捕获5科17种120只).(2)7月和8月步甲科和葬甲科占据数量优势,10月步甲科和葬甲科成虫数量明显减少而隐翅虫科数量占优势;不同林型及不同干扰梯度地表鞘翅目成虫物种总数和总个体数于7、8、10月均表现为下降趋势,且群落多样性也呈不同程度下降.(3)林型和月份对地表鞘翅目成虫群落结构具有显著影响,干扰梯度对群落结构无显著影响;6个林型之间地表鞘翅目成虫个体数量具有显著差异,但在物种组成上无显著差异;不同干扰梯度间地表鞘翅目成虫个体数、物种数无显著差异,且随干扰梯度变化没有明显的梯度性规律;相似性系数和聚类分析表明,属于同一干扰梯度的两个林型没有表现出高度的相似性.本研究表明干扰梯度不是决定各林型间地表鞘翅目成虫群落多样性存在差异的主要原因,凉水森林生态系统地表鞘翅目成虫对不同干扰梯度的响应不符合中度干扰假说,林型和时间则是影响地表鞘翅目成虫群落组成的显著因素,本实验为地表生物多样性保护和森林生态系统管理提供数据支撑.

准确理解天然林林分群落特征及其与物种多样性耦合关系是提升天然林管理、达到多样性保护的关键.选择大兴安岭呼中地区典型落叶松林、杂木林、白桦落叶松林为研究对象,分别对乔木层、灌木层和草本层特征(高度、胸径、冠幅、盖度等)进行调查并计算丰富度指数、多样性指数和均匀度指数,旨在探究林分间差异及其耦合关系变化.结果表明:(1)乔木层的树高、枝下高表现出杂木林＞落叶松林＞白桦落叶松(P＜0.05);落叶松林的胸径比白桦落叶松林和杂木林的高出6％和11％;灌木层的高度、盖度、地径、冠幅和草本层多度、盖度、高度在森林类型间均未表现出显著差异.(2)3个森林类型的乔、灌、草丰富度指数R、Shannon-Wiener指数及Simpson指数均表现出杂木林最大,乔木层和草本层呈相同规律,即杂木林＞白桦落叶松林＞落叶松林,而灌木层表现出杂木林＞落叶松林＞白桦落叶松林;白桦落叶松林和杂木林的乔木层均匀度Pielou指数和Alatalo指数约为落叶松林的3倍左右,而在灌木层和草本层在森林类型间差异不显著(P＞0.05).(3)典范对应分析(CCA)结果表明林分群落特征和生物多样性关系存在明显森林类型间差异.总体表现为灌木特征(冠幅、地径)、草本层特征(盖度、多度和高度)对多样性均有较大影响;白桦落叶松林和杂木林的胸径对多样性影响明显,而落叶松林的乔木高度(树高、枝下高)对多样性影响较大.杂木林随着灌木盖度、草本高度的增加,草本物种多样性降低、乔木多和灌木物种多样性增加;而落叶松林相同的多样性变化多伴随草本高度增加、多度和盖度变小.灌木层物种多样性增加多与乔木和草本物种多样性降低相伴随,在杂木林中同时伴随着乔木胸径和草本的盖度、多度增大、灌木冠幅变小,而白桦落叶松林则伴随灌木冠幅和草本多度盖度的减小.以上结果表明,林分群落特征与物种多样性存在耦合关系,上述解耦合结果为通过维持良好森林结构、多样性保护具有实践意义.

自动曝光是影响半球摄影法(DHP)测量叶面积指数(LAI)精度的重要误差源之一.本研究基于小兴安岭地区的阔叶红松林、白桦次生林、红松人工林和兴安落叶松人工林,利用DHP和LAI-2200植物冠层分析仪分别测量6-9月每个月中旬的LAI,首先比较两种方法测量LAI的差异性,再检验森林类型和测量时期对建立两种方法测定值间的相关关系是否存在显著影响,最后构建适于校正不同森林类型不同时期自动曝光对DHP测量LAI产生误差的经验模型.结果表明:4种森林类型4个时期内,在自动曝光设置下DHP测量的LAI比LAI-2200测量值低估20％ ～49％;森林类型对构建两种方法测量LAI值的经验模型不存在显著影响,而测量时期存在显著影响.本研究构建的A、B两种分类经验模型,分别适用于校正4种森林类型在6和9月、7和8月DHP测量的LAI.经分类经验模型校正后,DHP测量4种森林类型4个时期的LAI值提高了45％～79％,测量精度可提高到83％～94％.通过DHP和LAI-2200测量LAI值间的经验模型,可有效校正自动曝光对DHP测量LAI的影响,极大地提高其测量精度,为使用DHP快捷、高效地测量不同森林类型的LAI及其季节动态提供技术支持.