本研究依托国家林草局六盘山森林生态定位站,于2019年生长季(5月17日—10月12日)对香水河小流域华北落叶松人工林树干液流进行连续观测,并同步监测气象条件与土壤环境(土壤温度和土壤水分),分析不同天气下华北落叶松树干液流的综合环境响应.结果表明:在日尺度上,华北落叶松树干液流速率呈先升后降的变化趋势,液流速率大小表现为:晴天＞阴天＞雨天;树干液流速率在晴天呈单峰变化趋势,在阴、雨天均呈多峰变化趋势.晴天的液流启动时间和峰值时间早于阴、雨天,持续时间多于阴、雨天.不同天气树干液流的主导因子存在明显差异,饱和水汽压差是晴天和阴天树干液流的主导因子,其贡献率分别为31.1％和27.4％,而雨天液流的主导因子为太阳辐射,贡献率为40.1％.主成分分析表明,晴天树干液流的综合影响因子为水热复合因子(大气温度、土壤温度、土壤体积含水量)、水汽蒸腾因子(相对湿度、饱和水汽压差)和辐射因子(太阳辐射);阴、雨天树干液流的综合影响因子为蒸腾驱动因子(相对湿度、太阳辐射、饱和水汽压差)、综合热量因子(大气温度、土壤温度)和土壤水分因子(土壤体积含水量).晴天液流分别滞后于水热复合因子、水汽蒸腾因子和辐射因子110、80和70 min到达峰值;阴天和雨天液流分别提前于蒸腾驱动因子、综合热量因子和土壤水分因子10、20、30 min和140、60、150 min到达峰值.

近年来全球干旱事件频发,树木的生长受到严重影响.本研究选取塞罕坝机械林场不同密度(1950、2355和2595株·hm-2)的华北落叶松人工林,采集树芯,计算单木胸高断面积增量(BAI),研究华北落叶松的径向生长对干旱事件的生态弹性(抵抗力、恢复力和恢复弹力).结果表明:干旱事件发生在2006-2010年、2015年和2018年.3次干旱期间,除第2次干旱时密度为2355株·hm-2的林分(抵抗力为0.69)外,其余林分的抵抗力为0.76～2.01,均表现出较高的抵抗力.密度为2595株·hm-2的华北落叶松的抵抗力随3次干旱事件显著降低,密度为1950和2355株·hm-2的华北落叶松的抵抗力随着3次干旱事件无显著变化.不同密度华北落叶松对同一次干旱事件的恢复力无显著差异,且均随干旱事件的发生呈显著上升趋势.不同密度华北落叶松对第1次干旱事件的恢复弹力无显著差异,密度为2595株·hm-2的华北落叶松对第二、三次干旱事件的恢复弹力分别显著低于密度为1950和2355株·hm-2的华北落叶松.密度为2595株·hm-2的华北落叶松在第2次干旱事件(2015年)时出现明显的生长衰退(生长变化率为-26.5％),而密度为1950和2355株·hm-2的华北落叶松无显著生长衰退.总的来说,密度为2595株·hm-2的华北落叶松对干旱事件的恢复弹力最差.

落叶松枯梢病(Neofusicoccum laricinum)是威胁落叶松人工林的检疫性林木病害.明确当前该病在中国的潜在适生区及其在未来对气候变化的响应,揭示影响该病害发生流行的主导环境变量,对落叶松枯梢病的早期预警及防治具有重要意义.基于落叶松枯梢病分布数据和环境数据,利用ENMTools、R和刀切法(Jack knife test)筛选分布点数据和环境因子,通过MaxEnt、ArcGIS、SDMTools等技术预测当前和未来气候条件下落叶松枯梢病在中国的潜在适生区,划分病害适生等级并计算各适生等级面积占比,绘制质心转移轨迹.结果表明:(1)建立的落叶松枯梢病在中国的潜在适生区预测模型具有高精确性和可信度(不同年份和不同气候模式下的AUC值均大于 0.9);(2)影响落叶松枯梢病分布的主要环境变量为年平均气温、最暖季度降水量、年降水量和最暖季度平均温度;(3)当前气候模式下落叶松枯梢病在中国的潜在适生区面积占中国国土总面积的 18.02%,中高适生区集中分布在中国辽宁东南部、吉林东部、黑龙江大部分地区、内蒙古东北部;(4)在三种不同气候条件下(ssp126、ssp245、ssp585),未来落叶松枯梢病在中国的潜在适生区面积与现代气候条件相比均有所减少,其质心由东北向华北、西南地区转移.落叶松枯梢病一旦发生将会造成不可逆的生态灾难和经济损失,因此本研究对落叶松枯梢病在中国的潜在适生区进行预测和分析,研究结果对合理区划落叶松枯梢病潜在入侵风险地、加强重点地区的检疫监测、及时制定有效的防治手段,以及对于发生区的监测和防治与未发生区的早期预警和监管具有重要意义.

落叶松(Larix)是我国的主要造林树种,其适生区的分布在很大程度上受气象要素等环境因子的影响.研究落叶松人工林适生区分布在气候变化下的变迁,可为应对气候变化的林业管理策略提供技术指导和科学依据.选取华北落叶松、日本落叶松、长白落叶松和兴安落叶松为研究对象,搜集整理了它们在中国地区的308条有效分布记录和22个环境因子变量,运用最大熵(MaxEnt)模型探测了制约落叶松人工林分布的主要环境因子及其适生区范围,模拟并分析了 1931-2020年落叶松人工林适生区受气候变化影响的空间分布变化.结果表明:(1)研究选取的MaxEnt模型对落叶松适生区的模拟效果都达到了"极准确"的程度,受试者工作特征曲线面积(AUC值)在0.92-0.977之间.影响落叶松人工林分布的主要环境变量为最湿月降水量、海拔、最湿季度平均温度和温度季节变化方差,累计贡献率达到了 73.8％.(2)当前(1991-2020年)气候条件下落叶松人工林适生区面积为182.34×104km2.其中,高适生区面积为53.57×104km2,占总适生面积的29.38％.高适生区集中分布在长白山脉、大兴安岭、燕山、小陇山、太行山脉以及秦岭-大巴山等地区.(3)1931-1960年期间落叶松的高适生区面积为28.33×104km2,1961-1990年期间为33.10×104km2,当前气候条件下进一步增至53.57×104km2.落叶松适生区的范围在过去90年间整体呈现向北移动的趋势.其中,华北落叶松分布在整体上向北大约移动了 3°,且分布面积显著增加.日本落叶松位于辽宁东部的高适生区向北移动,位于秦岭-大巴山地区的高适生区则没有明显的偏移,但是分布范围却向高海拔地区集中.长白落叶松的适生区范围向北移动了 5°,且分布面积先减少后增加,增加的主要区域是长白山北部.兴安落叶松的适生区范围同样是向北移动,有部分适生区移出了我国北界,这是其适生区面积在近些年减小的主要原因.

林下草本植物是森林生态系统的基本组成要素,对森林的更新、生态系统结构、功能的维持和提升具有重要作用,理解林下草本层群落特征及其影响因素,有助于构建理想的林-草结合模式.本研究以宁南山区泾源县无人为干扰的华北落叶松林人工林、间伐处理的华北落叶松林人工林和华北落叶松与白桦自然混交林为研究对象,探究林下草本层群落特征(物种多样性和地上生物量)及其与土壤理化特性(土壤容重、含水量、全碳含量、全氮含量及全磷含量)和林分结构(密度和郁闭度)的关系.结果表明:(1)与人工林相比,自然混交林林下草本植物组成最丰富(34种),且物种多样性和地上生物量也最高;(2)自然混交林林下土壤特性均优于人工林,但间伐处理的人工林林下土壤特性较无人为干扰的人工林土壤特性有显著提高;(3)冗余分析表明,林下草本层物种多样性主要与土壤含水量、土壤全碳、全氮和全磷含量呈正相关,与土壤容重、林分密度和郁闭度呈负相关,且林分密度、0～20 cm 土层含水量对林下草本物种多样性有显著影响(P＜0.05);(4)回归分析结果表明,0～20 cm 土层的土壤特性、物种丰富度和优势度、林分密度及郁闭度显著影响林下草本地上生物量的积累(P＜0.05);随机森林模型及方差分解进一步得出:土壤因子对地上生物量积累的解释率为30.99％,其中0～20cm 土层土壤容重、全碳含量、全氮含量、土壤含水量为最重要的解释因子;林分结构的解释率为12.74％,其中林分密度是最重要的解释因子,而物种多样性的解释率仅为3.42％.研究表明,自然混交林作为理想的林-草结合模式,有利于林下草本的健康发育和林下生态环境的改善,且林下草本层物种多样性、地上生物量分别受不同环境因子所控制.研究结果对于人工林的近自然化管理(抚育间伐、补植等)和林下经济的高质量发展具有一定的参考价值和指导意义.

深入研究硫沉降对森林土壤有机碳库影响,可以为正确评估森林生态系统碳循环过程及其对全球气候变化的响应提供依据.在山西太岳山34年生华北落叶松人工林设置人工模拟硫沉降实验,采用物理分组的方法,研究施硫水平(0、50、100、150 kg S·hm-2·a-1)对土壤粗颗粒有机碳(CPOC,＞250 μm)、细颗粒有机碳(FPOC,53～250 μm)和矿质结合态有机碳(MOC,＜53 μm)含量的影响,并运用通径分析探讨了土壤有机碳组分与土壤环境因子的关系.结果表明:华北落叶松人工林土壤表层(0～10cm)POC、MOC和POC/MOC值均高于亚表层(10～20 cm);土壤POC和MOC随月份变化显著,8月土壤POC和MOC均显著低于6月和10月;对照处理6月表层土壤的POC/MOC值低于8月和10月,亚表层则相反;施硫显著改变了土壤MOC,但并未显著改变土壤POC;低硫和中硫水平表层土壤MOC较对照处理显著减少,高硫水平亚表层土壤MOC较对照处理显著增加(P＜0.01);土壤CPOC、FPOC和MOC与土壤温度、湿度、pH值有极显著负相关关系.通径分析表明,温度对3种土壤有机碳含量直接作用最大,而湿度对土壤POC并没有直接作用.试验结果表明,短期施硫降低了华北落叶松人工林土壤有机碳稳定性,后期在对硫沉降影响研究中应多加考虑温度这一重要因子的作用.

2014年5-10月,在宁夏六盘山香水河小流域选择了一个东南坡向的典型华北落叶松人工林坡面,设立上、中上、中、中下、下5个坡位的样地(P1、P2、P3、P4、P5),利用热扩散探针法监测树干液流,并同步监测气象、土壤水势等环境因子.结果表明:研究期间林分日蒸腾(Tr,mm·d-1)存在显著的坡位差异,不同坡位Tr为:P2(0.975) ＞P4(0.876) ＞P3(0.726) ＞P1(0.653) ＞P5(0.628).Tr与日最高气温(Tmax)、日均太阳辐射强度(SR)、日均饱和水汽压差(VPD)、日潜在蒸散(PET)、日均土壤水势(Ψ)呈显著正相关,与日均大气相对湿度(RH)、日降水量(P)、日最低气温(Tmin)呈显著负相关.基于边界线的斜率绝对值分析表明,从坡上到坡下,Tr对日均气温(T)、RH、VPD、PET和Ψ的响应呈现逐渐减小的趋势,而对SR、土壤体积含水量(VSM)的响应程度则逐渐增大.进一步回归分析和偏相关分析表明,VPD、PET和RH对不同坡位Tr的影响均占主导地位,Ψ和T对上坡样地Tr影响较大,而下坡样地Tr受SR、Tmin和VSM的影响较大.总体来看,Tr的坡位差异是土壤水分和气象条件共同作用的结果,在利用特定观测样地的液流速率尺度外推计算坡面Tr时,需同时考虑土壤水分和气象因子随坡位的变化.

作为森林生态系统的第二大碳通量,土壤呼吸在全球碳循环和气候变化中发挥着重要作用.通过探究土壤呼吸对间伐和改变凋落物的响应规律以及响应之间的联系,能够为准确评价森林碳循环提供依据.针对不同强度(对照、轻度、中度、重度)间伐后的华北落叶松人工林,2016年5月至10月采用LI-8100土壤碳通量测量系统对其原状、凋落物去除、凋落物加倍的土壤呼吸进行观测.结果表明:土壤呼吸在生长季的8月份达到最高值,呈现出明显的季节动态.不同林分间伐处理下,中度间伐显著促进了土壤呼吸,使平均土壤呼吸速率升高了15.66％,轻度间伐和重度间伐对土壤呼吸的影响不显著;不同凋落物处理下,去除凋落物使平均土壤呼吸速率降低了40.16％,加倍凋落物使平均土壤呼吸速率升高了16.06％.中度间伐使土壤呼吸生长季通量增加了55.06 g C/m2;去除凋落物使土壤呼吸生长季通量减少了153.48 g C,/m2,加倍凋落物使土壤呼吸生长季通量增加了79.87 g C/m2.土壤呼吸速率与土壤温度呈显著指数相关,而与土壤湿度无显著相关.不同林分间伐处理下,土壤呼吸的温度敏感性指数(Q10)为2.36-3.46,轻度间伐下Q10值最高;凋落物去除和加倍均降低了土壤呼吸的温度敏感性.土壤温湿度对土壤呼吸存在着显著影响,能够解释土壤呼吸28.7％-62.3％的季节变化.研究结果表明间伐和凋落物处理对华北落叶松人工林土壤CO2释放的影响表现出一定的交互作用,中度间伐和加倍凋落物的交互作用对土壤呼吸的促进作用显著大于单一因子.可见,间伐作业通过改变土壤微环境和凋落物量,对土壤呼吸以及森林生态系统碳循环产生着重要影响.

在环境因子空间差异明显的半湿润地区,开展树干液流动态变化对坡位响应的研究,有利于探讨树干液流从样地到坡面的尺度上推方法,以准确估算坡面/流域尺度的森林蒸腾.在六盘山南侧香水河小流域一个东南坡向的华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)人工林坡面,自上而下设立5个不同坡位的样地(P1、P2、P3、P4、P5),利用热扩散探针法监测树干液流,同步监测气象、土壤水势等环境因子.结果表明:研究期间日均液流速率(Js,mL·cm-2·min-1)存在显著的坡位差异,为P2(0.0397)＞P4(0.0368) ＞P3(0.0325)＞P5(0.0311) ＞P1(0.0278);Js与最高气温(Tmax)、太阳辐射强度(SR)、潜在蒸散(PET)、饱和水汽压差(VPD)、土壤水势(Ψ)、土壤水分(VSM)呈显著正相关,与最低气温(Tmin)、空气相对湿度(RH)、降水量(P)呈显著负相关,且相关系数大小存在明显的坡位差异;对边界线的斜率绝对值分析表明,液流速率对环境因子响应程度存在差异,从坡上到坡下,Js对气温、RH、VPD、PET及Ψ的响应逐渐减小,而对SR、VSM的响应程度则逐渐增大;进一步偏相关分析和回归分析表明,对不同坡位Js影响较大的主导环境因子均为PET和VPD,Ψ和Tmax对坡上样地Js发挥着重要作用,而坡下样地Js受SR和VSM的影响较大.综合来看,Js的坡位差异是土壤水分和气象条件共同作用的结果,在进行Js的尺度外推时,土壤水分和气象因子的坡位变化都是要考虑的因素.

在河北塞罕坝机械林场的华北落叶松3个不同类型人工林设立典型样地, 研究落叶松白桦混交林、落叶松樟子松混交林、落叶松纯林的土壤理化性质和林地凋落物现存量等17项指标, 分析这些指标在0-50 cm共5个土层间的差异情况.结果表明: (1) 在土壤剖面上随土层加深, 3种林型土壤容重均逐渐增加;土壤水分、有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾、电导率呈减小的趋势;孔隙度和全钾变化不显著. (2) 在同一土层, 土壤容重和p H总体表现为落叶松白桦混交林最低, 落叶松纯林最高;林地凋落物现存量、土壤水分、有机质、氮、磷、钾、电导率均表现为落叶松白桦混交林最高, 落叶松纯林和落叶松樟子松混交林无显著差异. (3) 相关性分析表明容重与土壤水分、孔隙度、全钾、速效钾呈极显著负相关, 与非毛管孔隙度、有机质、有效磷呈显著负相关;有机质、氮、磷、钾元素之间均有显著正相关关系, 全氮、全磷、全钾与凋落物未分解层现存量都呈显著正相关.因此认为在3种林型中, 落叶松白桦针阔混交林土壤理化性质明显优于落叶松樟子松混交林、落叶松纯林;结果可为合理利用森林土壤、科学营造华北落叶松人工林提供依据.