海拔梯度作为一个重要的环境因素,对植物的分布、种类、生长速度和生理特征具有深远的影响.为探究大兴安岭北部不同海拔樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)树轮宽度对气候因子的响应差异,利用大兴安岭北部满归地区5个海拔樟子松的树芯样本,建立树轮宽度年表,并分析5个海拔樟子松树木径向生长特征与气候要素的相关关系,进而探讨了不同海拔间的树木生长气候响应异同及响应关系的稳定性.研究结果表明,与其他海拔相比,中高海拔(1150m)樟子松树轮宽度年表可能包含更多的气候信息.树轮宽度年表与气候因子的相关分析表明,高海拔(1200 m)樟子松对温度的响应并不明显,仅与上年10月和当年9月的气温呈显著正相关,中高海拔和中海拔(900 m)的樟子松分别对生长季4-9月和5-8月的温度表现出较好的显著正相关,中低海拔(800 m)和低海拔(700 m)的樟子松均受到了干旱胁迫的抑制,均与当年6月的降水量呈显著正相关,与4月和6月的温度呈显著负相关,与上年10月到当年9月的帕默尔干旱指数均呈极显著正相关.气温发生突变后,高海拔、中高海拔和中海拔樟子松的生长趋势显著上升,而中低海拔和低海拔樟子松的生长趋势下降.相关结果显示,当年5月的平均最低气温是高海拔、中高海拔和中海拔树轮宽度增加的主要原因.滑动相关分析结果显示,高海拔和低海拔的樟子松对气候因子的敏感性均减弱,中高海拔和中海拔樟子松对温度的敏感性增强,但中海拔樟子松对帕默尔干旱指数的敏感性减弱,中低海拔樟子松对降水和帕默尔干旱指数的敏感性均减弱.研究揭示了大兴安岭北部不同海拔樟子松树木年轮宽度与气候因子之间的复杂关系,并为评估大兴安岭樟子松对未来气候变化的适应能力提供了科学依据.

反硝化过程是生态系统气态氮损失的主要途径,然而其速率一直难以量化.15N同位素自然丰度法是量化陆地生态系统尺度反硝化速率的有效方法,但是该方法需要考虑反硝化过程中的氮氧同位素分馏效应.目前关于陆地土壤反硝化作用分馏系数的研究主要集中在森林和农田,对于草地土壤的研究十分有限.基于此,本研究以我国不同地区的4种典型草地土壤(大兴安岭、多伦、额尔古纳和刚察)为对象,通过室内厌氧培养实验测定土壤微生物群落反硝化作用的硝酸盐消耗速率,并借助瑞利分馏模型拟合出N和O同位素分馏效应(ε)及其比值(△δ180∶△δ15N).结果显示,草地土壤15ε为21.6‰～32.0‰(27.1‰±2.1‰),18ε为10.4‰～15.7‰(12.9‰±1.1‰).研究发现,不同环境之间15e存在一定差异,可能归因于不同类型土壤理化性质和反硝化微生物群落组成的差异.此外,不同研究所用计算方法的差异、底物硝酸盐浓度、硝酸盐异化还原反应以及开放环境中可能发生的硝化作用等都会在不同程度上影响15ε的计算.对于18ε来说,年均温和年均降水是影响18ε的重要因素.草地土壤△δ18O∶△δ15N比值为0.38～0.49(0.46±0.03),低于以往陆地和水体生态系统以及微生物纯培养的研究.亚硝酸盐的再氧化和与水之间的氧同位素交换可能是造成△δ18O∶△δ15N差异的重要原因.综上所述,不同草地生态系统土壤反硝化分馏效应存在一定差异,在定量评估陆地生态系统反硝化作用速率时需综合考虑气候类型和生态系统等变量.

越橘叶为越橘属(vaccinium)植物,杜鹃花科(ericace-ae)的叶,分布于东亚、北美、北欧的高山地带.我国大兴安岭牙克石地区野生越橘分布较为集中,且蕴藏量大,具有很高的开发利用价值.

探究林分结构、立地条件、保护强度与植物多样性之间存在的耦合关系,有助于提升保护区植物多样性保护效果.基于此,该研究选择大兴安岭绰纳河国家级自然保护区森林群落作为研究对象,调查乔木层、灌木层、草本层植物多样性和林分结构特征,并采集土壤样品测定土壤理化性质.利用频率分布、冗余排序与方差分解分析等方法,揭示该区域植物多样性特征及其与影响因素间的耦合关系.结果表明:(1)绰纳河保护区乔木层主要树种为落叶松(Larix gmelinii),相对多度为64.35%,其次为白桦(Betula platyphylla);灌木以越橘(Vaccinium vitis-idaea)占比最高,达到 72.70%;草本共记录 77种,其中羊须草(Carex callitrichos)占比最大(23.72%).(2)乔、灌、草丰富度与多样性指数由大到小排序依次为草本层、乔木层、灌木层,均匀度指数以灌木层最高.(3)方差分解分析和冗余分析结果表明,林分结构的独立效应对植物多样性变化解释量最大;草本层盖度、灌木密度、乔木树高和土壤容重与植物多样性变化关系最为紧密.通过调整林分结构来提升植物多样性是简单而又可靠的途径,上述结果为大兴安岭地区林分管理提供了数据支撑.

林火是北方森林更新的重要驱动因子,伴随着火烧产生的一系列产物,在促进或抑制种子萌发方面具有重要作用.而火后种子库中的种子萌发是种子植物主要的更新和恢复途径,相比于草本植物和灌木,国内对于乔木的火后更新恢复研究较少.该研究以大兴安岭地区兴安落叶松(落叶松,Larix gmelinii)种子为研究对象,对热激、火烧灰、光照三种因素进行单因素、双因素及三因素处理,探究其对兴安落叶松种子萌发率和萌发势的影响.对标准化后的数据进行方差分解,探究三种因素交互作用下的主要影响因素和驱动因子.研究结果显示:(1)90 ℃ 5 min干热激的处理下兴安落叶松种子萌发率(61.11％)最高,较对照提高21.11％,90 ℃ 5 min及以上的湿热激处理会使种子失活.火烧灰质量与兴安落叶松种子的萌发率呈正相关关系,1 g火烧灰的加入使兴安落叶松种子萌发率高达71.1％,较对照提高了30％;光照与兴安落叶松种子萌发率呈负相关关系,100％遮光状态下的种子萌发率较对照提高了 14.00％,0遮光则降低了 16.67％.在热激、火烧灰和光照的交互处理中,1 g火烧灰+100％遮光处理的兴安落叶松种子萌发率(57％)最高,比对照高17％.(2)模型评估显示,在热激、火烧灰和光照交互作用中,对兴安落叶松种子萌发率因子贡献度从大到小排序依次为:火烧灰＞干热激＞光照＞湿热激,分别解释了方差分解模型33.0％、31.8％、20.3％、14.9％的非生物多功能性变异.灰分是最主要的非生物驱动因子,在95％置信区间内,因子重要性排序为:火烧灰添加(1.00 g)＞干热激(60 ℃ 3 min)＞遮光度(0)＞湿热激(90 ℃ 3 min)＞湿热激(60 ℃ 3 min)＞遮光度(100％)＞火烧灰添加(0.25 g)＞干热激(120 ℃ 3 min).

量化竞争对单木生物量及其分配格局的影响,可以为提高林木生物量模型预估精度提供基础.本研究以大兴安岭地区盘古林场18块固定样地中50株兴安落叶松的生物量调查数据为基础,采用非线性联立方程组构建含不同竞争因子(与距离有关的简单竞争指标CI和与距离无关的林木相对直径Rd)的对数尺度单木聚合型二元可加性生物量模型M-2和M-3,并与传统一元可加性生物量模型M-1进行比较,量化竞争因子对兴安落叶松天然林单木生物量模型预估精度及其分配格局的影响.结果表明:3种可加性模型的调整后确定系数为0.694～0.974,平均预测误差为-0.017～0.021,平均绝对误差为0.152～0.357.引入Rd可以提高绝大多数生物量模型的拟合效果和预测能力,而引入CI对绝大多数生物量模型拟合效果和预测能力的影响不显著.3种模型中,M-3对各部分生物量具有较好的拟合效果和预测能力,可以对兴安落叶松单木生物量进行较好的估计.模拟结果显示,生物量随胸径的变化受CI、Rd等级的影响,其中Rd较CI影响更大;CI对树根和树干生物量影响较大,对树枝、树叶生物量影响较小;Rd对树枝、树叶生物量的影响较树根、树干生物量更大.

物种多样性是生物多样性最主要的结构和功能单位,维持其稳定在保护珍稀濒危物种方面发挥着独特和不可替代的作用.为探究我国大兴安岭地区物种多样性并完善其基础数据,本研究于2022年1月至2023年6月在黑龙江北极村国家级自然保护区102个相机位点布设了 127台红外相机,并结合规划的30条4 km长的样线,在2022年冷季和2023年暖季开展固定样线调查.在调查期间,红外相机累计工作19,881 d,共获得独立有效照片1,704张,记录到研究地区的野生鸟类和兽类共94种,其中兽类19种(4目 10科18属),鸟类75种(12目24科49属),包括国家一级重点保护野生动物7种,特别是20世纪60年代以来在本研究区域已经绝迹的东北虎(Panthera tigris altaica),本次发现为半个世纪以来首次监测到.红外相机拍摄到的兽类中拍摄率前三位的依次是猞猁(Lynx lynx,RAI=21.88)、狍(Capreolus pygargus,RAI=18.36)、野猪(Susscrofa,RAI=10.00);鸟类中拍摄率前三位的依次是小嘴乌鸦(Corvus corone,RAI=1.91)、渡鸦(C.corax,RAI=0.70)、松鸦(Garrulus glandarius,RAI=0.45).在样线调查结果中,兽类物种中痕迹遇见率最多的依次为紫貂(Martes zibeuina)、狍、马鹿(Cervus elaphus)、驼鹿(Alces alces)和雪兔(Lepus timidus).本次调查填补了北极村国家级自然保护区生物多样性数据的空白,为保护区野生动物多样性的进一步研究和后续的保护管理提供了基础数据.

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.

海拔影响生物多样性分异,为探究寒温带山岭地区海拔对林下植物多样性分布影响,选择内蒙古大兴安岭东部地区,采用样地调研法,设置E1(200-350 m),E2(350-500 m),E3(500-650 m),E4(650-800 m),E5(800-950 m),E6(950-1100 m)6 个不同海拔梯度,调研 165 个林地样点以了解不同海拔森林群落物种组成,研究林下植物生物多样性海拔差异性、地形因素、乔木层优势物种与林下植物生物多样性的相关性.研究得出:(1)调研区林下植物共 277 种隶属于 53 科 135 属,灌木 32 种、草本 245 种;(2)森林乔灌群落随海拔依次为蒙古栎-黑桦-榛-胡枝子群落(E1—E2)、落叶松-白桦-榛-胡枝子群落(E3)、落叶松-白桦-欧亚绣线菊-绣线菊群落(E4)、落叶松-白桦-兴安杜鹃-越橘群落(E5)、落叶松-白桦-越橘-偃松群落(E6);(3)林下植物群落生物多样性随海拔上升呈现明显的单峰格局.生物多样性草本层＞灌木层,灌木层随海拔升高呈上升趋势,草本层呈先下降后升高再下降的波动下降趋势;(4)草本层物种替换速率远高于灌木层,E3—E4 与E2—E3 梯度内灌木层与草本层物种替换速率分别达到峰值;灌木层与草本层相邻海拔梯度间相似度指数均呈先下降后升高再下降的波动形式;(5)地理因素及优势乔木种不同能够显著影响林下植物α多样性,灌木层α多样性与海拔、纬度呈正相关,与经度、坡度呈负相关.草本层与海拔呈负相关,与纬度、坡向呈正相关,海拔对草本层α多样性影响高于灌木层.郁闭度与灌木层α多样性呈正相关,与草本层α多样性呈负相关;落叶松增多可提升灌木层生物多样性,黑桦会降低灌木层物种丰富度,而山杨会降低草本层物种分布的均匀度.研究结果为保护与利用内蒙古大兴安岭林下植物,丰富寒温带山岭地区林下植物多样性海拔分布理论提供科学依据.