凋落物层作为森林土壤的"皮肤",具有涵养水源、保持水土的功能.本研究以亚热带地区枫香、米老排、苦槠、红锥、杉木、马尾松、福建柏、南方红豆杉8个树种的纯林及其不同组合的混交林为研究对象,分析树种丰富度、功能多样性和群落加权平均性状与凋落物现存量、最大持水率、有效拦蓄量的关系.结果表明:各树种组合中,未分解层最大持水率、现存量和有效拦蓄量的范围分别为0～419％、0～0.58 t·hm-2、0～1.66 t·hm-2;半分解层最大持水率、现存量和有效拦蓄量的范围分别为0～375％、0～6.14 t·hm-2、0～16.03 t·hm-2.树种丰富度和群落加权平均比叶面积对凋落物现存量和有效拦蓄量具有显著的正效应,群落加权平均叶氮含量对凋落物现存量具有显著的负效应.最大持水率随着比叶面积的多样性和群落加权平均比叶面积的增加而增加,随着群落加权平均叶片厚度的增加而降低.结构方程模型表明,树种丰富度通过增加比叶面积的多样性提高凋落物层持水能力;群落加权平均比叶面积通过增加凋落物现存量和最大持水率提高凋落层持水能力.在亚热带地区人工林的经营中,可以选择群落水平上具有较高比叶面积的混交林来提高凋落物层的持水能力.

本文研究了广西南丹锑矿生态破坏区植物群落乔木层、灌木层和草本层物种组成、重要值、生态位和种间联结特征,以期为锑矿生态破坏区的生态恢复提供植物选择依据.结果表明:锑矿生态破坏区有维管植物共23种,隶属13科22属,多为禾本科、莎草科、豆科和菊科.乔木层、灌木层和草本层重要值最大的植物分别是盐麸木(56.7％)、马桑(56.3％)和蜈蚣草(44.0％),而且具有较大的生态位宽度,分别为1.58、1.32和1.57.乔木层盐麸木与乌桕(0.68)、草本层粽叶芦与鬼针草(0.99)生态位重叠值最大,而灌木层物种生态位重叠值较低(0.30～0.42),表明灌木层物种生态位分化程度较大.乔木层和灌木层物种总体呈不显著负联结,主要物种间多数呈负相关(占比分别为83.3％和66.7％),植物群落不稳定;草本层物种总体呈显著正联结,种对间正相关物种对数占比为52.4％,物种竞争较弱.总体而言,锑矿生态破坏区植物群落不稳定,在生态恢复过程中,可以选择补充适宜该区生长且具有正联结的灌木和乔木,如马桑和苎麻、盐麸木和杉木等,促进植物群落正向演替,推动锑矿生态破坏区生态系统重建和可持续发展.

增温通过改变微生物生物量和微生物代谢状况影响土壤微生物呼吸.然而,有关亚热带地区土壤微生物呼吸如何响应长期土壤增温尚不清楚.以增温7年后的杉木人工林为研究对象,比较增温对杉木人工林土壤微生物呼吸和微生物代谢熵的影响.结果表明:(1)增温后,微生物生物量碳在8月份和12月份分别降低了 32.1％和59.8％(P＜0.05).(2)增温后土壤基础呼吸与底物诱导呼吸与对照相比均无显著差异;水分添加后,与基础呼吸相比,增温和对照的土壤呼吸在8月显著增加了 38.3％和104.8％;葡萄糖添加后,增温和对照的底物诱导呼吸在8月份分别显著增加了 113.1％和152.9％,在12月份分别显著增加了118.0％和160.9％(P＜0.05).(3)增温后,微生物代谢熵在12月显著增加了 127.7％,8月无显著变化(P＜0.05).(4)在增温和对照处理中,微生物代谢熵与可溶性有机碳和微生物生物量碳含量呈负相关,与土壤含水率正相关(P＜0.05).研究结果表明,土壤增温7年后碳的可利用性和水分的降低是影响杉木人工林土壤微生物呼吸的重要因素.

为探究氮沉降和干旱交互作用对亚热带森林植物生长的影响,研究了亚热带4典型树种马尾松(Pinus massoniana)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、海南红豆(Ormosia pinnata)和木荷(Schima superba)幼树生长对不同氮添加量和干旱程度的响应.结果表明,干旱和氮添加处理2.5 a对不同树种生长的影响不同.氮添加显著促进了对照和轻度干旱下木荷与杉木的总生物量、株高和基径生长,抑制了轻度干旱下马尾松的根茎生物量和基径生长,对重度干旱下4 种幼树的生长均没有显著影响.氮添加和干旱处理降低了海南红豆、马尾松和杉木的株高和总生物量,且随干旱程度的加重抑制作用更明显.不施氮和干旱对木荷总生物量和株高无显著影响;氮添加和重度干旱显著降低木荷的基径和总生物量.干旱显著增加杉木根冠比,但对其他树种根冠比无显著影响.干旱和氮添加对非豆科植物(木荷)生长的促进作用均比豆科植物(海南红豆)明显,这表明氮沉降可能加剧极端干旱对亚热带部分树种生长的抑制作用.

根际是植物根系和土壤微生物进行物质交换和能量流动的重要场所,根际固氮微生物对植物获取氮素具有重要作用.本研究以闽西三明市森林生态系统与全球变化研究站(SM)、龙岩市上杭白砂国有林场(BS)和南平市武夷山国家森林公园(WYS)3个典型林场的杉木人工林根际土壤为对象,利用荧光定量PCR和高通量测序,以nifH基因为标靶,研究杉木人工林根际土壤固氮菌丰度和群落特征及其环境驱动因子.结果表明:SM的土壤pH值及C∶N和C∶(N∶P)均显著低于BS和WYS.SM的nifH基因丰度为6.38× 108 copies·g-1,显著低于 BS 的 1.35×109 copies·g-1 和 WYS 的 1.10×109 copies·g-1;SM 的根际土壤固氮菌群落的α多样性指数也低于BS和WYS.BS和WYS根际土壤固氮菌群落结构具有较大的相似性,但与SM显著不同.3个采样点获得的固氮菌序列分属5门8纲15目23科33属,且均以变形菌门、α-变形菌纲、慢生根瘤菌属为优势类群.土壤pH值、有效磷、硝态氮和C∶(N∶P)是影响nifH基因丰度和群落特征的重要因素,其中土壤pH值是主控因素.综上,杉木人工林根际土壤的固氮菌丰度和群落结构在空间上存在较大差异,土壤pH值是最重要的调控因子.

本研究依托同质园观测样地,选择次生林(主要树种为米槠)、10年生的米槠人工林和杉木人工林为研究对象,分析亚热带不同林分土壤酶活性和计量比特征的差异及其影响因素.结果表明:与次生林相比,米槠人工林土壤有机碳、总氮和可溶性有机碳含量分别显著降低42.6％、47.4％和60.9％,杉木人工林显著降低了 42.9％、36.7％和61.1％.相比于次生林,米槠人工林土壤微生物生物量碳、微生物生物量氮(MBN)以及微生物生物量磷分别显著降低40.6％、35.5％和45.9％,杉木人工林显著降低了53.7％、56.4％和61.7％.与次生林相比,米槠人工林土壤酶活性变化不显著,但杉木人工林的碳获取酶(β-1,4-葡萄糖苷酶和纤维二糖水解酶)活性显著降低51.2％和59.8％,氮和磷获取酶活性分别显著降低41.0％和29.8％,碳获取酶/氮获取酶以及碳获取酶/磷获取酶分别显著降低11.3％和7.7％.冗余分析表明,MBN和硝态氮是驱动土壤酶活性及酶化学计量比变化的主要因素.不同林分的土壤酶活性和微生物养分需求存在显著差异,与次生林相比,营造杉木人工林会刺激植物与微生物的养分竞争,加剧微生物的氮、磷养分限制.

生态位与种间联结研究可揭示目标群落植物种间关系,为促进人工林向天然林转型发展提供理论支持.本研究基于海南热带雨林国家公园尖峰岭片区杉木人工林固定样地调查数据,分析群落重要值排名前20的主要木本植物的生态位与种间联结特征.结果表明:杉木人工林群落包含木本植物55科101属163种,群落物种组成复杂.作为建群种的杉木,其重要值及生态位宽度均为最高,占据群落绝对优势地位,与大多数木本植物都存在较大的生态位重叠与生态相似性,其中重叠程度最高的植物为海南杨桐.群落的生态位重叠与生态相似性均值分别为0.54和0.49,2种生态位指标的变化趋势基本一致,部分物种对资源的需求较为相似.主要木本植物的总体联结性表现为显著正联结,x2检验、联结系数、Pearson相关系数和Spearman秩相关系数显示,正关联种对的数量多于负关联种对的数量,但显著关联种对占比较低,反映出群落稳定性较强,物种能够稳定共存,多数物种间未形成紧密联系.综合来看,杉木抑制了热带天然树种的更新,可利用海南杨桐、岭南山竹子及鹅掌柴等对国家公园内的杉木人工林进行自然化改造修复.

叶面积与树木生长密切相关,是量化树木潜在生产能力的重要因子,其动态变化直接驱动林木生长的变化,但目前学者们对于林分叶面积动态变化规律却持有不同的观点.以亚热带不同气候区杉木人工林为研究对象,基于54个样地,共144株解析木的数据,采用6种生长方程通过非线性混合效应模型分别构建杉木单木叶面积模型和林分密度模型,将二者相乘得到林分叶面积动态变化模型,进而探究其动态变化规律.结果表明,以样地作为随机效应因子,考虑Logistic方程a参数上的随机效应,同时不考虑异方差结构的混合模型(样地水平)作为单木叶面积的最优模型;以地区作为随机效应因子,考虑Logistic方程a参数上的随机效应,同时不考虑异方差结构的混合模型(总体平均水平)作为林分密度的最优模型;林分叶面积动态变化呈单峰形式,幼龄阶段增长较快,达到峰值后迅速下降,之后下降幅度减少.本研究在考虑林分自然稀疏的前提下从生长模型的角度证明了杉木林分叶面积动态变化呈单峰型,而非达到顶峰后保持不变,同时也表明林分叶面积达到顶峰后下降是由于林分密度的降低引起的.研究结果对于合理经营不同气候梯度的杉木人工林具有重要意义.

近年来,由于林地开发和商品林建设等原因,我国亚热带地区大量天然林和次生林经皆伐改造为林分结构简单、树种单一的人工林.氮(N)素是维持森林植被生长和系统初级生产力的重要因子,土壤微生物驱动了森林土壤N转化的关键过程.然而,目前亚热带森林转换对土壤N转化微生物群落的影响仍不清晰.以湖南芦头森林生态系统国家定位观测研究站内典型次生林(CS)及由其转换而成的油茶(YC)、黄桃(HT)、杨梅(YM)和杉木(SM)四种人工林为研究对象,采用实时荧光定量PCR和高通量测序等方法,研究了各林分土壤性质、固N菌和氨氧化微生物功能基因丰度、群落特征及相互关系,旨在探讨亚热带森林转换后土壤N转化关键过程(固N和氨氧化作用)的功能微生物群落变化及驱动因素.结果表明:森林转换显著改变了土壤碳(C)、N含量,降低了土壤nifH基因丰度、固N菌和氨氧化细菌的群落α多样性,但提高了氨氧化微生物amoA基因丰度和氨氧化古菌的群落α多样性;并且,森林转换通过改变各功能微生物优势菌群(如变形菌、蓝细菌、泉古菌和奇古菌等)的相对丰度,显著影响了土壤固N菌和氨氧化微生物的群落组成;冗余分析和结构方程模型表明,土壤有机碳、全氮、铵态氮含量和pH是驱动土壤固N菌和氨氧化微生物群落变化的关键因素.森林转换后,合理的施肥方式有利于人工林土壤固N菌和氨氧化微生物的群落恢复.研究结果为转换后单一人工林土壤养分恢复、生产力的提高和可持续经营提供了科学依据.

遮荫是苗木培育的关键措施,它可以通过影响根系向土壤释放分泌物的量改变土壤碳氮酶活性,进而影响土壤碳氮循环过程.然而,有关遮荫对土壤碳氮酶活性的影响及其与苗木生长之间的关系如何,研究较为缺乏.以杉木1年生幼苗"洋061"为研究对象,设置五个不同遮荫处理:不遮荫(CK)光强1157.82 μmol m-2 s-1、30％遮荫(T1)光强856.31 μmol m-2 s-1、55％遮荫(T2)光强 542.68 μmol m-2 s-1、70％遮荫(T3)光强 382.08 μmol m-2 s-1、85％遮荫(T4)光强 219.56 μmol m-2 s-1,比较不同遮荫处理对杉木幼苗生长、土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)含量和土壤碳氮代谢酶活性的影响.结果表明:(1)杉木苗高、不同器官生物量、根冠比和苗木质量指数均随光强减弱呈先升后降的趋势,除苗高和根冠比分别在T3和T1时最大,其余指标均在T2时最大,而地径则随光强的减弱逐渐变小;(2)土壤SOC含量对遮荫响应存在差异,T3处理下SOC含量显著低于CK,而在T4时显著高于CK,遮荫不同程度降低土壤TN含量,但不同处理间不存在显著差异;(3)土壤碳氮代谢酶对不同遮荫处理的响应存在一定的差异.与CK相比,不同遮荫处理显著改变土壤酶活性,其中土壤纤维素酶(S-CL)、土壤蔗糖酶(S-SC)、土壤酸性转化酶(S-AI)、土壤木质素过氧化物酶(S-LiP)活性在T4处理时最高;土壤过氧化氢酶(S-CAT)、土壤β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(S-NAG)、土壤几丁质酶(S-C)则在T3达到最大值;土壤多酚氧化酶(S-PPO)活性在T1处理下最大;T2遮荫强度时,土壤淀粉酶(S-AL)、土壤亚硝酸转化酶(S-NiR)活性最高;但遮荫还不同程度的降低了土壤脲酶(S-UE)、土壤硝酸转化酶(S-NR)活性.冗余分析发现,土壤酶活性对SOC、TN的解释度高达76.61％,表明S-LiP、S-AL、S-AI、S-PPO、S-CL与SOC具有较强的正相关关系,S-UE、S-NR对TN影响较大.综上所述,30％-55％遮荫即光照强度为542.68-856.31 μmol m-2 s-1是较适宜杉木幼苗生长的光照条件,这与该处理下提高土壤碳氮酶活性进而改善碳氮养分循环密切相关.