土壤无机碳特别是成土碳酸盐的固定是滨海地区降低大气二氧化碳浓度,缓解气候变化的重要途径之一.本研究选取江苏省北部滨海地区的互花米草湿地(SA)、碱蓬湿地(SS)、幼龄杨树人工林(YP)和成熟杨树人工林(MP),分层采集不同深度的土壤样品(0～10、11～20、21～40、41～60、61～80和81～100 cm),利用13C稳定同位素技术,分析了不同土壤的无机碳组成和储量的差异,并探究了影响成土碳酸盐储量的关键土壤理化性质.结果表明:除MP表层土壤(0～10cm)外,其余土壤的无机碳含量均高于有机碳含量.整体而言,SA和SS 土壤成土碳酸盐占无机碳的比例和无机碳储量的差异均不显著.与湿地土壤相比(0～40 cm),YP和MP 土壤的成土碳酸盐占无机碳的比例分别降低了 32.7％和54.1％,成土碳酸盐储量分别降低了40.5％和59.2％,成岩碳酸盐储量没有显著变化,无机碳储量分别降低了 21.0％和17.9％.与YP 土壤相比(0～100 cm),MP 土壤的成土碳酸盐占无机碳的比例和成土碳酸盐储量均显著降低而成岩碳酸盐储量显著升高,尤其是41～100 cm 土层,而无机碳储量没有显著变化.结构方程模型表明,土壤成土碳酸盐占无机碳的比例是影响成土碳酸盐储量的最重要因子,其次是有机碳含量和容重,并且土壤有机碳抑制了成土碳酸盐的形成.综上,滨海湿地土壤比杨树人工林土壤具有更大的无机碳储量和固定潜力,通过改变成土碳酸盐占无机碳的比例和有机碳含量能够调控该地区土壤成土碳酸盐的固定.

目前尚不清楚地表臭氧(O3)污染下植物、土壤和微生物之间的直接或间接相互作用对森林地上和地下固碳功能的影响.采用开顶式气室装置和结构方程模型,研究4种O3浓度下欧美杨107(Populus euramericana cv.'74/76')的光合性状、叶和细根生化性状、土壤理化因子和土壤微生物群落特征对地上和地下生物量降低的直接和间接效应.结果表明,O3浓度升高(86 nmol/mol)分别导致杨树地上、地下和总生物量相比对照分别下降16％、11％和15％,对地上生物量降低的影响大于地下生物量.结构方程模型发现光合速率、叶淀粉和叶非结构性碳水化合物对地上生物量有直接的影响;表明O3主要通过影响植物的光合生理代谢过程对地上生物量积累产生直接作用.O3对地下生物量的影响是通过直接影响叶氮和土壤总碳,叶氮再影响叶淀粉从而间接影响地下生物量.土壤pH、总碳和土壤微生物(细菌和真菌群落)对地上产生直接效应,且O3对真菌群落的影响效应大于细菌群落,表明植物通过地下过程对O3的响应可直接反馈作用于生物量的积累和分配过程.本研究通过解析植物、土壤和微生物之间的直接或间接相互作用为评估O3污染对杨树人工林地上和地下固碳功能的影响提供科学依据.

夜间液流可通过叶片气孔流失,即夜间蒸腾,也可存储在茎干中,即茎干充水.从夜间液流中区分夜间蒸腾与夜间茎干充水是一个亟待解决的难题.预测充水法由于其便捷性被广泛应用,但其准确性备受质疑.为了系统分析现有的不同预测充水法在夜间液流组分划分中的准确性与适用性,该研究以毛白杨(Populus tomentosa)为实验材料,利用热扩散探针在高1.3 m处和7.0 m处进行液流测量,结合高度差法和预测充水法分别在茎干充水和夜间蒸腾上的准确性优势,分析对比4种传统预测充水法的估算效果.就4种预测充水法对不同高度液流进行分析得出的夜间蒸腾量而言,仅基于线性衰减模型的预测充水法(Line法)误差不显著,其他方法均存在较大偏差.采用4种预测充水法估算的茎干充水量与高度差法所得结果相比,仅基于蒸腾反推的预测充水法(Et法)的预测结果与之存在极显著差异,其余预测法差异均不显著,且Line法偏差最小.基于以上结果,该研究提出"液流高度差预测充水法"作为夜间液流组分划分新方法,可将夜间液流划分为3个组分,即茎干充水、冠层充水和夜间蒸腾.新方法通过高度差法提高对冠层以下茎干充水量估算的准确性,通过误差最小的Line法提高冠层充水组分和叶片蒸腾组分划分的准确性.新方法计算的夜间充水约为76.5％,较现有研究提高了 19.8％-26.5％.划分出的夜间液流组分对环境因子的响应结果表明,空气水汽压亏缺(VPD)与浅层土壤含水率为夜间充水的主要影响因子,夜间蒸腾在夜间液流中的占比与VPD呈非线性负相关关系.

随着四川省林权制度的改革,高速路域人工林经营模式变得多样化.本文探讨了不同营林措施(UP:林下种植;PT:翻耕;MO:割除灌草;AC:弃耕;CK:对照)对路域杨树人工林的影响,为其科学经营管理提供理论参考.于2020年7月中旬,采用典型样地法选取样地,对样地内乔木进行每株检尺,并记录林下物种组成,计算α多样性;采集土样并测定土壤含水率、土壤容重、全钾、速效钾、全氮、全磷、速效磷、有机质、土壤pH.结果表明:UP、MO、AC处理均显著减少了灌木层的物种多样性,PT处理提高了草本层物种多样性.不同营林措施下,土壤容重、全钾、全磷的差异性不显著,UP、PT、MO与AC处理均显著减少了速效磷、全氮与速效钾含量;UP与MO处理显著提高了土壤pH值;UP、PT、MO处理显著降低了土壤含水率;MO处理显著减少了土壤有机质含量;速效磷、土壤含水率、土壤pH、全氮、速效钾显著影响草本层多样性;速效磷、速效钾、全氮显著影响灌木层多样性.不同营林措施对路域杨树人工林影响效果有显著差异;除CK外,所有营林措施均显著降低土壤速效磷、全氮、速效钾含量;路域杨树人工林林下物种多样性的变化大部分可由土壤速效磷、全氮、速效钾的变化来解释.

探究不同间伐强度对青山杨人工林生长及木材性状的影响,为东北地区培育杨树优质工业资源材提供理论基础.以18年生青山杨为试验材料,以初植株行距2 m×3 m为对照,设置3种强度的间伐处理(4 m×3 m、6 m×3 m、4 m×6 m).间伐后第5年对试验林的生长性状(树高、胸径、2米径、冠幅)及木材性状(基本密度、纤维长、纤维宽、半纤维素含量、纤维素含量、综纤维素含量、木质素含量)进行了测定,并利用树高、胸径计算出单株材积及单位面积蓄积.方差分析结果表明,除基本密度外,各指标差异均达到极显著水平(P＜0.01).均值分析结果表明,林木各生长指标与木质素含量的均值在株行距为6 m×3 m时达到最大,其余各木材指标均在株行距为4 m×3 m或6 m×4 m时达到最大;各测定指标表型变异系数变化范围为3.35%～29.87%;除基本密度外,各指标重复力均超过0.590.相关性分析结果表明,各生长指标间均达显著正相关水平(0.690＜r＜0.993),而木材性状间及生长性状与木材性状间的相关性较弱.分别以生长性状、木材性状及联合生长与木材性状为评价指标对各处理进行综合评价后发现,Qi分别在株行距为6 m×3 m、4 m×6 m及4 m×6 m时达到最大.间伐能够促进林分生长,改良林木材性,且保留株行距为4 m×6 m时,林木材性及生长与木材综合改良效果较为优良;保留株行距为6 m×3 m时,林木生长效果最好.因此,今后可根据培育目标的不同选择适宜的间伐强度进行东北地区杨树优质工业资源材的培育.

为探明科尔沁沙地杨树造林后碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量变化规律,阐明林分发育对植物-土壤间元素循环的影响,以杨树幼树和成年树为对象,分析杨树不同器官(叶、茎、根)、枯落叶和土壤C、N、P含量及其比值,计算N、P重吸收效率,研究植物与土壤间C、N、P的相关性.结果表明:杨树幼树N和P含量表现为叶＞根＞枝,而成年树为叶和枝＞根;幼树叶和枝C∶N、C∶P和N∶P、根N和P含量高于成年树,而枝N含量、叶和枝P含量、根C∶N和C∶P低于成年树.幼树枯落叶N和P含量低于成年树,而C∶N和C∶P高于成年树.幼树N重吸收效率更高,而成年树P重吸收效率更高.杨树造林后0～40cm 土层土壤C和N含量升高,P含量下降.杨树枝和根N、P含量分别与土壤N、P含量呈正相关.因而,杨树幼树将更多N、P供给到根系,减少枯落叶N、P损失,促进植物体快速生长;而成年树则将更多N、P供给到枝叶,增加枯落叶N、P归还土壤,促进植物-土壤间养分循环.科尔沁沙地杨树幼树生长主要受N限制,而成年树主要受P限制.

酚酸物质是影响微生物群落和结构的最重要因子之一,研究酚酸物质在不同造林树种土壤中的变化规律及其与微生物群落结构的关系,有助于更好地了解和揭示采煤沉陷区恢复造林条件下微生物群落变化的机制.本研究在双鸭山宝山采煤沉陷区的撂荒地基础上营造三针一阔(红松、落叶松、樟子松和杨树)人工林,测定这4种造林地土壤酚类物质、11种酚酸物质和微生物群落结构.结果表明:复合态酚含量总体表现为人工林显著高于撂荒地,其中,落叶松人工林和杨树人工林的复合态酚含量较高,落叶松人工林和红松人工林的总酚含量显著高于撂荒地,红松人工林的水溶性酚含量显著高于撂荒地;在11种酚酸物质中,阿魏酸、松香酸、β-谷甾醇、齐墩果酸、莽草酸、亚油酸和硬脂酸的含量在人工林土壤中较高.土壤酚类物质与土壤微生物生物量不存在显著的相关关系,个别的酚酸物质与土壤微生物的相关关系显著,其中,阿魏酸、松香酸和β-谷甾醇对土壤微生物生物量有明显的促进作用,与真菌和真菌/细菌存在显著的正相关关系.杨树人工林的酚酸物质含量较高,说明营造杨树人工林对采煤沉陷区的土壤恢复有益.

细根寿命是调控森林生产力形成的关键.通过在连作Ⅰ、Ⅱ代杨树人工林固定样地内埋设微根管,对杨树不同根序细根年度生长动态开展连续观测并进行生存分析.结果表明,杨树不同根序细根累积生存率存在显著差异,高级根(3-5级)寿命较长,其累积生存率显著高于1级和2级细根.杨树细根寿命存在显著的代际差异,连作Ⅱ代人工林活根量、死根量和细根总量均高于Ⅰ代林.连作Ⅱ代人工林细根中位值寿命为(90±16)d,显著低于Ⅰ代人工林((102±22)d).连作Ⅱ代林各根序细根数量、分布比例均高于Ⅰ代林,低级细根累积生存率低于Ⅰ代林而高级细根累积生存率显著高于Ⅰ代林.连作杨树人工林细根寿命显著受制于土壤环境,1级细根寿命与土壤速效氮相关性极显著(r=-0.861),2级细根寿命与土壤物理性状相关性较强且与土壤酚酸含量呈现极显著相关(r=0.870),高级根序细根寿命与土壤物理性质和养分状况等也具有一定相关性.连作杨树人工林土壤酚酸累积和养分有效性下降影响了细根寿命和周转,并进而造成净初级生产力损耗,相关结论为连作杨树人工林生产力衰退机理模型的建立提供了科学依据.

林木细根不同生长发育等级形态特点及功能分异是根系生态学研究的新视角.为深入探索林木根际土壤养分循环过程及根土互作关系,以杨树(Populus×euramericana‘Neva’)人工林为研究对象,按照随机布点原则采集杨树人工林非根际土壤和不同根序细根的根际土壤,测定其全碳(TC)、全氮(TN)、全磷(TP)及速效N、有效P的含量,并计算土壤C、N、P化学计量比.结果显示:(1)杨树人工林根际土壤C、N、P含量与非根际土壤存在显著差异,但不同根序间速效N、有效P含量以及铵硝比(NH4+-N/NO3--N)未达到显著差异水平(P＞0.05).随着根序升高根际土壤TC含量显著下降,而TN含量逐渐增加.1-2级细根根际土壤TP含量显著高于4-5级根(P＜0.05).(2)杨树细根根际土壤C/N随着根序升高显著降低(P＜0.05);C/P随着根序升高逐渐下降,但在不同根序间差异不显著(P＞0.05).(3)基于细菌OTUs的非参数估计指数表明,根际土壤与非根际土壤细菌群落多样性存在显著差异;土壤TC和TN含量及C、N、P化学计量比均与细菌群落丰富性(Chao指数和ACE指数)呈显著相关(P＜0.05),TP含量与细菌群落相关性不显著.上述结果说明杨树根际土壤C、N、P养分循环呈现依赖于根序的变化特征,不同根序细根根际细菌群落组成和结构的差异性可影响土壤C、N、P循环过程.

大气降水是森林生态系统养分输入的主要途径之一,对养分的生物地球化学循环有着重要的意义.对13年生杨树人工林林外雨、树干流、林内雨和地表径流等水文过程中的养分特征进行了调查分析,旨在了解该生态系统的养分输入与输出规律,为杨树人工林可持续经营提供依据.结果表明,从2013年11月至2014年10月,杨树人工林生态系统林外雨量为1154.1 mm,树干流量仅占大气降水量的2.3％,15.4％的大气降水被杨树人工林的冠层截留;林内雨、树干流与大气降水量(林外雨)的动态变化规律相似.各类降水年加权平均pH值表现为林内雨＞林外雨＞树干流;各类降水的离子浓度动态变化规律基本一致,即在降水量较小的11月至次年1月份,各阴阳离子的浓度普遍较高,在降水量较大的2-9月份,阴阳离子浓度普遍较低.SO2--S和Ca2+分别是各类降水中的主要阴离子和阳离子;整体上,树干流的离子浓度＞林内雨＞大气降水;林内雨是养分输入的主要形式,通过林内雨输入林地较多的养分离子是Ca2+和K+,分别为70.83 kg hm-2 a-1和63.31 kg hm-2 a-1;地表径流和土壤渗漏是养分输出的主要形式,输出林地较多的离子是Cl和Ca2+,分别为196.47 kg hm-2 a-1和123.09 kg hm-2 a-1,其次为SO42--S、Mg2+、Na+、K+;NH4+-N和NO3--N的输出量不足输出离子总量的1％.所以,从水文过程看,杨树人工林生态系统无机氮(NH4+-N和NO3--N)和K+表现为净积累,净积累量分别为10.9 kg hm-2 a-1和56.4 kg hm-2 a-1,其他离子表现为净损失,其中Cl-的净损失量达179.8 kg hm-2 a-1左右,其他离子损失量＜ 50 kg hm-2 a-1.