森林的垂直结构是地上植被要素在垂直方向上的排列,它影响动植物多样性和生态系统功能,是许多植物生态学家关注的重点.背包激光雷达技术的发展为大面积、高精度扫描三维森林结构提供了基础.直观反映生物量的冠层高度(canopy height,CH)、代表植物光合能力的叶面积指数(leaf area index,LAI)和单木尺度上的特征是森林垂直结构最重要的参数.本研究旨在探索鸡足山半湿润常绿阔叶林样地尺度和单木尺度上的垂直结构特征.本研究基于背包激光雷达,对滇中高原20.16ha半湿润常绿阔叶林样地群落的CH和LAI进行了精细扫描和点云定量分析,在进行地形校正和群落分类的基础上,精细提取和分析了森林群落的叶面积指数的垂直变化和水平格局,并定量提取了群落常见乔木种的单木形态和垂直结构参数.结果显示:(1)以20 m × 20 m标准样方为统计单位的CH和LAI的分布接近正态分布;(2)根据LAI的垂直分布,森林动态监测样地群落冠层由上至下可划分为林冠上层、林冠中层、林冠下层与灌木层4个层次;(3)元江栲(Castanopsis orthacantha)和高山栲(C.delavayi)群落的LAI垂直变化呈单峰格局,峰值高度分别为15 m和13 m,云南松(Pinus yunnanensis)群落为双峰格局,峰值高度为5 m和10 m;(4)不同树种的各单木参数表现出较大的差异性,但冠幅面积/胸径比表现出相对的稳定性.本研究在国内首次基于激光雷达技术定量分析具有复杂结构的半湿润常绿阔叶林的叶面积指数的三维格局,或可对以后该类型森林生物多样性的研究和不同森林类型之间的比较研究提供数据基础.

以机载激光雷达为研究手段,结合1981和2021年的全色照片,利用多元回归树的方法对云南西双版纳国家级自然保护区勐仑子保护区的热带森林林冠高度结构及其与环境因子间的关系进行探讨.结果表明:勐仑子保护区西片森林可根据林冠高度结构差异而分为7类,其中包括热带季节雨林、季风常绿阔叶林、次生林和河漫滩林;潜在辐射强度、海拔、地形垂直曲率、坡度以及1981和2021年影像亮度平均值是影响林冠高度结构聚类的主要因子.以番龙眼为主要优势种的热带季节雨林在沟谷和低地地段占有最大的分布范围,而山脊和干扰迹地上则以短刺锥为优势种的季风常绿阔叶林为主.次生林地段林冠表面极为平整,结构上明显区别于天然林,30多年前的轮歇农业活动至今仍对森林外貌有着明显影响.

对长白落叶松(Larix olgensis Henry) 人工林进行带状皆伐和不同强度择伐,利用冠层分析仪研究冠下草本植物多样性、生物量、高生长和盖度对光环境变化的响应.结果表明:林下草本植物的多样性、生物量、高生长和盖度都随着光照强度的增大而增加,但不同主伐方式草本植物响应的光照强度区间和策略不同.在皆伐林带内,物种多样性与总辐射强度间没有明显相关性;在择伐林下,物种多样性与总辐射强度显著线性相关,光照越强,多样性越高.对比不同主伐方式可以发现,即使总辐射指数相同,皆伐带内也比择伐林冠下具有相对较高的草本植物多样性、生物量及盖度,说明带状皆伐更有利于草本植物生长和种群数量增加.同时发现,当总辐射指数i < 0. 15时,不论哪种主伐方式草本植物的生物量、高生长及盖度均处于较低水平;而当i > 0. 15时,草本植物的高度和盖度进入加速生长期;当i > 0. 25时生物量开始进入加速生长期.研究结论可为林下生物多样性研究,确定合理的主伐方式及择伐强度提供参考依据.

目的:了解珠三角东部地区药用树种猴耳环的天然更新状况、种群动态及后备资源状况.方法:以单株母树作为样本单元,在顺坡方向和横坡方向各设置一条包含10个1.0m×1.0 m样方的样带,开展包括母树生长状况调查、自然散布种子的收集及更新苗木的测定.结果:所有母树都分布在有溪流的集水区中,72％的母树其树冠向顺坡方向的下部偏冠,上部树冠宽度约为平均冠幅的1/3;母树的平均年龄为15.4a,盛果期在10～20 a的年龄段.与母树的距离对种子散布的数量有显著影响,但对单位面积的苗木数量、苗木的地径和高度没有显著影响.林冠下≤1 a的占苗木总数的88.2％,无5 a及以上的幼树.结论:猴耳环依靠天然更新维持种群增长难度较大,亟需对其人工促进天然更新开展进一步的深入调查和研究.

准确的样地坐标位置是无人机航摄数据与地面调查数据融合使用的必要前提,但是在森林样地的具体实践中,会有许多因素制约着样地位置的测量精度,这有可能影响后期的数据融合过程甚至得出错误的结论,研究者们需要对此予以足够的重视.本文通过对比西双版纳地区10个热带森林样地及周围区域无人机航摄过程中的地面控制点测量精度、Photoscan摄影测量软件所得点云解算精度和照片曝光点重投影精度,发现:(1)即使使用性能相对较好的实时差分(real time kinematic,RTK)式GNSS系统进行定位,在林内也很难获得很好的定位精度,林窗处的地面控制点均方根误差(root mean square error,RMSE)在水平和垂直方向分别为0.167±0.158 m和0.297±0.170m,林下样地顶点桩处分别为0.392±0.368m和0.657±0.412 m;(2)软件的全局解算精度主要受控制点地面测量精度和控制点数量的影响;(3)若仅依托普通的单站式GPS对无人机位置进行定位,则照片曝光点的重投影坐标位置可能存在较大误差(RMSE在水平和垂直方向上分别为18.434±5.252m和34.042±6.920m);(4)估测地形与实测地形间的高差标准差与林冠平均高度正相关(r=0.713,P＜0.05),估测地形模型在20 ha样地尺度下的验证结果优于1ha样地.基于以上结果,我们建议:(1)在对热带森林进行无人机航摄的过程中,必须有足够数量和质量的分布相对均匀的地面控制点对测量误差进行控制;(2)摄影测量法的优势在于能够以相对简单的前端设备建立数字表面模型,但该方法可能很难在森林样地中建立准确的数字地形模型.在使用无人机获取数据之前,研究者应预先考虑到适合自己的恰当方法以应对以上的精度控制问题.

自然界中,森林植物叶片的生长随树冠高度呈现明显的垂直分布现象;然而,有关叶片性状随着树冠垂直高度增加的变化规律仍不清楚.为了更好地揭示植物叶片对光环境变化的适应策略以及对资源的利用能力,深入探讨了叶片性状与冠层高度的定量关系及其内在调控机制.以中国广泛分布的温带针阔混交林为对象,选取8种主要树种为研究对象(白桦、蒙古栎、水曲柳、大青杨、色木槭、千金榆、核桃楸和红松),通过测定这些物种9个冠层高度的叶片比叶面积(SLA)、叶片干物质含量(LDMC)、叶片氮含量(N)、叶片磷含量(P)、氮磷比(N∶P)和叶绿素含量(Chl)等属性,探讨了针阔混交林叶片性状的差异以及各性状之间的相关关系,进而揭示叶片性状随树冠垂直高度的变化规律.实验结果表明:1)温带针阔混交林内优势树种的部分叶片性状在不同冠层高度之间差异显著.2)随着树冠垂直高度的增加,SLA、LDMC、N、P、N:P和Chl呈现不同的变化趋势.其中,阔叶树种SLA随着树冠垂直高度的增加而减小;所有树种的LDMC随着树冠垂直高度的增加而增加;不同树种的N、P、N:P和Chl随着树冠垂直高度的变化规律存在差异.3)对于温带针阔混交林冠层中,SLA与N、P、N:P均存在显著的正相关关系,高SLA伴随着高的N、P、N:P,表明植物通过SLA与N、P等性状的协同来提高叶片的光合作用(或对光热资源的利用效率).通过定量分析探讨温带针阔混交林叶片性状随冠层高度的变化规律,一定程度地揭示了树木对光、热和水资源竞争的适应机制,以及植物叶片的资源利用和分配策略,不仅拓展了传统性状研究的范畴,其相关研究结论也有助于树木生长模型的构建和优化.

选取新疆艾比湖湿地国家级自然保护区荒漠杜加依林为研究对象,利用通量塔连续观测数据分析新疆艾比湖流域内杜加依林冠层界面水热垂直变化和CO2交换特征,进一步比较了冠层界面湍流碳通量、植物冠层储存碳通量及净碳交换量,探讨了不同时间和垂直空间序列下杜加依林冠层界面温湿廓线与CO2交换过程的相互关系.结果表明,新疆艾比湖流域内杜加依林冠层上方大气稳定度生长季的6-9月为中性(z/L=0.009),非生长季为不稳定(z/L=-0.449),全年总体呈不稳定水平(z/L=-0.194);冠层界面上气温垂直变幅小于5℃,随高度呈递增趋势,湿度垂直变幅超过40％;地-气碳通量呈秋冬小春夏大规律,年碳收支高于干旱区平均水平,为-0.026 mg CO2m-2 s-1,表现为碳汇;垂直空间尺度上垂直温湿度差与生态系统净碳交换量(NEE,Net Ecosystem Exchange)拟合较好,温度拟合结果为R2=0.7350(P＜0.01),湿度拟合结果为R2=0.3627(P＜0.01),水热变点分别为5％和1℃,而季节尺度上温度拟合结果较好,温度拟合结果为R2=0.5221(P＜0.01),湿度拟合结果为R2=0.1716(P＜0.01),变点为55％和18℃.生长季较小的冠层垂直温差有利于杜加依林对大气CO2的吸收,而冠层高湿环境则会抑制杜加依林对CO2的吸收.

分析了濒危植物树枫杜鹃种群结构及伴生群落物种组成、乔灌层物种多样性、垂直成层及个体径级结构等特征,并通过冗余分析(RDA)、典范对应分析(CCA)方法检验了树枫杜鹃种群及群落乔灌层物种组成与环境因子间的关系.结果 表明:(1)树枫杜鹃种群径级结构呈单峰型,更新不连续,缺乏幼苗,幼株时期为又一死亡高峰期,种群呈衰退趋势;(2)4个伴生群落中共有木本植物56种,隶属于23科40属,优势科为壳斗科、蔷薇科、槭树科、杜鹃花科,林下多箭竹(Fargesia spathacea);伴生群落的乔灌层多样性指数均较低,草本层不发达;群落1与群落2为高度1～1.5 m的灌丛,群落3为高度3～4m的常绿阔叶-苔藓矮林,群落4为高度8～10m的常绿落叶阔叶混交林;树枫杜鹃均位于群落下层,相比于乔木林群落,其在灌丛群落中生长较占优势;群落中耐阴种的小径级个体比例大,均呈增长趋势,林下竞争将持续增强;(3)前向选择及蒙特卡罗(Monte Carlo)检验表明,坡位对乔木层物种组成影响极显著,郁闭度与坡向对灌木层物种组成影响极显著(P＜0.01);而枯落物厚度与空气相对湿度是影响树枫杜鹃幼苗的主要环境因子,林冠郁闭度、坡向则是影响幼株与成株的主要环境因子;同时,幼株与成株也分别受到林下物种密度与林下竹类覆盖度的影响(P＜0.01).因此,疏伐上层林木,人为干预林下幼树及箭竹的生长,并清理地表枯落物,对缓解树枫杜鹃濒危的现状及维持其种群的发展具有重要意义.

为探讨林内不同垂直高度生境下及不同生活型苔藓植物水分特征的差异,该文对哀牢山湿性常绿阔叶林内地生苔藓、林下树干附生和林冠层树枝附生苔藓优势或常见种的生活型组成、持水力、失水特征和水分利用效率进行了研究.结果表明:地生、树干附生和树枝附生苔藓植物类群分别以交织型、扇型、悬垂型苔藓植物占据优势;地生、树干附生、枝条附生苔藓植物的饱和持水率分别为476％DW、210.98％DW、238.95％DW;地生苔藓植物的持水率和失水速率均高于附生苔藓,树干附生苔藓植物持水率低于树枝附生苔藓,而失水速率高于树枝附生苔藓.在不同生活型苔藓的水分特性上,交织型苔藓具有较高的持水率和失水速率,保水性能较弱,其次为悬垂型苔藓,扇型苔藓的持水率最小,失水速率也较快;地生和树干附生苔藓的水分利用效率均显著高于树干附生苔藓,交织型和扇型苔藓的水分利用效率显著高于悬垂型苔藓.在三种生境下,地生苔藓持水力高,水分利用效率较高而保水能力低;枝条附生苔藓持水力低,水分利用效率低而保水能力较高;树干附生苔藓水分利用效率较高而持水力和保水能力均较差.因此,不同生境下苔藓植物生活型组成及其水分变化特性在一定程度上反映了它们对不同生境的适应策略.

该研究首次借助林冠塔吊调查了西双版纳国家级自然保护区龙脑香热带雨林样地内69棵树13个垂直高度上的附生苔藓植物,结果表明:目标样树上共记录到隶属于25科60属的90种附生苔藓,其中细鳞苔科物种数最多,占比达25.6％.13个垂直高度上共划分出三种生态类型:喜阳苔藓(散生巨树上>45 m的区域),喜阴苔藓(乔木树干上<15 m的区域),广布苔藓(广泛分布于宿主各个垂直高度上,生态位宽),并筛选出对微生境有特殊偏好的17种苔藓指示种(IndVal≥0.7,P<0.05).随宿主垂直高度的升高,扇型和交织型的苔藓占比降低,悬垂型苔藓占比先升高后降低,细平铺型和粗平铺型的苔藓占比升高.大气湿度、水汽压、胸径以及树皮粗糙度对附生苔藓生活型的分布偏好具有显著影响.总之,沿宿主垂直高度上的附生苔藓对微环境变化在生活型和形态结构上有着不同的响应方式,而同一种生态型的苔藓群落有相似的适应机制.因此,在森林林冠生境变化的监测和管理中,对微生境具有明显偏好的附生苔藓物种可作为有效的指示材料.