土壤生态化学计量是土壤肥力和植物养分状况的重要指标,探索森林的恢复方式对土壤生态化学计量特征的影响,可为准确评价生态系统物质循环过程对干扰和恢复的响应提供理论依据和数据支撑.该研究比较测定了东北东部山区人工恢复的3种针阔混交林和天然恢复的4种落叶阔叶林的土壤、凋落物和枯落物的碳(C)、氮(N)和磷(P)含量,以及土壤pH、土壤密度等理化性质.结果显示:人工针阔混交林和天然落叶阔叶林的土壤C、N和P含量均随着土壤深度的增加而降低.各林分类型的O(有机质)层土壤C、N和P含量的波动范围分别为53.78-90.59、5.02-7.83和0.75-0.91 g?kg-1.人工针阔混交林O层土壤的C和N含量显著低于天然落叶阔叶林,而人工针阔混交林A(腐殖质)和B(淀积)层土壤的C、N和P含量均高于天然落叶阔叶林.人工针阔混交林O层土壤的C密度显著低于天然阔叶林.土壤C:N、C:P和N:P的波动范围为10.08-12.53、43.97-135.52和4.56-11.64;O层土壤的C:N在两种恢复方式的森林间无显著差异,人工针阔混交林O和A层土壤的C:P和N:P显著低于天然落叶阔叶林.土壤各层次的C和N含量均存在显著的正相关关系(R2范围0.40-0.76).除C:N以外,恢复方式、土壤发生层及其二者交互作用对土壤C、N、P含量、密度和计量比均存在显著影响.土壤密度和凋落物C含量显著影响土壤C、N和P含量.这些结果表明,通过人工恢复方式增加针叶树种的比重,使表层土壤的C、N含量降低,导致表层土壤的碳固持量减弱;但是对C:N无显著影响,表现出相对稳定的土壤C、N计量特征.

叶性状受植株大小的影响,但也会因成年树和幼树所处林冠条件的不同而产生差异.因此植物可通过调整叶性状进而选择不同的生存策略.该研究测量了小兴安岭阔叶红松(Pinus korainesis)林中花楷槭(Acer ukurunduense)、青楷槭(A.tegmentosum)、五角槭(A.pictum subsp.mono)3种槭树的林隙成年树、林隙幼树和林内幼树的叶经济谱性状:比叶面积(SLA)、叶干物质含量(LDMC)、叶片厚度(LT)、叶绿素(Chl)含量、净光合速率(Aarea)和非结构性碳水化合物(NSC)含量及防御性状:总酚(TP)含量和类黄酮(FLA)含量,通过研究植株大小和林冠条件对叶性状变异及相关性的影响,阐述林隙如何通过影响叶性状进而影响林分更新以及不同生境下植株所选生存策略的差异.结果表明:林隙成年树的LDMC、Chl含量、FLA含量和NSC含量显著高于林隙幼树,SLA则显著低于林隙幼树;而林隙幼树的LDMC、LT、Chl含量和Aarea均显著高于林内幼树;成年树SLA和LDMC相关性斜率的绝对值显著大于林隙幼树,林内幼树两者间的斜率的绝对值又显著小于林隙幼树.林隙成年树表现为"保守型"策略,林内幼树表现为"获取型"策略;林隙幼树则表现为两种策略之间的过渡策略.研究结果表明,当幼树不再受到林内环境光照条件限制时,植株大小对叶性状的影响可能发生改变.另外,林隙可以通过提高幼树光合速率,提高对病虫害的抵抗能力等方式促进林分更新.

营造乡土树种人工林和桉树人工林是我国南亚热带森林经营的常见模式.为探究土壤真菌群落多样性及功能对乡土树种和桉树人工林的响应特征与机制,该研究以南亚热带 4 个乡土树种人工林[马尾松(Pinus massoniana)、火力楠(Michelia macclurei)、米老排(Mytilaria laosensis)、红锥(Castanopsis hystrix)]和外来树种尾巨桉(Eucalyptus urophylla×E.grandis)人工林为对象,基于各林分土壤(0～20 cm)真菌 18S rRNA高通量测序数据,利用FUNGuild数据库,比较分析乡土树种与尾巨桉人工林土壤真菌群落多样性和功能类群的差异特性及影响的主导土壤环境因子.结果表明:(1)5 个研究林分的土壤真菌优势门均为子囊菌门和担子菌门,但不同乡土树种林分与尾巨桉林的土壤真菌优势目存在差异.(2)尾巨桉林土壤真菌群落α多样性高于乡土树种人工林,其群落组成结构也与乡土树种人工林存在显著差异(P<0.05).(3)4 个乡土树种人工林土壤的腐生营养型的相对丰度高于尾巨桉林,并且火力楠林和米老排林土壤丛枝菌根真菌的相对丰度明显高于尾巨桉林,尾巨桉林土壤共生营养型以及外生菌根真菌和木材腐生菌的相对丰度明显高于乡土树种人工林.(4)pH是导致尾巨桉林与乡土树种人工林土壤真菌群落多样性和功能类群差异的主要土壤环境因子.综上认为,在南亚热带地区将尾巨桉林改建成火力楠林或米老排林可提高土壤养分水平,提升土壤生态功能.

为了调整低效马尾松(Pinus massoniana,P)人工纯林的林分结构,探明其与乡土阔叶树种凋落叶混合分解过程中的可溶性有机碳(DOC)释放规律,该研究以马尾松、香樟(Cinnamomum camphora,C)和香椿(Toona sinensis,T)的凋落叶为研究对象,将其按照不同树种和质量比例组合为 15 个处理(3 个单一树种处理+12 个混合处理)后进行野外凋落叶分解实验,并探讨DOC释放最佳的凋落叶树种组合以及混合比例.结果表明:(1)马尾松和大部分混合处理凋落叶(除了PT64)在分解初期(0～6 个月)的DOC含量均显著升高,出现富集现象,之后随着分解时间的延长而降低,在分解中后期(12～18 个月)或分解末期(18～24 个月)再次出现小幅度的碳富集现象.阔叶所占比例越高,其后期DOC含量越低.(2)分解前期(0～6 个月)凋落叶DOC释放的拮抗效应较强(58.33%),仅有 8.33%(1/12)的混合处理表现出协同效应.之后(6～18个月)其协同效应逐渐增强(91.67%),分解末期(18～24 个月)凋落叶的协同效应有所减弱(66.67%).在所有混合处理中,PT64 在整个分解期间均出现协同效应,其次为PT73、PCT622 和PCT613 在大部分分解时期(3/4)出现协同效应.(3)偏最小二乘法(PLS)回归分析表明,凋落叶初始质量因子中N含量、P 含量、木质素含量、缩合单宁含量、C/N、C/P、木质素/N以及木质素/P是影响该研究区域中凋落物DOC释放的重要因素.总体而言,马尾松与阔叶凋落叶混合后的DOC释放受到树种、混合比例及分解时间的共同影响.相对于其他混合处理,阔叶占比大于等于 30.00%且含有香椿(T)的凋落叶混合处理(PT64、PT73、PCT622和PCT613)更能促进DOC的释放.

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.

通过树种选择与配置优化提高土壤磷有效性进而促进树木生长是值得关注的问题.本研究在南亚热带人工林树种多样性平台开展研究,采用随机区组的试验设计方法,选取马尾松、米老排、格木、红椎、火力楠、灰木莲、土沉香、降香黄檀8个乡土树种,建立了 1、2、4和6个树种丰富度梯度的混交造林试验,测定了根际土壤生物有效磷组分(氯化钙磷、柠檬酸磷、酶磷和盐酸磷),探究不同树种配置对根际土壤生物有效磷组分的影响.结果表明:对比非固氮树种,固氮树种(格木和降香黄檀)的混交有效增加了土壤含水率、全氮含量、全磷含量和微生物生物量磷,树种合理配置有利于土壤生物有效磷的生成积累.固氮树种混交条件下,土壤氯化钙磷含量显著增加了 46.2％～160.3％,微生物矿化产生的酶磷提高了 69.3％～688.2％,盐酸磷增加了 31.5％～81.3％;土壤微生物生物量磷提高了 81.8％～149.4％,土壤微生物量氮增加了 88.1％～160.6％.冗余和相关分析显示,土壤微生物生物量磷、速效磷、全磷、蛋白酶、纤维二糖水解酶、酸性磷酸酶、微生物生物量氮和有机碳是驱动根际土壤生物磷组分差异的关键因子;固氮树种混交提高了酶磷和柠檬酸磷含量,这两种生物有效磷组分含量与林分树木胸高断面积呈显著正相关.固氮树种(格木)混交有效提升了根际土壤生物有效磷含量,有利于促进林分树木生长.

为揭示黄土区冠层降雨再分配的潜在分配特征,本研究以晋西黄土区8种典型林分(油松林、刺槐林、侧柏林、油松-刺槐混交林、侧柏-刺槐混交林、辽东栎林、山杨林和辽东栎-山杨混交林)为研究对象,探究降雨再分配过程并利用增强回归树(BRT)模型量化林分结构和气象环境因子的相对贡献,并根据BRT模型提取的最具影响力的因素进行多元回归,同时利用挖掘数据进行模拟验证预测模型.结果表明:研究区8种典型林分的穿透雨、树干茎流和冠层截留占降雨量的比例分别为24.5％-95.1％、0-13.6％和0.7％～55.7％;产生穿透雨的单次降雨阈值中,针叶林(3.06±1.21 mm)显著高于阔叶林(1.97±0.52 mm),但与针阔混交林无显著差异(3.01±0.98 mm);产生树干茎流的单次降雨阈值中,不同组成林分中无显著差异.BRT模型中,对于穿透雨和树干茎流,林分结构因子的影响占比较小,而对于冠层截留,林分结构因子则占主导地位;降雨量是决定穿透雨和树干茎流最重要的因素;树高是决定冠层截留最重要的因素,降雨量、冠幅面积、胸径和林分密度分列其后.对比一般线性函数和幂函数,本研究建立的BRT预测模型对穿透雨和树干茎流的预测效果有所提升,对冠层截留的预测仍需探究.综上,BRT模型可较好定量化评估林分结构和气象环境因子对降雨再分配各组分的影响,且所建预测模型模拟效果良好,可为制定林木配置优化策略提供科学依据.

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.

"栽针保阔"是恢复我国东北阔叶红松林的有效途径,透光抚育能促进冠下红松生长并加快演替进程,但目前有关透光抚育如何影响次生林内红松生长过程仍不清楚.以长白山"栽针保阔"红松林为对象,构建含双哑变量(透光抚育强度和林木分级)的红松胸径和树高生长模型来预测不同透光抚育强度[即对照(未透光)、轻度透光抚育(保留上层郁闭度0.6)、中度透光抚育(0.4)、强度透光抚育(0.2)和全透光(伐除全部上层阔叶树)]林分中红松三级木的生长过程,揭示透光抚育强度对林内红松胸径和树高及高径比的影响规律.结果表明:6个基础模型中,Gompertz为红松胸径(R2=0.46)和树高(R2=0.81)最优基础模型,在基础模型中引入透光抚育强度单哑变量、双哑变量后胸径模型的R2分别提高至0.65和0.89,树高模型的R2分别提高至0.84和0.94;双哑变量模型为预测红松生长的最适模型.被压木胸径生长在整个模拟预测期间(树龄0～80年)均随透光抚育强度增大而递增(增幅为145.8％～933.3％),而平均木和优势木在中期(42年)、中后期(60年)呈此规律.在初期(20年)和中期,全透光与强度透光抚育对红松优势木(64.8％～68.5％)、平均木(100.0％～144.2％)和被压木(138.5％～183.9％)树高生长的影响程度相近,中度透光抚育和轻度透光抚育对其影响相近(24.3％～35.1％、56.0％～92.3％和84.6％～103.2％);在中后期(62年)和后期(80年),红松三级木树高生长均随透光抚育强度增大而递增.各透光抚育强度下红松优势木、平均木和被压木的高径比变化幅度依次增大,分别为0.50～0.95、0.64～1.23和0.73～4.33;仅被压木在树龄0～80年随透光抚育强度增大而递减.因此,透光抚育约40年后,其对红松的胸径生长的促进作用减弱而对树高的促进作用却增强,而且高径比提高,故此时为缓解林木竞争,对轻度透光抚育、中度透光抚育的林分应进行二次透光抚育以进一步促进红松生长,而对全透光和强度透光抚育林分应进行间伐.

乌兰布和沙漠东北段的防护林是保护东部河套平原农业生产的重要生态屏障,由于对人工造林研究缺乏重视,许多防护林体系中的林分有一定的衰退趋势.研究乡土树种人工栽培后的生态适应性,是指导人工防护林建设和可持续经营的重要举措.为了深入探究乌兰布和沙漠乡土树种人工栽培后的生态适应性,本文以 3种乡 土树种沙冬青(Ammopiptathus mongolicus)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon)和蒙古扁桃(Prunus mongoli-ca)为研究对象,通过测定功能性叶片表皮形态、解剖结构、生理指标,结合当地气象数据,阐释3种植物对沙漠环境的适应机制.结果表明:3种植物分别以不同方式适应沙漠环境.沙冬青通过增大叶面积来增加受光面积、提高光合效率,利用密集的表皮毛和发达的角质层强化叶片机械防御能力,降低强光灼伤及水分蒸腾,维持细胞水分平衡,从而降低细胞膜脂过氧化.蒙古扁桃叶片簇生,通过增加叶片数量增加受光面积、提高光合效率,通过卷曲叶片躲避强光灼伤,通过特化气孔位置(将气孔全部分布于叶片下表面),利用发达的维管束、丰富的黏液细胞和晶体结构来降低水分蒸腾,维持细胞水分平衡,从而降低细胞膜脂过氧化.霸王叶片呈圆柱状条形结构,通过降低风阻,降低叶片遭受风沙流危害的概率,通过生理代谢调节提高叶片抗氧化物酶活性和渗透调节物质含量,维持细胞水分和活性氧代谢平衡.这些发现揭示了 3种植物在应对荒漠环境时所采取的不同的适应策略,为乌兰布和沙漠东北部乡土树种的引种驯化提供了新思路.