探索森林土壤中的养分限制对森林抚育和管理具有重要意义,然而目前关于黄土高原刺槐人工林植被恢复过程中微生物受到的养分限制的研究并不充分.本研究为探究黄土高原刺槐林土壤中微生物养分的限制情况,在陕西省永寿县选择不同造林时间(15、25、35、45年)的刺槐人工林以及林地旁边的摞荒坡耕地(对照)为研究对象,分析了不同林龄下土壤有机质、全氮、全磷含量,以及与土壤碳、氮、磷循环相关的β-1,4-葡萄糖苷酶(BG)、纤维二糖水解酶(CBH)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)和磷酸酶(AP)活性的变化特征,通过化学计量和酶计量解析土壤养分限制状况.结果表明:土壤pH随植被恢复由碱性变为酸性;全磷在刺槐植被恢复的0～25年间逐渐降低;土壤有机碳、全氮和酶活性在0～25年间呈上升趋势.土壤全磷、有机碳、全氮、AP和LAP在25～45年间逐渐降低;NAG、BG、CBH在25～45年间先增加再降低.植被恢复过程中刺槐林的(BG+CBH)/(LAP+NAG)、(BG+CBH)/AP、(LAP+NAG)/AP均高于全球尺度的平均值.本研究区刺槐恢复过程中矢量长度小于1且逐渐增大,表明微生物碳限制逐渐增强;矢量角度大于45°且整体上降低,表明土壤微生物受磷限制且磷限制逐渐减缓,未出现微生物氮限制.刺槐人工林植被恢复过程中土壤理化性质变化明显,造林时间序列影响了土壤微生物的养分限制状况.

为改善我国亚热带桉树人工林土壤磷(P)供应不足的状况,该研究利用生物质炭(BC)作为土壤改良剂,以桉树人工林(林龄为 15 年)土壤为研究对象,通过室内培养试验,分别加入不同用量[0(CK)、2%、5%、10%和 20%]的BC,重点探究不同用量BC对土壤P组分及转化的影响及其与土壤理化性质之间的关系.结果表明:(1)与CK相比,20%的BC添加量显著提高了土壤硝态氮(NO3--N)、全磷(TP)、微生物生物量磷(MBP)含量和pH值(P<0.05),而2%、5%和10%的BC添加量仅显著提高了MBP和pH值(P<0.05),对其他土壤理化指标无显著影响.(2)与 CK 相比,2%的 BC 添加量显著提高了易利用性磷(LP)(P<0.05),5%和 10%的BC添加量显著提高了速效磷(AP)和LP(P<0.05),20%的BC添加量显著提高了AP、LP和难利用性磷(OP)(P<0.05),但中等程度利用性磷(MP)在 4 种BC添加量下均无显著变化.(3)与C、N和P转化相关的β-葡萄糖苷酶(BG)、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、蛋白酶(LAP)和酸性磷酸酶(ACP)活性均在 10%和 20%的BC添加量下显著高于CK(P<0.05).(4)相关分析结果表明,ln(BG)和ln(NAG+LAP)均与ln(ACP)呈显著正相关(P<0.05);冗余分析(redundancy analysis,RDA)表明,pH、TN和TP是驱动桉树人工林土壤P组分变化的最主要因素;结构方程模型(structural equation model,SEM)进一步表明,pH、C∶P和N∶P是驱动土壤P转化的最关键因子.综上所述,不同用量BC主要通过影响土壤理化性质提高与C、N循环相关的酶活性,并在一定程度上改善桉树人工林土壤的P供应潜力,其中以高浓度BC添加量(20%)的效果最佳.该研究对指导我国桉树人工林土壤养分管理及促进林业可持续发展具有重要意义.

林龄的变化引起土壤性质和微生物群落的改变,探明林龄对油茶林土壤酶化学计量特征及微生物养分限制的影响,对油茶林的养分管理具有重要意义.本研究以亚热带红壤地区4个林龄段油茶林(＜10年、15～25年、30～50年、＞60年)为对象,研究土壤酶化学计量和微生物养分限制对林龄变化的响应以及影响油茶林微生物养分限制的重要途径.结果表明:与＜10年林龄段油茶林相比,15～25年林龄土壤酶活性C∶N显著提高,但酶活性N∶P显著降低.微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、微生物生物量磷(MBP)随林龄增加呈现先降低后升高趋势;MBN、MBN∶MBP在＜10年林龄显著高于30～50年林龄;30～50年、＞60年林龄MBC∶MBN显著高于＜10年和15～25年林龄.冗余分析结果显示,土壤养分、微生物生物量及其化学计量解释了酶化学计量变化的92.4％.偏最小二乘路径建模分析(PLS-PM)表明,土壤有机碳(SOC)对微生物的C限制有总的正效应;MBN、MBN∶MBP、MBC∶MBP和SOC、全氮对微生物的P限制有总的负效应,土壤C:N对微生物的P限制有总的正效应,微生物的C限制与P限制呈显著正相关.随林龄增加,微生物养分由N、P限制(＜10年)向C、P限制(15～25年、30～50年、＞60年)转变.

东北作为我国重要农产品基地,其黑土有机质含量可达普通土壤的十倍.近年来由于过度的开发与利用,导致黑土质量下降,因此研究农田防护林对土壤质量的改善具有战略意义.为探讨农田防护林对黑土质量的改善效果,以不同林龄(Y1:林龄是1 a的小黑杨;Y5:林龄是5 a的小黑杨;Y6:林龄是6 a的小黑杨;Y8:林龄是8 a的小黑杨)小黑杨林下土壤为研究对象,通过测定小黑杨防护林样地的土壤理化性质,分析不同林龄小黑杨林下土壤理化性质的差异,并通过最小数据集方法对林下土壤质量进行评价.结果显示:(1)不同林龄土壤质地为:Y1:砂质土壤;Y5:壤土;Y6:粉砂质土壤;Y8:粉砂质土壤.(2)土壤透气保水性随林龄增长向良性方向演化,表层土壤容重由1.33 g/cm3减小到1.17 g/cm3,不同土层间差异不显著,且土壤物理指标与树木生长量及其他土壤因子具有较强的相关性.(3)土壤pH随林龄减小,随土层呈波动性变化,范围在6.19-6.58之间.土壤养分随林龄呈波动性变化,垂直变化差异显著,除速效钾外均富集在表层,各土壤养分元素之间相关性较弱.(4)土壤微量元素有效态含量在不同林龄及土层均差异显著,且各元素之间相关性较强.(5)基于最小数据集的构建发现,影响不同林龄小黑杨土壤质量的最小数据集指标包括全氮、全钾、饱和持水量、速效磷、钙、锰,经总数据集验证所构建的最小数据集可体现小黑杨林下土壤质量有效信息.(6)小黑杨不同林龄土壤质量指数介于0.358-0.667,土壤质量综合得分排名为Y8＞Y6＞Y5＞Y1.基于以上发现,小黑杨作为农田防护林对黑土区土壤质量改善效果明显,土壤保水透气性显著提升,土壤化学养分及微量元素含量部分提高,且不同林龄小黑杨对养分的循环利用效果差异显著.为实现黑土资源的合理利用,本研究建议随防护林林龄增加,更改林下套种作物以提高土壤质量及作物产量,为幼龄防护林对黑土区耕地的可持续利用提供科学依据.

[目的]探究不同龄林华山松非结构性碳水化合物(NSC)及其组分在各器官的分配随季节变化特征,对于揭示不同龄林华山松的碳分配机制有重要意义.[方法]以幼、中龄林华山松为研究对象,通过周期性采样,测定不同龄林华山松不同器官NSC及其组分含量,探究其年内季节动态变化.[结果](1)不同龄林华山松植株NSC及其组分在各器官间的分配规律基本一致,淀粉含量表现为根＞叶＞枝＞茎,且茎中淀粉含量显著低于其他器官,可溶性糖和NSC含量在叶、根、枝间差异不明显;茎中糖淀比显著高于其他器官.(2)在整个生长季内,华山松NSC及其组分主要受季节影响,季节×器官间交互作用的影响次之,林龄的影响最小.(3)在不同龄林中各器官NSC及其组分之间的相关性基本一致,除幼龄林糖淀比与淀粉、NSC,中龄林糖淀比与淀粉为负相关外,其余指标之间均为正相关.[结论]华山松各器官NSC及其组分含量存在明显的季节波动,当环境变化时不同器官间的碳供需协同变化,有利于华山松生长,并增强其应对极端环境的抵抗力和适应性.

以内蒙古红花尔基樟子松林国家级自然保护区樟子松人工林为研究对象,采用实测法对樟子松不同龄级人工林碳密度、碳储量及其分配特征进行了研究.结果表明:(1)樟子松人工林碳储量随林龄增加而增加.(2)樟子松人工林各碳层储量变化规律为:地下>地上,土壤层>植被层>枯落物层.(3)樟子松人工林各碳层储量中土壤层碳储量占比最大,且 0-30 cm土层碳储量占比在 76.97%—80.18%之间,呈表层聚集现象.(4)乔木层碳储量主要集中在树干,表现为碳净积累特征.未来通过采用合理的人工抚育及科学管理措施,维持和增加土壤碳收入,充分利用其生长特性,对于维持生态系统碳平衡起着极其重要的作用.

为了揭示间伐干扰下杉木人工林生物量的变化规律,研究利用江西省吉水县石阳林场的36块杉木人工林样地的实测数据和研究区气候数据,通过基于经验的引入地位指数(SI)的生物量生长方程组和基于机理的3-PG模型,模拟并预估林分生物量,分析在间伐和非间伐的情况下,不同立地的林分其生物量0-50a的变化.结果表明:(1)构建了生物量生长方程组,并在参数a、b、c中引入地位指数SI,发现改进后的模型对于基础模型拟合精度更高,且对数似然比检验表明,改进效果显著(P＜0.05).(2)通过对3-PG模型预测精度验证发现,预估值和实测值之间有很高的一致性,各因子的决定系数(R2)在0.65-0.96之间,其中,胸径和树高的R2均高于0.92;各因子的平均相对误差(MRE)不超过26％.(3)通过比较经验模型和机理模型的生物量预测发现,经验模型的预测误差MRE为16.50％,机理模型为23.52％,经验模型预估精度更高.进一步对未来预测对比分析表明,机理模型预估值高于经验模型.(4)两个模型模拟的杉木人工林生物量规律一致,即随着林龄的增加,杉木人工林林分总生物量均表现出先快速增加,后逐渐平稳的趋势;并且间伐不会改变这种趋势,但间伐林分在间伐后的生物量生长速率高于无间伐林分.此外,由于SI对经验模型影响显著,改进模型拟合效果更好,更具有生态学意义.参数化后的3-PG模型模预估精度较高,能够为江西杉木人工林生长规律研究提供依据.虽然经验模型和机理模型在对研究区杉木人工林生物量的预估上均具有较好的表现,但各具特点和局限性.经验模型参数较易获得,且经验模型预测生物量、林分胸高断面积和林分平均树高的R2、MRE均优于机理模型;但模型对于建模数据内的评价效果较好,对于建模数据外的应用具有局限性,即经验模型更适合模拟生长期间的某一阶段的林分生物量.机理模型虽然需要的参数较多,但是考虑了生态学原理,弥补了经验模型的不足,可较好解释和模拟环境因子对树木生长的影响,对校正数据之外生长阶段的林分生物量预测更有优势.

凋落物所处的土壤微环境是影响其分解的关键因素之一,然而在黄土高原广泛栽植的刺槐人工林中,土壤微环境随林龄增加如何改变、其对凋落物分解过程的影响趋势尚不清楚.为明确上述问题,以油松凋落物(典型的难分解凋落物)和白三叶凋落物(易分解)为对象,分别在林龄为 10、20、33 a和 43a的刺槐林地土壤表面进行为期 592 d的模拟分解试验,检测凋落物分解特征以及地表土壤理化生物学性质随林龄增加的变化趋势,并分析凋落物分解速率与土壤微环境指标间的关系.结果表明:(1)随林龄增加,油松凋落物的分解速率呈先小幅降低后提高的趋势,白三叶凋落物的分解速率持续提高(P＜0.05);(2)总体而言,随林龄增加林地表层土壤温度呈先降后增趋势,土壤湿度、有效磷含量和pH持续降低,而速效氮含量持续提高(P＜0.05);(3)林龄增加显著改变了林地土壤微生物群落结构,特别是在各分解时间点时均导致真菌属的明显演替现象.土壤中 9种凋落物分解酶的总酶活性和木质纤维素酶活性均在分解第108 天时随林龄增加呈先降后增趋势,而在分解第389 天和第592天时持续提高(P＜0.05).(4)油松凋落物分解速率仅与土壤总酶活性、真菌群落结构和铵态氮含量呈显著正相关,白三叶凋落物分解速率则与总酶和木质纤维素酶活性、细菌和真菌群落结构、温度和铵态氮含量显著正相关,而与土壤湿度和pH显著负相关(P＜0.05).综上所述,刺槐林龄增加引起的土壤理、化和生物微环境变化总体倾向于加速凋落物的分解过程.

喀斯特地区森林的空间结构演变规律是全球森林研究的关键科学问题之一.为探究喀斯特常绿落叶阔叶林空间结构动态,研究以木论国家级自然保护区内喀斯特常绿落叶阔叶林2 hm2固定监测样地为研究对象,以2007、2012、2017年3次调查数据为基础,利用空间结构参数角尺度(Wi)、混交度(Mi)与大小比数(Ui)对群落空间结构特征动态变化进行分析.结果表明:(1)空间结构参数的一元分布结果表明,2007-2017年林分随着林龄增大逐渐向轻微团状分布状态演变;混交度处于强度混交水平,呈向极强度混交方向演变的趋势;从大小比数来看,林分呈中庸状态,随林分增长表现为向亚优势的方向转变.(2)不同径级林木空间结构研究结果表明,径级为1～15 cm的树木角尺度、大小比数、混交度随林分生长逐渐增大;随径级增大,大小比数取值呈逐渐降低趋势,混交度呈逐渐升高趋势.(3)主要优势树种空间结构研究结果表明,2007-2017年间5个优势树种组均呈现轻微团聚分布;大小比数呈现亚优势偏向于中庸分布状态,混交水平处于强度混交水平,逐渐向极强度混交方向演变.综上所述,目前木论喀斯特常绿落叶阔叶林林分呈现轻微团聚分布,混交程度较强,林分偏向于亚优势分布状态,群落较稳定,林分更新状况良好,正向顶极群落方向逐渐演替.该研究关于喀斯特常绿落叶阔叶林植被结构动态变化的分析对预测森林未来发展的变化趋势具有重要参考借鉴意义.

氮磷重吸收是林木应对养分限制和提高养分利用效率而采取的重要养分利用策略.林木氮磷重吸收特征随其生长发育的变化规律和机制研究尚不充分.本文以中亚热带不同林龄(6、18、26和34年生)的木荷(Schima superba)人工林为研究对象,测定了木荷新鲜叶和衰老叶的氮(N)、磷(P)含量及其重吸收效率,并结合土壤全氮、全磷、铵态氮、硝态氮和速效磷含量,探究不同林龄木荷叶片养分重吸收特征及其调控机制.结果发现:土壤氮磷含量随林龄增长发生显著变化,6年生木荷林土壤全磷含量显著高于26和34年生木荷;26年生木荷林土壤全氮含量显著高于6、18和34年生木荷林土壤.34年生木荷新鲜叶全氮含量显著高于6、18和26年生木荷(P＜0.05),不同生长阶段木荷新鲜叶全磷含量、衰老叶全氮和全磷含量均无显著差异(P＞0.05).木荷叶片氮重吸收效率(RN)随林龄增加而升高(35.48％～44.52％),均值为38.25％;而磷重吸收效率(RN)随林龄增加而降低(30.99％～53.50％),均值为40.42％;6和18年生木荷叶片的相对养分重吸收效率(RN∶Rp)小于1,26和34年生木荷叶片的相对养分重吸收效率大于1;4个林龄木荷叶片全磷含量均小于1 g·kg-1且全氮含量均小于20 g·kg-1,新鲜叶氮磷比随林龄显著增加(17.62～24.40)且大于16,表明该地区木荷生长受到磷限制.RN与土壤铵态氮、硝态氮以及氮磷比(STN∶STP)呈正相关;Rp与土壤速效磷呈正相关,与土壤铵态氮呈显著负相关(R2=0.332,P＜0.05),RN∶Rp与土壤氮磷比呈显著正相关(R2=0.306,P＜0.05).研究结果表明,随着木荷生长发育,叶片氮重吸收效率增加,以满足生长发育的氮需求;但叶片磷重吸收效率降低,导致磷限制增强.可见,叶片磷重吸收可能不是其适应磷限制的主导机制,未来可深入研究木荷应对磷限制的其他途径,并进一步明确磷重吸收和土壤铵态氮含量变化的作用机制.