应用无人机近地面遥感技术估算草地生物量是目前较热门的方法,但构建的反演模型类型、变量、算法差异较大.通过在内蒙古锡林郭勒获取的无人机多光谱影像提取出波段反射率、植被指数等变量,与实际获取的地面样方调查数据结合,构建并对比了 8种最常用的参数与非参数方法构建的草地地上生物量预测模型,评估不同模型的精度和建模变量,以期能够优化得到最佳预测模型.研究结果表明8种模型中参数模型精度相对较低,非参数模型具有更高精度;参数模型中多变量的广义线性模型优于线性、对数和指数这3个参数模型;非参数模型中K近邻、支持向量机、极端梯度提升和随机森林4种模型的决定系数R2都大于0.7,但随机森林模型相对更稳健,且模型变量数最少.建模变量中归一化植被指数和红波段反射率变量对生物量估算作用较大.综上,随机森林模型是较适用于内蒙古锡林郭勒地区草原无人机近地面遥感技术估算草地生物量的模型,然而在超参数调整、算法优化,以及植被多源变量筛选等方面还需要更深入的研究.

因生态位的高度重叠,森林更新早期草本植物同更新幼苗间存在着激烈的光能、养分及水分竞争,由此显著影响到森林更新过程.以山西省庞泉沟自然保护区蒙古栎更新幼苗为研究对象,设置4种草本竞争模式(无竞争、全竞争、地上竞争、地下竞争),2种土壤养分梯度(4 g/m2、32 g/m2),2种土壤养分分布模式(均质、异质),进行草本竞争盆栽试验.结果表明:1)草本竞争、土壤养分状况对幼苗更新均存在显著影响(P＜0.05).其中,幼苗各生长指标在无竞争、地下竞争处理间的差异,显著表明地下竞争效应的存在性,地上竞争效应同理.2)基于线性模型,对幼苗苗高、叶片总面积、叶片总生物量、三个细根亚径级根系表面积而言,草本竞争主效应的贡献率分别为80.66％、67.49％、49.39％、40.26％、59.09％、53.26％,同土壤养分浓度相比,草本竞争的森林更新效应更高;在土壤养分异质条件下,二者交互效应甚至显著大于土壤浓度主效应;草本竞争各组分分析结果表明地下竞争效应的贡献率始终处于主导地位.3)基于结构方程模型,揭示草本竞争森林更新效应及其内在组分的具体作用途径.在无竞争与全竞争处理下,幼苗更新潜力对光能吸收及养分吸收的标准化回归系数分别为0.61、0.46,表明草本竞争主要通过光能吸收影响幼苗的更新过程;草本竞争内在组分的群组分析中,地上竞争与地下竞争相应的标准化系数分别为0.31、0.74,表明后者是主要的作用途径.在定量评价草本竞争及其内在组分森林更新效应的基础上,深入探讨其作用机理,加深了人们对其在森林更新早期生态效应的认识,为森林更新实践提供理论指导.

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.

地形是影响森林生产力和碳收支空间分布格局的主要环境因素.青藏高原地形复杂,森林类型丰富,是研究地形对森林碳收支格局影响的理想场所.然而,由于青藏高原森林区域的野外调查存在难度,目前对于地形因子对青藏高原森林碳收支动态的影响缺乏全面认识.因此,本研究旨在模拟青藏高原森林碳收支变化的时空格局并分析不同地形条件下森林生产力及碳收支动态的差异.本研究利用生态系统过程模型(FORMIND)模拟了青藏高原中高海拔森林总初级生产力(GPP)、地上生物量(AGB)及净生态系统交换量(NEE)在不同地形条件下的时空动态,并对模型在研究区的适用性及模拟结果的精确性进行验证,分析当前(2000-2014年)及未来(2015-2040年)生产力、碳收支状况,并利用XGBoost机器学习算法分析地形因子对GPP、AGB和NEE影响的相对重要性.结果表明,FORMIND模型模拟的青藏高原森林GPP(6.73±0.53 t C·hm-2·a-1)、AGB(167.23±17.45 t·hm-2)和 NEE(0.32±0.12 t C·hm-2·a-1)与样地调查数据和遥感观测数据基本一致,模拟结果可信.未来青藏高原森林AGB呈明显增加的趋势,GPP增加趋势不明显,NEE呈减少的趋势,但总体上仍表现为碳汇.森林AGB和GPP与海拔呈负相关,AGB和NEE与坡度呈微弱正相关,阳坡森林GPP、AGB和NEE均高于阴坡.相较于坡度和坡向,海拔对青藏高原森林生产力和碳收支动态的影响更大.本研究结果有利于深入了解青藏高原森林生产力和碳收支空间分布格局.

旨在探讨南亚热带常绿阔叶林地上碳储量空间分布特征及其影响因素,为了解该区域森林的碳汇功能提供理论依据.通过对鼎湖山南亚热带常绿阔叶林 20 hm2固定森林样地调查数据,采用一元线性回归分析和主成分分析方法,划分优势种和非优势种,研究地上碳储量的空间分布和生物/非生物因素的影响,获取了以下结果:(1)优势种对鼎湖山南亚热带常绿阔叶林地上碳储量贡献更大(1533.85 Mg,74.72%),尤其是大径级物种(1389.68 Mg,67.69%).优势种地上碳储量(CV=0.635)的空间分布较非优势种(CV=0.690)更加均匀.(2)物种多样性与优势种和总体地上碳储量负相关,而与非优势种正相关.(3)群落总体、优势种和非优势种的地上碳储量均与结构多样性显著正相关.然而,结构多样性对非优势种地上碳储量的影响程度高于优势种.(4)群落中的土壤营养度、凹凸度与地上碳储量正相关.综上所述,通过提升非优势种的物种多样性可以增加鼎湖山南亚热带常绿阔叶林地上碳储量.此外,改善土壤营养条件也有助于提升南亚热带森林的碳汇功能.

研究气候变暖对树木径向生长和生物量分配的影响,对准确评价气候变化背景下树木的固碳能力具有重要意义.该研究于2004年将4个纬度地点(从北往南依次为塔河、松岭、黑河和带岭)的落叶松(Larix gmelinii)幼树向南移植到黑龙江帽儿山森林生态研究站的同质园内,模拟气候暖化.在同质园和移栽来源地同步测定树木径向生长和生物量及其分配.结果表明:(1)气候变暖显著促进了松岭和塔河落叶松树木的径向生长,胸径(DBH)、树干距离地面10 cm处直径(D10)及其相对增长率和单位增温相对增长率均随增温幅度的增加而增大;松岭和塔河树木DBH的相对增长率分别为58.62％和101.49％,单位增温相对增长率分别为16.11％·℃-1和18.79％·℃-1.(2)气候变暖显著减小了塔河树木叶、枝和根生物量的占比,增大了树干和地上生物量的占比;气候变暖也显著减小了松岭树木根生物量占比,增大了树干生物量占比.气候变暖后,松岭和塔河树木根冠比均显著减小.气候变暖会影响落叶松树木的径向生长和生物量的分配,且这种影响因暖化程度的不同而存在一定的差异.

对光环境的灵敏响应使得森林中常见的光照异质性成为影响植物自我更新的关键因素,然而植物地下根系结构对光照的响应较为难测而缺乏深入研究.为探究不同光强下木麻黄根系响应策略,以一年生木麻黄(Casuarina equisetifolia)幼苗为试验材料,模拟森林幼苗生长的林外(CK)、林缘(L1)、林窗(L2)和林下光环境(L3)设置4种光照强度,测定及分析木麻黄幼苗的生长、根系形态、细根解剖结构及碳氮含量等指标.结果表明:(1)L1下,幼苗采取维持高度,降低横向生长的方式,保证正常累积生物量,随光照强度的下降,株高、地径、叶片生物量及地上部分生物量逐渐下降.(2)在根系表型上,幼苗随光限制的加重呈现抑制纵伸但促进根系的横向生长,其中总根长、根平均直径及根体积达到显著差异.在径级结构上,细根发育程度随光照减弱而下降;而适当的遮光(L1)促进粗根生长但L3时除根尖数较CK上升外,根长度、根表面积、根体积均显著下降.(3)1-3级细根解剖变化较大,相较CK,1级细根皮层细胞面积显著增加,但根半径、维管柱结构、表皮厚度等指标则显著下降,2级细根根半径、皮层细胞面积、表皮厚度明显减少,但维管柱结构仅在L2、L3时显著下降;3级细根根半径、皮层细胞面积和维管柱面积均较CK显著增大,L1时维管柱结构下降,但随光照减弱加重,维管柱面积和中柱占比均明显增加.(4)在碳氮含量上,CK与L1无显著差异,TC在L2时显著下降,TN则在L2时显著上升,TC、TN均在L3达到最大,而C∶N随光强降低逐渐下降.综上所述,光限制时,木麻黄生物量及碳分配稳定根茎部分生长,采取"弱化吸收,强化储存"收缩型生长策略;当限制加重时,光合和呼吸作用失衡导致植物对细根投入养分的浪费,并最终造成林木死亡.研究结果为林下植被的更新提供理论参考.

氮添加会引起土壤理化性质和养分有效性的改变.受此影响,森林植物的地上碳同化能力和地下碳分配格局也会相应地发生变化,总体表现为促进植物生长固碳,增加凋落物和植物根系沉积碳输入土壤,并改变上述植物源有机质的数量和化学成分.与此同时,土壤微生物的群落结构和生态功能也会受到氮添加的影响,由于土壤中的有机碳分解、转化和稳定等过程均受到微生物的驱动,因此,氮添加所引起的底物供应差异和微生物响应会影响森林土壤有机碳的矿化,并最终影响森林土壤有机碳库固存、稳定和CO2排放.但目前关于氮添加对森林土壤有机碳库固存能力和CO2排放特征的影响机制仍不清楚,为此,以森林土壤的碳循环过程为线索,综述了氮添加对底物供应、土壤有机碳激发效应、微生物碳代谢等过程的影响,并尝试梳理在氮添加影响下森林土壤有机碳分解、转化和稳定的微生物驱动机制.这有助于预测氮添加对森林土壤"氮促碳汇"的实际效果,以便研究人员在未来氮沉降日益严重背景下更好地预测森林土壤的碳循环特征,寻找提高森林土壤有机碳库固存能力和降低CO2排放相关途径提供参考.同时,还分析了目前相关研究中存在的问题,并对该领域未来的研究热点进行了展望.

森林生态系统在全球碳(C)储量中占据极为重要的地位.菌根真菌广泛存在于森林生态系统中,在森林生态系统C循环过程中发挥重要的作用.阐述了不同菌根类型真菌在森林生态系统C循环过程中的功能,对比了温带/北方森林与热带/亚热带森林中菌根真菌介导的C循环研究方面新近取得的研究结果.发现温带和北方森林的外生菌根(EcM)植物对地上生物量C的贡献相对较小,然而是地下C储量的主要贡献者;以丛枝菌根(AM)共生为主的热带/亚热带森林地表生物量占比较高,表明AM植被对热带/亚热带森林地上生物量C的贡献相对较大.我们还就全球变化背景下,菌根真菌及其介导的森林生态系统C汇功能,以及不同菌根类型树种影响C循环的机制等进行了总结.菌根真菌通过影响凋落物分解、土壤有机质形成及地下根系生物量,进而影响整个森林生态系统的C循环功能.菌根介导的森林C循环过程很大程度上取决于(优势)树木的菌根类型和森林土壤中菌根真菌的群落结构.最后指出了当前研究存在的主要问题以及未来研究展望.本文旨在明确菌根真菌在森林生态系统C循环转化过程中的重要生态功能,有助于准确地评估森林生态系统C汇现状,为应对全球变化等提供重要的依据.

森林是重要的陆地生态系统,分布广、生物总量大,在全球碳循环中起着重要作用.森林地上生物量(AGB)是森林生态系统生产力的重要指标,也是碳循环的重要参数,森林AGB的精确估算对研究生态系统的物质循环和全球气候变化具有重要意义.传统的森林AGB估算方法需要获取单木尺度或者林分尺度的物理结构信息,较为耗时、耗力,而遥感技术因其可以获得全方位、多时相、大范围的森林结构信息,在森林AGB估算中发挥着不可替代的作用.因此,有必要对近年来遥感技术估算森林AGB领域所取得的进展进行归纳、总结和展望,以期进一步促进遥感数据和方法在该领域的应用以及有效指导相关行业的发展.该文系统归纳了光学数据、合成孔径雷达(SAR)数据与激光雷达(LiDAR)数据估算森林AGB的原理及方法,并对多源遥感数据协同估算森林AGB的研究现状进行了梳理,总结了如下结论:1)新型遥感数据(如高分系列卫星、全球生态系统动态监测激光雷达等)在生物量估算领域的应用愈加广泛,在时空分辨率方面不断突破,进一步丰富了森林AGB研究的数据来源;2)多源遥感数据协同方式能更好地提高森林AGB估算的精度,但相关模型仍需进行更深层次的优化;3)目前机器学习、人工智能、深度学习已广泛应用于森林AGB的估算,但是遥感机理的研究是创新的根源,模型或方法的改进仍需围绕遥感机理展开.