森林景观模型(forest landscape model,FLM)已成为模拟森林景观动态的重要工具,模型预测的有效性将决定FLM在森林管理应用中的广度和深度.有限的调查数据是制约模型验证的主要原因,选择合适的方法来弥补数据的空缺并解决数据匮乏地区的模型验证问题可促进FLM得到更广泛的应用.本研究基于多源数据和时空代替法在森林调查数据匮乏的区域建立模型验证框架,并以LANDIS PRO森林景观模型模拟青藏高原未来森林景观动态为例说明该框架的适用性.具体的验证框架为:首先,使用森林调查数据校验模型参数;其次,利用多源数据(森林调查数据、遥感产品和已有研究结果)对模型结果进行短期验证;最后基于时空代替法和已有研究验证模型的长期结果.验证结果表明:初始模拟结果能够准确表征真实的森林属性信息;基于多种指标的LANDIS PRO短期模拟结果在样地和景观尺度上与验证数据差异较小(RMSE＜80 t·hm-2、SD＜80 t·hm-2、R2=0.81);长期林分动态特征与先前研究一致,模型预测的森林组成、结构和演替轨迹与该区原生林生长轨迹一致.这表明本研究基于森林资源数据匮乏条件建立的森林景观模型验证框架能够较好地对森林景观的模拟结果进行验证.

常规根系生物量研究方法在我国西南喀斯特森林地区实施困难,根系挖掘法所得研究结果不确定性高,导致目前根系生物量数据匮乏.选择贵州中部喀斯特常绿落叶阔叶混交林为对象,建立常规的根系生物量回归方程,结合群落调查数据,以期研究该森林木本植物的根系生物量特征及其空间分布格局.利用106株乔木、34株灌木和34株藤本标准木根系数据,构建了5种优势乔木(安顺润楠Machilus cavaleriei、化香树Platycarya strobilacea、云贵鹅耳枥Carpinus pubescens、云南鼠刺Itea yunnanensis和窄叶石栎Lithocarpus confinis)、3种优势灌木(刺异叶花椒Zanthoxylum dimorphophyllum、倒卵叶旌节花Stachyurus obovatus和异叶鼠李Rhamnus heterophylla)和2种优势藤本(藤黄檀Dalbergia hancai Benth和小果蔷薇Rosa cymosa)以及乔木通用、灌木通用和藤本通用共13个根系生物量回归方程.利用这些方程计算得到该喀斯特森林木本植物总根系生物量为22.72Mg/hm2.乔木根系生物量(22.57 Mg/hm2)远高于灌木和藤本,占森林总根系生物量的99.30％.5个优势乔木树种的根系生物量(19.67 Mg/hm2)占森林总根系生物量的86.54％.物种根系发达程度是影响根系生物量空间分布格局的重要因素.研究可为喀斯特地区植被地下生物量与碳储量的全面估算提供一个新途径.

林窗作为森林生态系统得以长期维持的主要驱动力之一,能够促进森林的自然更新与演替、优化森林结构和养分循环,从而提高生物多样性及生态系统服务功能.基于塔里木河中游历年径流量、耗水量与地下水埋深等水文数据,利用回归模型、拟合优度t检验与种群结构动态定量相结合的方法,分析了研究区水文条件对胡杨荒漠河岸林林窗数量及其形成木种群结构与动态的影响.结果 表明:1)1970年前塔里木河中游水量较为充足,在一定程度上可满足胡杨生存发育的需水量.自1980年来,塔里木河中游年径流量(R2=0.785,P＜0.01)与耗水量(R2=0.524,P＜0.01)呈明显减少趋势、地下水日益匮乏,其埋深呈直线下滑趋势(R2=0.8618,P＜0.01).这导致河道两岸的胡杨林生态用水日益紧缺,从而引起胡杨林林窗现象频繁出现,尤其是在1997-2006年期间.2)随着中游年径流量与耗水量逐渐减少、地下水埋深逐渐增加,林窗内胡杨形成木数量则变为增长趋势.3)林窗形成木除1957-1966、1967-1976年属衰退型外,1977-1986、1987-1996、1997-2006和2007-2016年均呈现增长型特征.特别是林窗内胡杨形成木Ⅱ级幼龄树大幅度增加,其表现出胡杨林年龄结构的老龄化特征.4)由模型显示,林窗及其形成木数量与径流量之间存在显著性负相关,径流量降至17.81×108 m3时,林窗内的胡杨将面临高峰死亡.由此可知,在干旱区水文条件是决定胡杨生死的主导因子,也是塔里木河中游荒漠河岸林林窗形成的主要原因.

山地小气候特征对解释林线位置、形成机制以及生长-气候关系具有重要意义.由于高山气象数据匮乏,尤其是土壤水热数据的缺失,使以往对华北地区山地土壤的温湿度变化特征知之甚少.基于5个整年(2012-2016年)的连续监测,分析了华北芦芽山针叶林分布上下限土壤(10cm)温度和含水量的季节变化特征及差异.结果 表明:(1)在芦芽山针叶林分布上限,北坡土壤10月末冻结,5月初解冻,南坡土壤冻结和解冻日均滞后于北坡,生长季内南北坡土壤均温、生长季长度无显著差异(122d,8.1℃和110d,7.6℃);(2)南北坡林线土壤含水量最低值都出现在冬季(1月),最高值则在秋季(10月和9月),并且南坡生长季土壤含水量(0.350 m3/m3)显著大于北坡(0.247 m3/m3);(3)与针叶森林的分布下限(2040 m a.s.l.)相比,林线土壤热量指标(年均温、生长季均温、最热月均温和生长季长度)均明显偏低,而土壤生长季内含水量显著偏大.研究结果揭示了亚高山区土壤冻融过程中温度和含水量的耦合关系,并进一步证实了芦芽山地区针叶树木径向生长在低海拔受干旱胁迫而在高海拔受低温限制.

为了深入认识滇中亚高山区域5种典型森林生态系统养分循环规律和系统稳定机质,通过测定植物叶、凋落叶和土壤C、N、P含量,掌握该区域典型森林植物叶-凋落叶-土壤生态化学计量特征.结果 显示:(1)5种森林类型C、N、P含量差异显著,其中各林型植物叶和凋落叶C、N、P含量均高于土壤.(2)5种森林类型植物N、P再吸收率均为华山松林＞云南松林＞常绿阔叶林＞高山栎林＞滇油杉林;5种森林类型的再吸收率均为P(均值为61.20％)高于N(均值为36.48％),表明了该区域土壤P的相对匮乏.(3)5种森林类型C/N、C/P、N/P均表现为凋落叶＞植物叶＞土壤;各林型植物叶N/P范围为10.17-15.31.(4)5种森林类型植物叶与凋落叶C、N、P含量、C/N和C/P均呈极显著或显著正相关;凋落叶与土壤的C、N含量及N/P呈显著正相关;5种森林类型植物叶N与P含量呈显著正相关关系;土壤N与P含量呈显著负相关关系.本文探究养分元素在“植物叶-凋落叶-土壤”之间的化学计量特征,为了解该区域森林生态系统的养分状况和揭示生物地球化学循环过程提供了理论数据.