森林是最重要的陆地生态系统类型之一,在生态文明建设中具有举足轻重的地位,研究独具森林资源优势地区的生态系统生产总值(GEP)变化及其对土地利用变化的响应对促进该类区域可持续发展具有重要意义.本研究以江西省资溪县为研究区,基于生态系统价值核算理论和方法,在调节服务通用指标体系(水源涵养、土壤保持、氧气提供、碳固定、气候调节、洪水调蓄、水质净化、空气净化、物种保育)及文化服务通用指标体系(景观游憩、教育)基础上,增加负氧离子、康养等指标,并引入森林生态系统服务修正系数,构建独具森林资源优势的GEP指标体系和方法,评估了研究区2010、2017和2020年GEP的时空变化特征,采用弹性指数及价值损益分析方法量化了土地利用/土地覆盖变化对GEP的影响.结果表明:2010、2017和2020年资溪县GEP分别为167.88、268.17和384.07亿元.各生态系统GEP占总GEP比例依次为森林＞湿地＞农田＞草地＞城镇.研究期间,GEP增加值主要来源于森林生态系统.土地利用变化对GEP产生了重要影响.2010-2020年,研究区土地利用变化总面积为8501.88 hm2.各土地利用变化幅度依次为草地(-2811.17 hm2)＞城镇(1428.06 hm2)＞森林(1357.67 hm2)＞湿地(1031.05 hm2)＞农田(-1005.01 hm2).各类用地的绝对变化主要发生在2017-2020年.各测算指标对森林生态系统的弹性指数明显高于其他生态系统,说明GEP对林地面积变化的敏感性最高.价值损益分析表明,城市开发在一定程度上降低了 GEP,林地、湿地的保护促进了 GEP增加.2010-2020年,资溪县土地利用类型之间的转化导致GEP增加18.65亿元,说明资溪县土地利用变化整体上对生态的影响是正向的.研究结果一定程度上体现了资溪县成为国家生态文明建设示范县之后的绿色发展成效,也为研究区今后高质量发展、高水平保护和土地资源可持续开发利用提供了决策支持,并可为其他类似地区的GEP核算提供借鉴.

本研究以福建三明森林生态系统国家野外观测研究站的青冈、格氏栲、马尾松、闽楠、香樟林5种人工林为研究对象,分析了 0～10 cm表层土壤微生物呼吸对葡萄糖添加的代谢响应.结果表明:与对照相比,葡萄糖添加使土壤微生物呼吸提高了 82.4％～349.5％,不同树种间差异显著.对照中,土壤微生物呼吸与微生物生物量、土壤有机碳及真菌/细菌有显著的相关关系,表明在没有活性碳供应时,微生物代谢受土壤有机碳含量的调控,且与土壤微生物生物量和群落结构有关.在葡萄糖添加处理中,土壤微生物呼吸与土壤总氮、溶解性有机氮和矿质氮呈显著正相关,表明当活性碳供应充足时,微生物代谢主要受土壤氮含量及其有效性制约.微生物呼吸的代谢响应,即葡萄糖添加处理与对照土壤微生物呼吸的比值,主要受土壤碳氮比的影响,呈现出微生物代谢响应随土壤碳氮比的下降而升高.此外,土壤pH也是影响微生物代谢响应的重要因素.土壤碳、氮含量及有效性对微生物呼吸的影响依赖于微生物是否受碳限制,土壤碳含量调控了碳限制时的微生物呼吸,而土壤氮含量及有效性调控了碳限制解除后的微生物呼吸.

作物水分胁迫指数(CWSI)模型中的下限温度指水分充足时的冠层温度(Tc)或冠气温差(dT),对模型量化植被水分状况精度有较大影响.目前,基于数据驱动方法直接估算下限温度已在大田作物中取得成功,但尚未见其在森林生态系统中的适用性报道.本研究以太行山南麓栓皮栎人工林为研究对象,连续同步观测Tc和气象数据,评估使用多元线性回归模型和BP神经网络模型估算下限温度的可行性,以及CWSI指示人工林水分状况的精度.结果表明:在不具备灌溉条件的森林生态系统中,将以土壤含水量、风速、净辐射、饱和水汽压差、气温作为输入参数的多元线性回归模型与BP神经网络模型中的土壤水分条件设为饱和,即可获得下限温度;将下限温度与理论公式确定的上限温度结合,对实测Tc或dT进行归一化获得CW-SI,可实现对栓皮栎人工林水分状况的无损、快速、自动诊断.其中,基于BP神经网络模型确定的水分充足条件下的dT作为下限温度,并与上限温度结合获得CWSI,最适合精准量化人工林水分状况,与实测水分状况之间的决定系数、均方根误差和一致性指数分别为0.81、0.08和0.90.本研究结果可为森林生态系统水分状况的高效、精准监测提供参考方法.

开展氮沉降对森林土壤-微生物-胞外酶化学计量特征影响的研究,可为理解氮沉降对森林生态系统元素循环和养分限制的影响提供理论基础.本研究以云南松林为对象,于2019年开始进行氮沉降模拟试验,设置对照(CK,0g N·m-2·a-1)、低氮(LN,10 g N·m-2·a-1)、中氮(MN,20 g N·m-2·a-1)、高氮(HN,25 gN·m-2·a-1)4个处理,于2022年9月采集土壤样品(分为0～5、5～10、10～20 cm 土层)测定土壤有机碳、全氮、全磷、微生物生物量碳氮磷(MBC、MBN、MBP)以及碳氮磷获取酶活性.结果表明:与对照相比,氮沉降显著抑制了土壤有机碳含量、C∶N和C∶P,降幅分别为6.9％～29.8％、7.6％～45.2％和6.5％～28.6％;促进了土壤全氮含量和N∶P,增幅分别为10.0％～45.0％和19.0％～46.0％;对土壤全磷含量则无显著影响;除土壤C∶N和C∶P外,土壤养分含量及化学计量比均在0～5cm 土层最高.MN和HN处理显著抑制了土壤MBN,降幅为11.0％～12.7％,氮沉降下土壤MBC和MBP及相关计量比无显著变化;0～5 cm 土层的土壤微生物养分含量显著高于其余土层.氮沉降显著抑制了纤维素二糖水解酶和亮氨酸氨基肽酶活性(降幅为14.5％～16.2％和48.7％～66.3％);HN处理促进了 β-1,4-葡萄糖苷酶活性(增幅68.0％),但抑制了土壤酶化学计量碳氮比和氮磷比(降幅95.4％和88.4％);LN和MN处理促进了 β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性(增幅68.3％～116.6％),但抑制了土壤酶化学计量碳磷比(降幅14.9％～29.4％);碱性磷酸酶活性无显著变化;土壤酶活性均随土层加深而显著降低.相关性分析表明,土壤全氮、全磷、微生物养分与矢量角度(表征微生物氮或磷限制)均呈显著负相关,而矢量长度(表征微生物碳限制)与矢量角度始终呈显著正相关,代表微生物碳限制与磷限制之间协同促进.氮沉降在缓解云南松林微生物氮限制的同时逐渐向磷限制转变,此外,研究区还受到微生物碳限制,且微生物碳和磷限制的关系呈正比.

植物叶片生态化学计量特征及其差异可以反映植物对环境的响应,是了解植物与环境相互作用的关键.特殊的天坑环境创造了良好的植物生长条件.为探究天坑植物的养分利用特征与环境适应性差异,揭示天坑森林植物适应机制,为天坑森林养分循环与群落构建理论研究提供基础数据,该研究对广西大石围天坑群坑内外植物叶片中碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)养分化学计量特征进行比较.采用相关性分析和冗余分析等统计方法研究植物各化学计量间的内在联系和环境对其的影响.结果表明:(1)与其他喀斯特地区植物以及全国陆地植物相比,研究区域内的36科55属64种植物叶片具有较低的C含量,较高的N、P、K、Ca、Mg含量和较低的C:N、C:P,表明天坑植物具有低固C、高养分积累、高生长速率与低养分利用效率的总体特征.(2)大石围天坑群植物叶片N:P平均值为16.65,N:K平均值为1.50,K:P平均值为10.10,表明天坑植物整体K富足而N、P养分受限.(3)显著性分析表明:不同位置、不同功能群植物养分含量与化学计量比存在显著差异,不同环境、不同类型植物养分吸收的策略不同.(4)相关分析表明:植物叶片各养分含量与化学计量比间存在较为显著的相关关系,植物叶片对不同养分的吸收具有一定的比例与协调关系.(5)对叶片化学计量特征影响因子的分析结果表明:土壤是影响叶片养分含量的关键环境因素.研究结果揭示了大石围天坑群植物养分利用特征、生境养分差异以及植物对环境的适应情况,为天坑森林生态系统养分循环与群落构建机制的探索提供了基础数据.

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.

秦巴山区地处我国南北气候、生物区系的交汇地带,具有十分重要的地理与生态价值,蕴藏着巨大的发展潜力.确定生态系统服务对植被覆盖变化的响应阈值是实现秦巴山区环境资源有效配置、管理政策科学制定以及生态效益最大化的重要前提.在分析秦巴山区产水、固碳、土壤保持和生境质量4项生态系统服务时空特征的基础上,综合运用聚类分析、方差分析和弹性分析对比不同植被类型和地形梯度下生态系统服务的异同进而分区计算植被覆盖变化的影响阈值.结果表明:(1)2000-2020年,产水、固碳、土壤保持和生境质量服务整体提升且均表现为东南高西北低的空间分布.(2)不同类型植被下,生态系统服务整体供应能力从大到小依次为林地、草地和农田.不同地形变化下,除生境质量呈持续增长态势外,其他3项服务均出现了先提高后衰减的非线性趋势.(3)植被覆盖度对生态系统服务有促进作用,但超过一定阈值后这种作用会逐渐减弱.植被覆盖影响阈值在林地、草地和农田区分别为0.85、0.80和0.78;且该阈值随地形因子增加先增大后减小.本研究结果可以转变秦巴山区单纯依靠扩大森林面积提升生态系统服务供给的简单化生态保护模式,为构建分区管理、全面系统和动态平衡的生态可持续发展体系提供依据.

河流湿地是非常重要的湿地类型,其中河流湿地土壤能够有效维持河流湿地生态系统的稳定性.土壤碳氮磷是支撑湿地土壤质量和植被生长的关键营养元素,利用高光谱遥感数据对其进行估算对实现湿地土壤养分信息的快速和准确检测具有重要意义.土壤粒径作为土壤最重要的属性之一,对土壤样本的光谱反射率有着重要影响,并且是影响土壤结构、阳离子交换能力、植物养分可用性等的重要因素.以陕西黄河湿地省级自然保护区为研究区,于2022年8-9月采集477份湿地表层土壤样本,经过室内过筛处理后得到1.0 mm、0.3 mm、0.2 mm、0.1 mm四种不同粒径的土壤样本.基于原始光谱数据及一阶微分转换光谱数据对土壤碳、氮、磷含量建立不同粒径的偏最小二乘回归、随机森林、高斯过程回归3种预测模型,比较建模R2以及RMSR选择最优模型,并筛选敏感波段构建模型进行评价.研究结果显示:(1)光谱反射率数值随土壤粒径的减小而增大,0.1 mm粒径的预测模型相比于其他粒径始终有着更好的精度;(2)基于一阶微分光谱建立的土壤有机碳、全氮、全磷含量估算模型均具有更高的精度;(3)基于敏感波段建立的偏最小二乘回归模型,建模R2范围0.62-0.98,验证R2范围0.36-0.94,相比其他模型具有更优秀更稳定的反演效果.研究结果表明通过控制土壤粒径建立土壤碳、氮、磷含量的估算模型是可行的,选择合适的粒径大小能够提高反演模型估算精度.而偏最小二乘回归作为具有较高精度的反演模型可以帮助提高模型的稳定性和预测能力,从而更准确地估算土壤中的碳、氮、磷含量.研究结果为基于高光谱遥感的不同粒径处理的湿地表层土壤碳、氮、磷定量反演提供坚实的理论支撑与技术支持.

以9个国家重点森林生态功能区作为实证研究区域,构建产业化和生态化两个子系统及产业生态化系统发展水平评价指标体系,运用熵值法、耦合协调度模型、剪刀差模型、耦合度模型、Dagum基尼系数和MGWR模型等方法,从县域尺度测度生态功能区建设12年来产业化水平、生态化水平及产业生态化水平发展变化,分析产业化、生态化两个子系统协调发展水平、发展速度差异及动态演化趋势,剖析影响产业生态化发展因素为产业生态化健康发展提供科学支撑.结果表明:(1)12年间产业生态化呈低水平的小幅上升态势,9个功能区间的最大差距呈先下降后上升的波动发展态势.不同功能区间产业生态化水平及产业化水平、生态化水平差异均较大,不同功能区产业生态化水平发展变化的主要内部动因存在较大差异;产业化水平和生态化水平总体均呈小幅上升态势,产业化总体水平低于生态化水平,9个功能区间的最大差距均呈先下降收敛后上升发散的态势;产业生态化、产业化、生态化水平均表现为前一阶段增长快于后一阶段,且后一阶段增速下滑幅度大.(2)12年间产业化与生态化系统二者协调度实现由初级协调到中级协调的提升,9个功能区间协调水平最大差距呈持续上升发展态势.186个县域样本总体协调水平分布呈以初级、中级协调为主,濒临失调、勉强协调和良好协调县份少的"纺锤"形态;产业化增长速率快于生态化增长速率,产业化与生态化发展速率的剪刀差呈小幅下降态势,产业化与生态化发展间差异逐渐缩小,趋向于共同发展阶段.(3)城镇化率、人口密度、人均城乡居民储蓄存款余额、第三产业增加值/第二产业增加值、财政自给率、城镇居民人均可支配收入、每万人医院和卫生院床位数对产业生态化水平呈正向影响,且城镇化率为影响产业生态化水平的正向主导因素.

森林生态系统强大的碳源/汇功能是实现"碳中和"和"碳达峰"战略目标最经济、有效的自然气候解决方案和固碳增汇手段.准确评估森林生态系统的碳汇能力,对于明确森林碳储量有重要意义.为明确亚热带-暖温带气候过渡带的常绿落叶阔叶混交林的碳通量特征及其驱动因素,2011-2020年利用涡度相关法开展了大别山常绿落叶阔叶混交林碳通量和环境要素的观测试验.结果表明:大别山常绿落叶阔叶混交林净生态系统CO2交换量、生态系统呼吸(Reco)、总初级生态生产力分别为-788.13 gC m-2 a-1、1074.14 gC m-2 a-1、1862.27 gC m-2 a-1,该森林生态系统整体表现为碳汇,其固碳能力与相近纬度的常绿落叶阔叶混交林基本持平,并高于针阔叶混交林、毛竹林等其他类型的森林生态系统.10年间,大别山常绿落叶阔叶混交林的固碳能力有所增强.影响大别山常绿落叶阔叶混交林碳通量的主要环境因子为温度与太阳辐射,气温(Ta)、净辐射(Rn)、光合有效辐射和总辐射与生态系统碳生产力和GPP呈显著正相关(P＜0.001),Reco与Ta和Rn呈显著正相关(P＜0.001).研究结果为气候变化响应敏感的南北气候过渡带森林生态系统的碳储量估算、碳循环过程模拟提供观测数据支持和科学依据.