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.

为探究湘西石漠化区湿地松-马褂木人工混交林林分结构及土壤理化性质,该研究以湘西石漠化地区湿地松-马褂木人工针阔混交林为对象,利用植物群落学分析和野外取样检测的方法,分析林分结构和土壤理化性质,运用Winklemass 1.0计算林分空间结构参数,并用三维离散随机变量分析了优势种的空间分布格局.结果表明:(1)林分内胸径(DBH)≥2 cm的林木株数为897 plants·hm-2,隶属于15科16属.主林层为湿地松,平均DBH为32.3 cm,重要值为44.2％;次林层为阔叶树,中幼龄林木居多,其中樟树、马褂木为优势树种,重要值分别为17.1％和13.2％.此外,还存在较多处于劣势生态位的天然更新种.(2)林木的水平分布格局偏向于随机分布((W)=0.503);林分整体趋向于中庸偏劣势过渡的态势((U)=0.505);种间隔离程度较高(M=0.689),林木混交状况良好.空间结构参数的三维离散随机变量表明,湿地松87.3％为优势和亚优势,马褂木41.7％为亚优势、26.9％为中庸态势,樟树23.5％为中庸态势、56.8％为劣势和绝对劣势.(3)林分土壤pH值趋于中性;与撂荒地相比,林分土壤的容重、持水量、孔隙度、有机碳、全钾、全氮、全磷等因子均明显改善,但整体而言,林分土壤仍然较为贫瘠,局部土壤紧实,保水能力差.综上表明,湿地松、马褂木作为先锋树种生长43年后,林分有向异龄林、强度混交林演替的趋势;林分内中幼龄阔叶树株数占比较大,近熟林出现断层,老龄针叶树占据优势生态区位,需抽针补阔、间针育阔,择伐劣势木,促使林分向阳生性阔叶树为主、中生性和耐阴性阔叶树为次的林分结构演替.该研究结果为湘西石漠化区的植被恢复、人工林结构优化和土壤改良提供了理论依据.

油松Pinus tabuliformis和樟子松Pinus sylvestris var.mongolica是中国重要造林树种,但具有不同的地理分布.北京西山处于油松生长的适生区,但为樟子松引种的南界,成为探究树种在土壤-林木连续体微生物群落构建驱动作用的理想研究样本.本研究应用高通量测序技术获取了北京西山同一地点的油松和樟子松人工林土壤-林木连续体多个部位的微生物群落组成,探究了树种因素在这 2 种松树土壤-林木连续体微生物群落构建中发挥的作用.土壤作为林木微生物主要来源具有特殊地位,本研究进一步研究了与土壤微生物关系密切的土壤理化性质.研究结果表明,2 种松树土壤-林木连续体微生物群落α多样性差异主要体现在土壤和根际土壤中;β多样性分析表明仅针叶中内生的细菌群落组成在两松树间差异不显著,其他部位的微生物群落在 2 种松树间均具有一定的组成差异,树种对土壤和根际土壤微生物群落组成方差的解释度最高,而对针叶微生物群落组成方差解释度最低,即树种在土壤和根际土壤微生物群落构建中发挥较大的作用,而在针叶内生微生物群落构建中发挥作用较小.油松比樟子松相同部位细菌群落具有更加复杂的网络结构,细菌生态网络属性在 2 种松树间具有清晰差异,但真菌没有.油松和樟子松土壤-林木连续体中含有丰富的微生物类群,以相对多度大于 5%的纲作为优势纲,共有 7 个细菌纲和 7 个真菌纲组成了 2 种松树各个部位的优势纲,优势细菌纲为:Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria、Actinobacteria、Thermoleophilia、Gammaproteobacteria、Bacilli 和 Clostridia,优势真菌纲为 Agaricomycetes、Leotiomycetes、Sordariomycetes、Eurotiomycetes、Dothideomycetes、Mortierellomycetes 和Pezizomycetes.土壤理化性质是影响 2 种松树人工林土壤中微生物多样性差异和组成的重要因素,其中细菌和真菌群落组成均受到有效磷(available phosphorus,AP)、pH 和速效钾(available kalium,AK)的影响,此外,细菌群落的组成还显著与碱解氮(alkali-hydrolyzed nitrogen,AHN)相关.研究结果揭示了树种差异在华北地区油松和樟子松土壤-林木连续体微生物群落构建中的作用、松树与微生物的互作,也为华北地区松树造林提供了林下微生物数据.

为揭示科尔沁沙地樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)人工林土壤真菌间相互作用,以不同林龄(中龄、近熟和成熟)、不同土层(0-10和10-20 cm)樟子松人工林土壤为研究对象,以未造林地为对照样地,采用分子生态网络分析法,基于随机矩阵理比较分析樟子松人工林土壤真菌网络特征及其影响因素.研究结果表明:(1)中龄林到近熟林阶段,科尔沁沙地樟子松人工林土壤真菌网络平均连通度增大,平均路径长减小,网络愈加复杂,而近熟林到成熟林阶段则相反,网络愈加简单;不同土层间,10-20 cm 土层土壤真菌平均路径长度小于0-10 cm 土层,平均连通度和聚类系数大于0-10 cm 土层,10-20 cm较0-10 cm 土壤真菌间相互联系更为密切;与樟子松人工林相比,未造林地土壤真菌网络中的平均连通度略低于近熟林,平均路径长低于樟子松人工林,未造林地土壤真菌群落更不稳定.(2)中龄、近熟和成熟樟子松人工林土壤真菌关键菌种分别为Guehomyces sp.、Oidiodendron sp.和Pseudeurotium sp.,未造林地关键菌种为Alphamyces sp..在0-10 cm 土层樟子松人工林和未造林地土壤关键菌种为红菇属真菌(Russula sp.),在10-20 cm 土层土壤关键菌种为Guehomyces sp..(3)樟子松人工林土壤真菌网络组成与土壤含水量显著相关,土壤全氮与土壤真菌网络呈显著负相关(P＜0.05),土壤pH值和速效磷与土壤真菌网络呈显著正相关(P＜0.05).在樟子松人工林中,近熟林土壤真菌群落更复杂;随土壤深度增加,土壤真菌群落联系愈加紧密;种植樟子松后土壤真菌群落更复杂.土壤真菌关键菌种组成在不同林龄和土层间均存在差异,土壤真菌网络组成受土壤含水量影响,中介中心性前50的操作分类单元(OTU)主要受土壤全氮、pH和速效磷等理化性质影响.研究结果有助于深入理解科尔沁沙地樟子松人工林土壤真菌群落结构,并为科尔沁沙地樟子松人工林可持续经营提供理论依据和科技支撑.

明确同一树种不同起源林分(天然林与人工引种林)间水分利用特征的差异,对于指导林分的可持续经营具有重要意义.本研究以樟子松这一"三北"工程中重要的造林树种为例,选择2种起源的林分为试验林,利用热扩散技术监测了试验林生长季树干边材液流速率(Js),分析樟子松水分传输过程及其与环境因子间的关系.结果表明:在整个生长季的典型晴天下,樟子松人工林的日液流速率(Js-daily)显著高于樟子松天然林,二者Js-daily平均值分别为132.98和114.86 cm·d-1,樟子松人工林表现出了更高的水分传输潜力.在樟子松天然林中,大气水分亏缺(VPD)对树木水分利用过程主要表现为驱动效应,而在樟子松人工林中出现了明显的阈值效应,VPD拐点约在1.91 kPa,此时液流速率(Js-hour)边界函数值接近最大值17.88 cm·h-1.观测期间,2种起源樟子松林受大气驱动的蒸腾潜力(Js-hour/VPD)随土壤干旱的加剧而下降,但樟子松人工林对干旱的敏感性比樟子松天然林更高,反映出这一树种对水分利用过程较强的调控能力.

叶功能性状能够反映植物对外界环境的适应策略.本研究以晋北黄土丘陵沟壑区不同种植方式柠条锦鸡儿人工林(柠条锦鸡儿纯林、柠条锦鸡儿-油松混交林、柠条锦鸡儿-樟子松混交林)为对象,调查了柠条锦鸡儿叶片主要功能性状特征及环境因子,并采用单因素方差分析、简单效应分析、冗余分析探讨了柠条锦鸡儿叶功能性状特征及其对环境因子的响应.结果表明:(1)不同种植方式下柠条锦鸡儿叶功能性状存在显著差异,纯林中柠条锦鸡儿叶厚度、叶干物质含量显著高于混交林,比叶面积、叶磷含量显著小于混交林,其余性状在纯林与混交林间无明显变化规律.(2)柠条锦鸡儿叶功能性状变异系数为1.9％～43.7％,各功能性状种内变异程度不同,总体来看,比叶面积(40.2％)、叶面积(39.8％)变异程度较大,叶干物质含量(7.9％)变异程度最低,其余功能性状较稳定.(3)环境因子和种植方式均对柠条锦鸡儿叶功能性状有显著影响,种植方式通过改变林冠结构间接对叶功能性状产生影响,林冠开度(15.7％)对柠条锦鸡儿叶功能性状变异解释最高,其次为土壤容重(13.6％)、全氮(10.7％)、土壤含水量(10.7％)、林下总辐射(9.2％),是影响柠条锦鸡儿叶功能性状的关键环境因子;控制柠条锦鸡儿各叶功能性状变异的主要环境因子不同.研究表明,柠条锦鸡儿通过调整比叶面积、叶干物质含量、叶厚度及磷含量适应不同种植方式下的群落环境;并通过减小比叶面积,增大叶干物质含量、叶厚度来增强自身防御与养分存储能力,增强对该区域贫瘠干旱环境的适应性.植物叶功能性状会随种植方式影响的群落内环境因子变化而变化,因此进行植被恢复筛选树种时,应考虑区域环境及种植方式的影响.

基于36株樟子松解析木数据构建一元、二元生物量和含碳量可加性模型,采用非线性似乎不相关回归的方法进行参数估计,使用"刀切法"对所建立的生物量和含碳量模型系统进行评价,比较5种立木含碳量估算方法的差异.结果表明:所建立的樟子松可加性生物量和含碳量模型拟合效果较好,其调整后确定系数(Ra2a)均大于0.90;检验结果表明,所有模型预测误差较小,其中平均预测误差(MPE)为-0.5-0.5 kg,平均误差绝对值(MAE)小于15 kg,拟合指数(FI)大于0.88;当添加树高变量后,二元模型可以有效地提高立木总生物量和含碳量模型的拟合效果和预测能力;对比不同含碳量估算方法发现,利用含碳量模型估算樟子松各器官及总含碳量时具有明显优势,通用含碳率0.45和0.50估算立木含碳量可能会产生较大误差.综上,本文所建立的生物量和含碳量模型能精准预测樟子松各器官以及立木总体生物量和含碳量,在估算立木含碳量时二元含碳量模型法误差更小.

林下植物是森林生态系统的重要组分,在调节森林养分循环中起重要作用.本研究以科尔沁沙地樟子松人工林为对象,研究了林下植被去除对土壤微生物量、参与碳氮磷矿化的6种水解酶活性以及有效氮磷含量的影响.结果表明,林下植被去除显著降低了夏季(8月份)所有酶活性以及土壤微生物量碳、微生物量磷和有效磷含量,而在春季(5月份)仅显著降低了土壤β-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性,对其他酶活性、微生物量以及有效氮磷含量无显著影响.结果表明,保留林下植被能有效促进樟子松人工林土壤微生物活性和土壤碳氮磷转化,维持植物生长期养分供应.

为探究林农复合对土壤团聚体、土壤有机碳、土壤微生物生物量碳的影响,在辽西地区选取樟子松-花生、樟子松-谷子、樟子松纯林(对照)为研究对象,对其土壤团聚体、团聚体有机碳、土壤微生物生物量碳以及土壤有机碳含量及其分布特征进行研究.结果表明:(1)研究区土壤团聚体以0.053～0.25 mm粒级为主,占团聚体总量的37％ ～ 45％,其中樟子松-谷子的大团聚体(＞0.25 mm粒级)含量最高.(2)两种林农复合各粒级团聚体有机碳含量变化显著不同(P＜0.05),樟子松-花生团聚体有机碳随粒径增大呈现“倒N”型分布,而樟子松-谷子土壤团聚体有机碳随粒径增大呈现“N”型分布.(3)0～20 cm表层土壤微生物生物量碳和有机碳含量大小顺序为:樟子松-谷子＞樟子松纯林＞樟子松-花生.(4)试验区土壤有机碳的积累主要受0.053～0.25 mm和＞2 mm粒级团聚体含量的影响;另外,0～50 em土壤剖面微生物生物量碳和有机碳相关分析表明,樟子松-谷子土壤微生物生物量碳与有机碳具显著相关性,而在樟子松-花生复合林地内无显著相关性;这说明不同营林措施对土壤有机碳和微生物的影响存在差异.综上,辽西地区樟子松-谷子复合措施有利于改善土壤结构,促进大团聚体的形成,对提高土壤保水、供肥能力,实现对土壤的保护和可持续利用具有较为明显的作用.

沙地樟子松是三北防护林工程中最重要的常绿针叶造林树种.然而,自20世纪90年代初起,最早引种的沙地樟子松人工林在林龄30～35 a后出现枝梢枯黄、长势衰弱、病虫害发生、继而全株死亡且不能天然更新的衰退现象.以科尔沁沙地的樟子松疏林草地和呼伦贝尔沙地的樟子松天然林为参照,以热扩散、稳定同位素和遥感监测等技术开展的系列研究,基本明确了樟子松人工林衰退机制.本文对以往相关研究结果进行了系统总结:确定了沙地樟子松人工林严重水分胁迫的土壤含水量阈值(20％田间持水量),阐明了沙地樟子松人工林水分利用策略(9～21年生樟子松人工林仅利用土壤水,而31～41年生既利用土壤水也利用地下水),明确了沙地樟子松人工林水量平衡特征(水量失衡,吸收至少39mm地下水方能维持水量平衡),量化了樟子松人工林耗水对区域水资源消耗的贡献(消耗12.3％水资源),揭示了樟子松人工林衰退过程,找出了樟子松人工林发展存在的问题及产生的原因.在此基础上,提出了解决衰退对策与营林方案,为防止现存沙地樟子松人工林衰退、合理经营,未来该林种合理布局提供参考.