以科尔沁沙地南缘的彰武县章古台万亩林为研究对象,野外取样调查和实验室检测分析相结合,以樟子松固沙林采伐迹地为对照,研究不同植被恢复类型下樟子松固沙林更新迹地生境的改良效果,探讨植被重建后植物多样性及土壤理化性质的响应.结果表明:1)樟子松(Pinus sylvestris)固沙林更新迹地植被重建后,草本植物物种多样性增加,林下植物偶见种数目增多,13种草本植物在8个样地中未重复出现;2)与采伐迹地相比,不同植被重建类型土壤理化性质均有所改善,土壤容重、田间持水量、有机质、全氮、碱解氮、速效钾在彰武小钻杨(Populus xiaozhuanica)、五角枫(Acer mono)林地改良效果较好,全钾在红刺榆林(Hemiptelea davidii)地含量明显提高、山杏(Armeniaca sibirica)林地的有效磷相比采伐迹地明显提高,且均表现为上层改良效果优于下层;3)不同植被恢复类型土壤理化性质间存在显著差异,随着物种多样性的增加,土壤理化性质逐渐改善,土壤容重、田间持水量、有机质、全磷与植物多样性具有显著的相关性,土壤理化性质的与植物多样性相互作用,共同促进生态系统正向演替.研究结果为控制科尔沁沙地土壤沙化,加速该区生态系统的恢复与重建提供理论依据.

采用野外调查和室内试验相结合,以辽宁省章古台地区不同生长阶段(包括幼龄林、中龄林、成熟林和过熟林)的20块樟子松人工固沙林样地(以临近的7块天然草地为对照)为研究对象,研究了沙质草地营造樟子松人工林后不同生长阶段0-100cm土层土壤容重的变化及其影响因子.结果 表明:天然沙质草地营造樟子松人工固沙林后,不同生长阶段樟子松林在0-10cm土层土壤容重变化的变异系数为78％,其他土层变异系数范围为1.08％-4.35％.随着樟子松人工林林龄的增加,土壤容重变化量在0-20 cm和60-100 cm层逐渐降低,在20-60 cm层先降低,到37年左右后逐渐升高,过熟林较成熟林显著增大.林龄对不同土层容重变化的决定系数由大到小依次为40-60、60-80、20-40、10-20、0-10、80-100 cm层.土壤容重变化在60-80 cm层与土壤粗颗粒(粒径＞0.05 mm)含量、在0-10、20-40 cm和60-80 cm层与土壤全氮含量、在0-10、20-60 cm和80-100 cm层与土壤全磷含量、在20-40 cm和80-100 cm层与土壤全钾含量显著负相关,且土壤全氮和全磷含量对土壤容重的影响效果随土层深度的增加逐渐降低,土壤容重变化在10-20 cm层与土壤含水率、在20-40 cm层与土壤有机碳含量呈显著的正相关.总体上,沙质草地营造樟子松人工林可以改善土壤结构,提高土壤质量,建议采取封育禁牧等营林措施增加樟子松林下枯落物积累,提高土壤养分含量,同时对37年樟子松人工林逐渐进行更新.

营造樟子松人工林是沙地治理的一项重要措施,而造林后林分的生长一般会引起土壤pH值的变化,但营造樟子松固沙林后引起的土壤pH变化却并没有引起关注.以辽宁省章古台不同林龄樟子松固沙林(幼龄林、中龄林、成熟林和过熟林)为对象,研究了营造樟子松林后不同发育阶段0～100 cm土层土壤pH值的变化及其影响因子.结果 表明:(1)沙地营造樟子松人工林后,pH值的变化范围由对照草地的两个层次(0～10或0～ 20、20～100 cm)扩大为3个层次(0～10或0～20、20～40、40～ 100 cm).(2)随人工林林龄的增加,0～20 cm层pH值显著降低,20～40 cm层保持不变,40～ 100 cm层幼龄林、成熟林显著高于过熟林,而过熟林与草地无显著差异.(3)樟子松人工林中,0～10 cm层,pH值与土壤全钾(TK)呈显著正相关,与土壤有效磷(AP)呈显著负相关,10～ 20 cm层,与土壤有效钾(AK)和土壤有机碳(SOC)呈显著负相关,而与土壤含水率(SW)呈显著正相关,20～ 40、40～60、60～80 cm层,分别与土壤碱解氮(AN)、土壤全氮(TN)、土壤全磷(TP)呈显著正相关.樟子松林处于幼龄林时,pH值在20～ 40和60～ 80 cm层分别与C/P和AN、土壤容重(BD)呈显著正相关,而在80～ 100 cm层与N/P呈负相关;中龄林时,pH值在10～ 20 cm层与C/P呈显著负相关,20 ～ 40和40～ 60 cm层分别与粒径＜0.05 mm的黏粉粒含量(FS)和TN呈显著正相关;成熟林时,pH值在0～10 cm层与BD、AP呈极显著正相关,与SW、AK、FS呈显著正相关,20～40 cm层与TN呈正相关,在60～ 100 cm层与C/N呈负相关;过熟林时,pH值在0～10 cm层与AN呈显著正相关,与TK呈显著负相关,10～ 20 cm层与TN呈显著正相关.

为了解科尔沁沙地土壤氨氧化细菌群落对人工固沙林群落类型的响应,选取科尔沁沙地差巴嗄蒿、山竹岩黄蓍、小黄柳、杨树、樟子松和小叶锦鸡儿6种典型人工固沙林群落作为对象,采用amoA基因克隆文库、荧光定量PCR(Q-PCR)、末端限制性长度多态性分析(T-RFLP)等技术和液体震荡培养的方法分析了土壤氨氧化细菌(AOB)的组成、丰度、群落结构和硝化潜力.结果 表明,Nitrosospira cluster 3a是固沙林土壤AOB群落的绝对优势菌群,其次为cluster 6.Nitrosospira cluster 3a和cluster 6的平均相对丰度在不同固沙林群落间存在显著差异,其中,Nitrosospira cluster 3a在小叶锦鸡儿最高.小叶锦鸡儿土壤AOB丰度最高.全氮、有机质和有效钾是决定AOB群落结构的主要因素.不同固沙林土壤硝化潜力具有显著差异,小叶锦鸡儿群落土壤显著高于其他固沙林土壤.硝化潜力与AOB丰度和土壤全氮含量呈显著正相关.本研究表明,人工固沙林群落类型不影响AOB群落组成和结构,但影响优势菌群的相对丰度、AOB丰度和硝化潜力.AOB丰度和Nitrosospira cluster 3a的相对丰度可作为科尔沁沙地AOB菌群恢复的指标.与其他群落相比,小叶锦鸡儿固沙林群落恢复土壤AOB种群的效果最好.

为研究半干旱区进一步干旱化对森林生态系统氮磷循环的影响,以科尔沁沙地樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)人工固沙林为对象,分析了3种不同降雨量条件下(天然降雨、降雨量减少30％、降雨量减少50％)氮磷养分在一个生长季内的吸收、归还和分解释放3组流通量及其对应的流通率.结果 发现,降雨减少30％处理下,樟子松对氮的归还量与归还率显著下降27.3％和37.3％,其余流通量与流通率变化不显著.降雨减少50％处理下,氮的吸收、归还与分解释放量显著下降59.9％、36.0％和50.3％,磷的归还量显著下降38.1％,氮归还与分解释放率显著下降39.9％和32.7％,而地表枯落物层中的磷含量则显著上升27.4％,磷的吸收量和氮磷吸收率变化不显著.降雨减少引起氮磷归还与分解释放率的下降,预示着干旱化导致沙地樟子松固沙林存在养分循环失衡的风险.

磷是森林生态系统重要养分元素之一,是干旱半干旱地区植物生长的限制性因子.然而沙质草地转化为人工林生态系统后,林分的生长对沙地土壤磷素的变化及其影响机理还不清晰,为沙地合理经营和管理人工林带来了不确定性.以辽宁省章古台地区各生长阶段(幼龄林、中龄林、成熟林和过熟林阶段)的20块樟子松固沙林样地(在各生长阶段林分附近寻找1块天然草地作为对照样地)为研究对象,取样并测定样地各土层(0-10、10-20、20-40、40-60、60-80、80-100 cm)的土壤磷(全磷和速效磷)、土壤氮(全氮和速效氮)、土壤钾(全钾及速效钾)、土壤有机碳等含量以及土壤含水率、土壤pH值、土壤质地、土壤容重等因子值,并进行统计分析.结果 表明:沙质草地营造樟子松人工林后,土壤全磷含量随林龄的增加而逐渐递增,成熟林时期达到最高,过熟林地全磷降低,且土壤全磷对土层深度不敏感.成熟林地的速效磷含量略高于幼林和中龄林;虽然与幼林、中龄林没有显著差异,但过熟林的土壤速效磷含量是所有林分中最低的.除了林分生长影响外,草地营造樟子松林后,土壤全磷的变化还受土壤容重和土壤速效氮含量的影响,而土壤速效磷的变化受土壤有机碳和pH值影响.综上所述,沙质草地营造樟子松人工林后,林分生长促进了土壤全磷含量的增加,但导致土壤速效磷轻微的降低,而樟子松过熟林的生存与生长导致了土壤速效磷的过渡消耗,使得土壤速效磷低于草地,经营中应引起重视,以确保樟子松人工林经营的健康发展.

中国有着世界上最大面积的人工林,如何维持人工林的可持续性已成为气候变化背景下需要面对的重大挑战.樟子松(Pinussylvestris var.mongolica)以其抗旱、抗寒、耐贫瘠等优良特性成为中国北方生态治理中最主要的常绿针叶树种之一,近70年来发挥了巨大的防风固沙与生态固碳功能.然而,随着林分的生长与气候变化,樟子松人工固沙林正经历着越来越严峻的环境胁迫,部分地区出现了林分"早衰"或死亡的现象,引起了人们对樟子松固沙林适应与应对气候变化能力的担忧.该文在回溯樟子松基本生物学特征与引种推广历史,系统总结近年来樟子松林林水关系研究新成果的基础上,全面分析了樟子松固沙林林水关系存在的主要矛盾,并提出了基于林水关系相协调的林分经营措施的调整:由倡导防护功能为主的单一目标向包含林分稳定性、生态固碳功能、可持续发展等多目标平衡方向调整;由以沙地森林景观培育为主向以良好土壤生境培育为主的方向调整;由倡导天然更新为主向以人工造林与天然更新相结合的世代更新方向调整.在立足于北方沙地脆弱生境与气候变化客观现实的基础背景下,应坚持樟子松在固沙林生态系统演化过程中的先锋种与建群种地位,基于"以水定绿"原则,采取"隔行带伐+再造林"等方式开展林分密度动态调控,促进林分向异龄林结构演化,促进樟子松固沙林生态服务的优质化和生态固碳功能的最大化.