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.

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.

为揭示沙地樟子松人工林N、P分配格局及化学计量特征,以呼伦贝尔沙地、科尔沁沙地、毛乌素沙地不同龄组(中龄林、近熟林和成熟林)沙地樟子松人工林为研究对象,测定分析其叶片、枯落物和土壤N、P含量及化学计量比.结果表明:研究区3个龄组沙地樟子松人工林叶片、枯落物和土壤N、P含量分别为0.17 ～ 49.02和0.11～3.01 g·kg-1,N/P为0.51 ～19.74,均表现为叶片＞枯落物＞土壤,且N含量和N/P在3个组分间存在显著差异,叶片P含量显著高于枯落物和土壤.不同地区或林龄对沙地樟子松人工林各组分N、P含量及N/P有一定的影响,但地区和林龄的交互作用对沙地樟子松人工林各组分N/P无显著影响.随着林龄的增加,沙地樟子松各组分N、P含量也增加,在成熟林达到最大值,而N/P没有表现出明显的规律.沙地樟子松人工林N、P含量及N/P在3个组分间呈显著正相关关系.呼伦贝尔沙地和科尔沁沙地樟子松叶片N/P在14.53～ 15.57,说明这两个地区沙地樟子松人工林的生长可能受N、P的共同限制;毛乌素沙地樟子松叶片N/P在18.56～ 19.71,说明该地樟子松人工林生长可能受P限制,且林龄对沙地樟子松N、P养分限制的影响不显著.建议在沙地樟子松人工林抚育管理时,依据当地实际情况适当添加N肥或P肥,以提高沙地樟子松林的生产力.研究结果有助于进一步了解N、P在沙地樟子松人工林叶片-枯落物-土壤系统中的相互作用与制约规律,并为沙地樟子松人工林经营管理提供科学依据.

采用顶盖埋管法对大兴安岭地区天然针叶林(樟子松林、樟子松-兴安落叶松混交林和兴安落叶松林)土壤铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、净氮矿化速率进行研究,并探索土壤理化性质与氮矿化之间的相关性,为大兴安岭地区森林生态系统土壤养分管理及森林经营提供帮助.结果 表明:观测期内(5-10月)3种林型土壤无机氮变化范围为31.51-70.42 mg/kg,以NH4+-N形式存在为主,占比达90％以上,且与纯林相比混交林土壤无机氮含量较高.3种林型土壤净氮矿化、净氨化、净硝化速率月变化趋势呈V型,7、8月表现为负值,其他月份为正值.净氮矿化速率变化范围樟子松林为-0.54-1.28 mg kg-1d-1、樟子松-兴安落叶松混交林为-0.13-0.55 mg kg-1 d-1、兴安落叶松林为-0.80-1.05 mg kg-1 d-1.土壤净氨化过程在土壤氮矿化中占主要地位,占比达60％以上.3种林型土壤净氮矿化、净氨化及净硝化速率垂直差异显著,0-10 cm土层矿化作用明显高于10-20 cm土层(P＜0.05).土壤氮矿化速率与土壤含水量、土壤有机碳含量、土壤C/N、枯落物全氮含量和枯落物C/N均存在显著相关性.不同类型的森林土壤及枯落物的质量也存在差异,进而影响土壤氮矿化特征.

以辽宁省抚顺市榆树铁矿和傲牛铁矿植被恢复区为研究对象,两矿山分别选用先锋树种樟子松和刺槐进行单纯乔木层植被修复.通过调查样方植被株高及胸径、测定土壤指标,参照全国第二次土壤普查分级标准分析两矿山已恢复样地土壤肥力状况,再综合香农-维纳多样性指数和德尔菲法确定的指标权重计算植被多样性指数,进而分析恢复初期林下草本层植被多样性及土壤基质变化情况.结果表明:幼龄林恢复期间,樟子松和刺槐的胸径和树高逐年升高,刺槐年均树高增长可达樟子松的1.94—4.43倍,两种乔木均可将酸性土壤改良至中性,但幼龄樟子松林较幼龄刺槐林更易积累贫瘠地中的营养物质;植被多样性调查共出现19种草本植物,隶属于11科16属,植被多样性评价显示刺槐林草本层植被多样性指数均高于樟子松林.综上,推荐抚顺市废弃矿山乔木层混交种植樟子松和刺槐,以共同作用促进草本层自然演替过程,并引入灌木种形成"乔-灌-草"复合系统加快矿山修复进程.

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.

为筛选红花尔基樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)优良抗旱菌树组合,采用樟子松林下5个优势外生菌根真菌菌株为接种体,分别对5个月龄樟子松实生苗进行人工接种,接种8个月后观察菌根侵染情况及菌根形态,并在非干旱胁迫和干旱胁迫条件下测定不同菌树组合的生长和生理生化指标.结果 表明:5个乡土菌种均能成功侵染樟子松并形成典型的外生菌根;干旱胁迫下,菌根化樟子松的各项生长指标均显著高于对照(P＜0.05),且接种粘盖牛肝菌(Suillus bovinus)具有最高的菌根侵染率、苗高、地上及地下生物量和根茎比;外生菌根共生体可通过提高植物SOD活性与POD活性,同时降低MDA含量来提高樟子松对干旱的耐受力;干旱胁迫下,所有接种处理苗木的萎蔫时间较对照处理均推迟,推迟时间最长的是粘盖牛肝菌接种处理,较对照推迟96.3 h;另外,接种处理均能显著延长宿主临界致死时间,尤其是接种粘盖牛肝菌可延长113.8 h.因此,可以认为粘盖牛肝菌与樟子松是一个较为理想的抗旱菌树组合.

以科尔沁沙地不同密度(490、750、1550、1930、2560株·hm-2)樟子松人工林(栽植于1980年)为研究对象,分析林分密度对土壤碳、氮、磷浓度及其计量比的影响,研究林分密度与土壤养分状况的关系.结果 表明:随着樟子松林密度增加,各土层(0～10、10～20和20～40 cm)土壤有机碳、全氮、全磷浓度和C∶N呈先增加后降低趋势,而土壤有效磷浓度呈先降低后增加趋势.土壤有机碳浓度在490株·hm-2密度小于其他密度,而有效磷浓度大于其他密度;土壤C∶P和N∶P在2560株·hm-2密度显著大于其他密度.各密度樟子松林土壤有机碳、全氮、全磷和有效磷浓度在0～10 cm土层显著大于10 ～ 20和20～40cm土层,樟子松人工林土壤养分具有表聚性.通过典范对应分析发现,密度对樟子松林土壤养分影响的主要因子是土壤有机碳、全氮和全磷,且密度为1550株·hm-2时土壤有机碳、全氮、全磷和碱解氮浓度较高,而C∶P和N∶P较低.因此,当樟子松人工林密度为1550株·hm-2时,土壤养分浓度较高,林木生长较好,为最佳经营密度.

为了进一步探讨土壤凋落物层对土壤呼吸的影响,用Li-6400对大兴安岭北部3种林型(白桦-落叶松林、樟子松-落叶松林和落叶松纯林)自然状态的土壤呼吸(RS)、去凋落物后的土壤呼吸(RD)以及凋落物呼吸(RL)进行测定,结果表明:凋落物层的去除会使土壤呼吸速率降低,3种林型观测期内平均RS分别为7.32 μmol m-2 s-1、8.55 μmol m-2 s-1和6.66 μmol m-2 s-1,平均RD分别为6.46 μmol m-2 s-1、7.98 μmol m-2 s-1和5.74 μmol m-2 s-1.但去除凋落物后的土壤总呼吸速率较自然状态下分别升高了13.85％、16.21％和13.73％;凋落物的去除并不影响土壤呼吸的季节动态规律,3种林型的RS和RD均呈明显的单峰曲线变化规律,峰值均出现在8月,而RL的季节变化不明显.凋落物的去除对土壤温度和湿度的影响不显著(P＞0.05),整个观测期3种林型内凋落物去除后平均土壤温度升高了0.11-0.16℃,平均含水量白桦-落叶松林和落叶松林增幅为2.92％和3.10％,而樟子松-落叶松林则下降了16.39％;RS和RD均与土壤10 cm温度(T10)呈显著正相关,凋落物层的去除使温度对呼吸的影响变大,T10可以解释3种林型RS和RD季节变化的49.7％-57.0％和56.7％-61.3％,而土壤10 cm湿度(W10)对土壤呼吸的影响均较小,且存在林型间的差异.可见,地表凋落物层是森林土壤呼吸的重要部分,凋落物层的有无对土壤呼吸和土壤温湿度都会产生较大影响,研究凋落物呼吸对于土壤呼吸具有重要意义.