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.

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.

树干液流是量化植物蒸腾耗水的基本指标.本研究于2015年5-10月采用FLGS-TDP热扩散式树干液流计对辽西北半干旱区的沙地樟子松树干液流进行连续观测,同时结合林内小气候观测系统,探讨樟子松树干液流的动态变化特征及其影响因素.结果表明:树干液流速率和日累积量均为晴天＞阴天＞雨天,树干液流速率变化均呈“倒U”型,晴天时出现“光合午休”现象;不同月际间(5-10月),树干液流速率与月累积量为7月＞6月＞8月＞5月＞9月＞10月;不同季节间,树干液流启动时间夏季比秋季早lh左右,且树干液流速率夏季＞秋季.树干液流受气象因子的影响较大,其中光合有效辐射、空气温度、饱和水汽压差(VPD)和风速与树干液流呈显著正相关,空气相对湿度则相反;土壤温度和含水量对树干液流的影响较为复杂,随时间(月际)、天气状况(阴天、晴天和雨天)和土层深度(5、10、20、40和100 cm)的变化而变化,其中,生长季期间和不同月际间(5-10月)、表层土壤温度(0～ 10 cm)与树干液流均呈显著正相关,深层土壤(20～ 100 cm)则相反;生长季前(5月)和生长季末期(10月),树干液流随土壤水分的增多而增加,生长季期间(6-9月)则相反,树干液流随土壤含水量的增加而减弱.

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.

为了研究遮荫对贫瘠土壤上生长的植物存活率、相对生长率(RGR)、生物量分配模式及光合特性的影响,本文以耐荫的沙地柏和不耐荫的樟子松苗木为试材,进行全光和不同遮荫处理(35％、65％和95％),遮荫处理时间为2个生长季.结果表明,随着光照强度减弱,沙地柏的存活率和生长量没有明显变化,总生物量和RGR均呈先上升后下降的趋势,且RGR指标均为正值,茎根比显著提高;而樟子松存活率和生长量显著降低,总生物量和RGR一直呈下降趋势,且95％遮荫率下RGR为负值,茎根比显著降低.沙地柏的最大光化学效率(Fv/Fm)对遮荫更加敏感,在35％遮荫率下就显著增加,而樟子松在65％遮荫率时才开始显著增加.JIP-测定进一步表明,遮荫下沙地柏标准化荧光值(Vt)从O相到接近P相的过程中均明显低于全光照(CK),电子越过QA的能量占反应中心捕获能量的比例(ψo)、用于电子传递的量子比率(ψEo)均提高,且质体醌库(Sm)变大,质体醌库还原速率(Sm/Tfm)提高、初级醌受体被还原的次数(N)增多,单位激发态面积用于电子传递的能量(ETo/ CSo)增加、反应中心数目(RC/Cso)增多,单位反应中心电子传递的能量(ETo/Rc)增加,同时单位激发态面积(DIo/cs.)和单位反应中心(DIo/RC)的热耗散的能量均降低,最终导致其性能指数(PIABS,PJCSo,PICSm)明显高于全光照.遮荫下樟子松标准化荧光值从O相到接近P相的过程中均明显高于CK,除热耗散指标外以上这些荧光参数与CK没有明显差异,甚至更低,而DIo/RC指标保持不变,最终导致其性能指数(PIABS,PICSo,PICSm)与CK没有明显差异.以上结果暗示,沙地柏在较低的光强下能维持较高的生长量,通过维持正向碳平衡保持了较高的存活率,增加了地上生物量的比例,提高了光反应阶段电子传递的能量水平;而樟子松碳收支失衡导致了较低的存活率,地上生物量比例下降,电子传递的能量水平降低.

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.

沙地樟子松是我国北方重要的防风固沙造林树种,也是一种典型的外生菌根依赖型树种.为揭示呼伦贝尔沙地樟子松外生菌根真菌多样性,以中龄、近熟、成熟3个龄组沙地樟子松人工林和沙地樟子松天然林为研究对象,采用野外调查和分子生物学相结合的研究方法,鉴定分析沙地樟子松外生菌根真菌种群特征.研究结果表明:(1)呼伦贝尔沙地樟子松外生菌根真菌共有10个OTU属于子囊菌,48个OTU属于担子菌,隶属于21科25属.(2)天然林优势菌为糙缘腺革菌属Amphinema、丝膜菌属Cortinarius和乳牛肝菌属Suillus,人工林优势菌为乳牛肝菌属,其余菌种相对丰度随着林龄变化波动较大.(3)天然林与人工林外生菌根真菌种群Shannon、Simpson和Pielou指数存在显著差异(P＜0.05),人工林间alpha多样性指数差异不显著(P＞0.05).(4)呼伦贝尔沙地樟子松天然林和人工林外生菌根真菌种群组成存在较大差异,其中近熟林的外生菌根真菌群落组成与天然林的最为接近.

沙地赤松(Pinus dersiflora)在科尔沁沙地南缘区已有50年的引种历史,但其生长表现和根系生物量分配与构型特征还很少被报道.本研究以同龄(40 a)樟子松为对照,在生长指标测定基础上,采用分层分段全挖法采集根系,对沙地赤松不同径级根生物量分配规律进行研究,测定根长、连接数量、平均连接长度等指标,同时计算分形维数和分形丰度.结果表明:与樟子松相比,沙地赤松具有较大生长量和生物量,其根生物量显著高于樟子松,是其1.96倍,细根(直径≤0.2 cm)生物量更显著高于樟子松,是其4.76倍;沙地赤松根系生物量占总生物量的29.0％,细根生物量占总根系生物量的1.1％,细根长度占根总长度的44.3％;樟子松根系生物量占总生物量的25.6％,细根生物量占总根系生物量的0.4％,细根长度占根总长度的28.8％;从根系垂直分布看,沙地赤松地下0～180 cm均有细根分布,且40～180 cm范围内细根生物量占总细根生物量的65.2％;樟子松几乎全部细根分布于0～100 cm范围内,此范围细根生物量占总细根生物量的99.2％,且0～～40 cm土层细根生物量占63.4％;虽然两树种根系平均连接长度没有显著差异,但沙地赤松细根及部分中根(0.2～2.0 cm)连接数量显著高于樟子松;沙地赤松根系分形维数为1.548±0.251,是樟子松(1.293±0.190)的1.2倍,并且分形丰度是樟子松的1.3倍;与樟子松相比,沙地赤松根系具有较强的吸收能力,能够利用较大范围的深层水分和养分,根系分支多,拓扑结构更加复杂.

降水格局是影响陆地生态系统结构和过程的重要环境要素,尤其对于干旱/半干旱地区,降水变化是植物生长驱动的关键生态因子.目前,针对降水变化对陆地生态系统C、N、P等元素生物地球化学循环过程影响开展了大量研究.然而,关于沙地樟子松重要引种地科尔沁沙地自然降水梯度下沙地樟子松人工林土壤、植物生态化学计量特征的研究未见报道.因此,本研究以樟子松原产地红花尔基和引种地科尔沁沙地自然降水梯度下4个典型沙地樟子松人工林为对象,研究樟子松引种地降水变化对土壤(0-10,10-20 cm和20-40 cm)和植物(1年和2年生叶)生态化学计量特征的影响.研究结果发现:(1)与红花尔基原产地樟子松人工林相比,科尔沁沙地引种的樟子松人工林土壤C、N、P元素含量显著降低;(2)科尔沁沙地自西向东,随降水量增加,沙地樟子松人工林土壤C、N、P含量以及C:P和N:P表现为逐渐增加趋势,而土壤C:N呈减少趋势;(3)随着降水量增加,樟子松叶C含量呈下降趋势,叶N含量和N:P比值呈增加趋势,植物叶P含量无一致性规律;(4)樟子松叶片P含量与土壤C、N、P含量呈极显著正相关关系,而叶片C和N含量与土壤C、N、P含量无显著相关性.研究表明,沙地樟子松引种地科尔沁沙地土壤C、N、P养分比较缺乏,且随着降水增加土壤N养分限制降低,而土壤P养分限制增加.本研究从生态化学计量特征角度,为今后开展科尔沁沙地不同降水梯度条件下引种樟子松人工林提供理论依据.