单木分割对于森林资源调查具有重要的意义,不同结构复杂度的森林单木分割算法的选择以及分割参数的选取对分割精度有着很大的影响.以山东田横岛为研究区,基于无人机正射影像与激光雷达数据,首先提取海岛森林典型植被二维与三维特征,然后利用随机森林算法对不同树种的树木进行分类,最后基于分类后的点云数据,选取不同结构复杂度的森林样地,对比分析聚类算法、层堆叠算法、分水岭算法在不同复杂度林区的适用性.结果表明:(1)随机森林算法结合单木二维、三维特征可有效对混交林树木进行分类,模型总体的精度为 94.51%,Kappa系数为 0.9038;(2)聚类算法对结构简单的林区具有更高的分割精度(F=96.41),但依赖于分割参数的选取;面对复杂单木集群,分水岭算法总体得分波动最小(ΔF=14.56),表现出较强的稳定性;(3)混交林预先进行树种分类可有效改善单木分割环境,相比于直接进行单木分割,聚类算法、层堆叠算法、分水岭算法的分割精度均得到不同程度的提升(ΔF1=10.06,ΔF2=9.51,ΔF3=12.6).

揭示次生演替过程中土壤细菌群落对植被类型变化的响应格局,有助于深化对生态系统地上地下相互作用机制的理解.该研究以上海大金山岛处于演替前、中和后期的落叶灌丛、落叶阔叶林和常绿阔叶林为对象,通过测定土壤碳、氮、磷含量以及土壤细菌群落特征,分析土壤细菌多样性、类群关系网络结构和标志性类群如何随植被演替而更替.结果发现:土壤养分含量在常绿阔叶林显著高于落叶阔叶林,但土壤细菌多样性在落叶阔叶林显著高于常绿阔叶林,土壤养分含量和细菌多样性在落叶灌丛处于中等水平.土壤细菌的相关性网络节点、密度和复杂性在落叶阔叶林最高,在落叶灌丛中等,在常绿阔叶林最低.落叶灌丛和落叶阔叶林的优势土壤细菌分别为根瘤菌目(Rhizobiales)和伯克氏菌目(Burkholderiales)等具有潜在固氮功能的类群,常绿阔叶林的优势土壤细菌为黄单胞菌目(Xanthomonadales)和嗜热芽菌目(Thermogemmatisporales)等具有潜在致病和抗病性功能的类群以及酸杆菌目(Acidobacteriales)等与纤维素降解相关的类群.该结果表明:海岛植被演替过程中,植物种类组成和土壤养分供给性的改变会极大地重塑土壤细菌多样性、群落组成、互作网络结构和标志类群.海岛常绿阔叶林显著更低的土壤细菌多样性、趋于松散简化的细菌网络结构以及具有潜在致病和抗病功能的标志类群的出现,说明了顶极群落地下部分对地上部分退化趋势的响应.

大径级树木是维持森林群落结构稳定性的主体.海岛由于特殊的生物地理环境蕴育着数量可观的大径级树木.本文以上海大金山岛168株大径级树木为对象,调查了影响树木生长的生物和非生物因素,根据敏感性分析筛选出12个反映海岛大径级树木健康的关键指标;利用层次分析法构建了海岛大径级树木健康评价指标体系,并评价每株个体的健康程度.结果显示:(1)大金山岛大径级树木中,25株为古树,37株为古树后续资源.朴树(Celtis sinensis Pers.)、桑(Morus alba L.)、麻栎(Quercus acutissima Carr.)和乌桕(Triadi-ca sebifera(L.)Small)是上海市现存的最大古树;山合欢(Albizia julibrissin Durazz.)、野鸦椿(Euscaphis japonica(Thunb.ex Roem.et Schult.)Kanitz)、红楠(Machilus thunbergii Siebold et Zucc.)、鸡桑(Morus australis Poir.)、豆梨(Pyrus calleryana Decne.)、柃木(Eurya nitida Korth.)、青冈(Cyclobalanopsis glauca(Thunb.)Oerst.)是未纳入上海市古树名录中的最大古树.(2)指标体系中,准则层权重大小为生物因素>立木状况>生长环境;指标层中叶片病害程度、攀援藤本盖度、树干病害程度、邻体空间挤压程度和枯枝比权重较大,各占约10%.(3)54%的大径级树木存在不同程度的健康问题.豆梨、楝(Melia azedarach L.)、丝棉木(Euonymus maackii Rupr.)、构树(Broussonetia papyrifera(L.)L'Hér.ex Vent.)、白檀(Symplo-cos paniculata(Thunb.)Miq.)、野鸦椿、黄檀(Dalbergia hupeana Hance)和算盘子(Glochidion puberum(L.)Hutch.)的健康状况相对较差.

种间关联不仅反映种间的生态关系,而且能在一定程度上启示群落构建过程与机制.该研究以浙江普陀山森林群落中的93种木本植物为对象,基于二元数据的物种×样方矩阵检验了种对间的关联性.结果显示:在10m× 10m和20 m×20m两种空间尺度下,普陀山森林群落物种的空间分布总体上有显著的协变关系,但是所观察到的4 278个物种对(93个物种的两两组合)中绝大部分不显著关联,这在一定程度上支持了物种独立性假说.常见种之间的关联强度大于稀有种之间的关联强度,表明物种多优度是种间关联特征的影响因子,同时表明随机因素对物种共存有一定的影响.种间关联随机性检验发现,反映实际群落种间关联特征的方差比率、显著比均落在随机群落(假定物种随机聚合)期望值的2.5％-97.5％阈限之外,证明生态位过程在普陀山森林物种共存格局中也起一定作用.总体而言,植物群落物种成分并不一定是特定物种的组合,物种间的不关联或负关联也并不一定是生态位分化的结果,物种多优度是影响物种空间关联的重要因素.

植物功能性状与环境之间的关系是功能性状研究的重点,环境因子驱使植物功能性状发生变化,进而推动群落发生演替.以平潭岛4个不同演替阶段的森林植被(灌草丛、针叶林、针阔混交林、常绿阔叶林)为研究对象,结合不同群落演替阶段的物种特征和群落结构,分析海岛不同演替阶段茎、叶功能性状的变化规律,以及功能性状与环境因子的关系.结果 表明:(1)随着演替的进行,土壤养分和水分逐渐增加,土壤pH逐渐下降.比叶面积(SLA)、叶片氮含量(LNC)、叶片磷含量(LPC)、茎氮含量(SNC)、茎磷含量(SPC)下降后上升,叶厚度(LT)、叶片碳含量(LCC)、茎碳含量(SCC)与之相反,叶干物质含量(LDMC)、茎组织密度(STD)逐渐上升.(2)冗余分析表明,演替早期植物主要分布在土壤pH、容重高的贫瘠环境,拥有较高SLA、SNC、SPC、LPC的性状组合;演替后期植物主要分布在土壤养分和水分高的肥沃环境,拥有较高的STD、LDMC、LCC、LNC的性状组合.其中,土壤有机质和全氮含量是影响海岛植物演替过程中功能性状变化的关键环境因子.研究海岛植物功能性状与环境之间的关系随演替的变化规律,探讨各演替阶段功能性状和环境特征,以及功能性状如何响应环境变化.旨在为今后选择合适的树种进行海岛植被修复和重建提供依据.

该研究采用空间代替时间的方法,对福建省东部海域的平潭岛林区不同演替阶段群落(灌草丛、针叶林、针阔混交林、常绿阔叶林)的土壤和植物的C、N、P含量进行测定,分析不同演替阶段土壤和植物的C、N、P及生态化学计量特征的变化规律,并探讨植物与土壤养分之间的相互关系.结果 表明:(1)由于土壤C、N、P的来源不同,导致土壤有机碳(SOC)和全氮(STN)含量随着演替进行逐渐增加,土壤全磷(STP)含量呈先下降后上升的趋势;土壤C∶N随演替进行呈增加趋势,土壤C∶P和N∶P呈先升高后下降的趋势.(2)植物叶片碳(LC)含量随着演替进行呈先升高后下降的趋势,叶片氮(LN)和磷(LP)含量呈先下降后升高的趋势,反映了各演替阶段植物采取不同的生态适应性;植物叶片C∶N和C∶P随演替进行呈先升高后下降的趋势,植物叶片N∶P呈逐渐增加的趋势.(3)相关分析表明,土壤SOC与STN呈显著正相关关系,表明土壤C、N元素有较强的耦合关系;植物LN与LP呈显著正相关关系,共同反映植物的光合作用;植物叶片LP与土壤STP呈显著正相关关系,且植物叶片N∶P在各演替阶段均大于16,说明平潭岛植物生长主要受到土壤P限制.

虽然海岛结构相对简单,但在生物多样性和生态功能维持方面起重要作用.以中国东部暖温带、北亚热带、中亚热带和南亚热带的14个海岛为对象,研究森林土壤碳和氮磷养分库的纬度变化特征,并分析其与气候因子和植物多样性的关系.结果表明:土壤碳和氮磷养分库在温度带间差异显著,土壤碳库与氮库在暖温带最低,分别为49.35和1.08 t·hm-2,在北亚热带最高,为137.25和4.63 t·hm-2;磷库在南亚热带海岛最低,为1.3 t·hm-2,在北亚热带最高,为5.19 t·hm-2.各植被类型土壤碳氮磷库在不同温度带间存在显著差异,落叶林土壤碳氮磷库在亚热带高于暖温带;常绿阔叶林土壤碳和氮库不受温度带影响,磷库在北亚热带和中亚热带显著高于南亚热带.年均温、年降水量、土壤含水量和植物物种多样性间的交互作用对土壤碳氮磷库有显著正向影响;植物物种多样性对土壤氮库变化有正向影响,但对磷库具有负向影响.海岛森林土壤碳库的纬度变化趋势与大陆相反,土壤氮磷养分库变化格局与大陆相似;其中,水热和植物物种多样性是驱动中国东部海岛森林土壤碳氮磷库变化的主要非生物和生物因素.

我国东海的浙江沿海分布有星罗棋布的岛屿,其中较大的岛屿上分布有地带性的常绿阔叶林(如:樟木林、青冈林、石栎林和特殊的亮叶猴耳环林或以落叶成分占优的其他森林),他们是标志性的植被类型或演替阶段,我们对这些植被类型中的优势植物种类进行了区系研究.结果 显示,浙江海岛常绿阔叶林或类似森林中的优势和常见维管植物共有139种,只有热带亚洲成分、东亚成分中的中国-日本成分和中国特有成分贯穿于乔木层、灌木层、草本层和层外植物4大类中;进一步对15个木本中国特有种分析表明,其区系成分属亚热带性质,真正的温带性质不显著.在海岛这些植被出现的地段,还存在一些原生植被破坏后不同演替阶段的次生落叶阔叶林,其类型和面积都超过了地带性的常绿阔叶林,说明海岛除个别岛屿外曾经历了完全的破坏.目前,浙江海岛相应的演替阶段还不明确,它是研究特殊生境次生演替和恢复生态学的重要场所,这些常绿阔叶林和落叶林中富含重要的中国-日本海滨森林种类,对研究我国不同层次的常绿阔叶林具有重要的保护生物学意义.

植物功能性状与环境之间的关系是功能性状研究的重点,海岛作为独特的生态系统,其植物功能性状必然和大陆存在差异.为了明确海岛植被的生态适应机制,该文以平潭岛森林群落为研究对象,通过测定茎、叶10个功能性状,以及地形和土壤10个环境因子,探讨了植物功能性状之间的权衡关系,分析了环境因子对海岛植物功能性状的影响.结果表明:(1)比叶面积(SLA)与叶氮含量(LNC)、叶磷含量(LPC)呈正相关,与叶厚度(LT)、叶干物质含量(LDMC)、茎组织密度(STD)、叶碳含量(LCC)呈负相关;LDMC与LNC、茎氮含量(SNC)呈负相关;LT与STD呈正相关,与LNC和LPC呈负相关;LPC与LNC、SNC呈正相关;茎和叶C、N含量均呈正相关.(2)土壤有机质和TN是海岛植物功能性状的主要土壤影响因子.然而,由于土壤中磷含量的缺乏,LNC、茎磷含量(SPC)、SNC均与土壤全磷呈正相关;LDMC与土壤全氮呈正相关;STD与土壤有机质呈正相关;SLA随着土壤pH的增加而增加.(3)坡位和坡度是海岛植物功能性状的主要地形影响因子.SLA、SPC随着海拔上升而下降;STD、LDMC随着海拔和坡度增大而增大;LNC、LPC阴坡大于阳坡.该研究为海岛植被修复和重建提供了参考依据.

深入理解海岛植物叶功能性状及其影响因子,有利于发现植物适应海岛生境规律和制定滨海盐碱地森林生态系统恢复和保护策略.以福建省福州琅岐岛的台湾相思(Acacia confusa Merr.)、柠檬桉(Eucalyptus citriodora Hook.f.)、朴树(Celtis sinensis Pers.)、高山榕(Ficus altissima)4种优势植物为研究对象,通过测定植物不同朝向叶片的叶厚度(LT)、叶面积(LA)、比叶面积(SLA)、叶干物质含量(LDMC)、叶体积(LV)、叶组织密度(LD)、相对水分亏缺(RWD)等叶功能性状以及地形、土壤等环境因子指标,探讨叶功能性状及其与环境因子的关系.结果显示:(1)4种植物的叶功能性状种间差异明显.台湾相思的LT最大,其LDMC、LD、RWD最小;柠檬桉的LDMC最大;朴树的LD、RWD最大;高山榕的LA、LV最大,LT最小.但4种植物的SLA无显著差异.(2)4种植物的SLA与LDMC、LD均呈极显著负相关(P＜ 0.01);LDMC与LD呈极显著正相关(P＜0.01).(3)主成分分析显示,7个叶功能性状指标中,LA、LT和SLA可作为反映海岛4种优势植物适应生境的重要指标.(4)树冠朝向对4种植物的种内影响不显著.(5)4种优势植物的叶功能性状主要受坡度、海拔、土壤电导率、土壤含水量等环境因子的影响.本研究表明福州琅岐岛的植物可以通过各功能性状以及与环境因子间的相互作用弥补生境的不足,较好地适应琅岐岛恶劣的生存环境,结果可也为滨海盐碱地森林生态系统恢复和保护提供理论依据.