宁夏南部山区是黄土高原的典型代表区域,其生态环境极其脆弱.退耕还林还草工程营造的大面积纯林出现可利用养分不足、生物多样性下降等问题,而营造混交林被认为是提高人工林生态效益的有效途径.本研究以宁南山区刺槐+云杉混交林、刺槐+山杏混交林、刺槐纯林、山杏纯林为对象,基于植物生态化学计量学理论与方法,通过测定植物叶片、凋落物和细根的C、N、P含量,揭示不同人工林的养分循环特征.结果表明:4种林型中各树种的叶片生态化学计量特征具有显著差异,刺槐+云杉混交林中云杉叶片C含量最高,刺槐+山杏混交林中刺槐叶片N、P含量最高,混交林中刺槐和山杏叶片N含量显著高于各自纯林.刺槐纯林与其混交林之间的凋落物量以及凋落物C、N、P含量及化学计量比均无显著差异;山杏纯林凋落物量显著高于混交林,而凋落物C含量显著低于混交林.4种林型的细根生物量均随土层深度增加而下降,其中,刺槐+山杏混交林的总细根生物量最高,刺槐+山杏混交林的细根N含量和N∶P值高于刺槐纯林和山杏纯林.刺槐+山杏混交林叶片与细根间N含量呈显著负相关;刺槐+云杉混交林叶片与凋落物间N含量呈显著负相关,叶片与细根间P含量呈显著正相关;山杏纯林凋落物与细根间P含量呈显著负相关.宁南山区混交林养分模式优于纯林,刺槐+山杏的混交造林模式最佳,混交造林在一定程度上降低了元素对植物生长的限制作用.

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.

目的:宁夏枸杞(Lycium barbarum)主要分布在我国北方半干旱地带,有很强的抗旱抗寒能力,是我国北方地区退耕还林、生态修复等工程的重要造林树种,也是我国西北重要的经济林树种.探讨限制宁夏枸杞分布的主导气候因子,模拟其潜在适宜分布区,可为宁夏枸杞在重点林业生态工程和特色经济林建设中合理布局和推广栽培提供理论依据.方法:主要基于188个宁夏枸杞自然分布样点,利用生态位理论与MaxEnt模型,探究在主要气候因子影响下的潜在适宜分布区.结果:影响宁夏枸杞自然分布的主要气候因子为最冷季度降水量和平均温、年平均气温、最干季平均温和降水量、最冷月份最低温.基于以上气候条件特征,模拟得到宁夏枸杞的适宜种植区总面积为6.63×106 km2,高适生区面积为1.69×106 km2,中适生区面积为2.09×106 km2,低适生区面积为2.85×106 km2.结论:高适生区主要分布在辽宁西部,内蒙古东南、中部和西部,河北东、中和西部,北京大部,天津北部,山西大部,陕西中部和北部,宁夏全境,甘肃东部、中部、南部及河西走廊地区,新疆北部和西部.结合生产实际情况,建议在潜在分布高适生区作为生态林树种推广使用,在有配套灌溉设施的降水量为64.5～213.0 mm的潜在分布中适生区可作为经济林树种推广使用.

为明晰内生真菌在宿主植物耐盐生长中是否存在拮抗作用,探讨利用内生真菌提高困难立地条件下造林成活率的可能,将两株耐盐内生真菌葡萄座腔菌(Botryosphaeria sp.)Z1(T3)、炭团菌(Hypoxylon sp.)Y6(T4)及其混合菌(T2)进行固体发酵培养,添加到栽植有木麻黄(Casuarina equisetifolia)幼苗的不同盐度(质量分数为0、3‰、6‰、9‰)盆钵土壤中,以添加菌株载体(T1)和无添加(CK)为对照,研究固体培养内生真菌对土壤盐胁迫下木麻黄幼苗抗逆生理特征的影响及其与生物量的关系.结果表明:菌株处理显著提高了盐胁迫下幼苗的生物量,幼苗生理特征受土壤盐度、时间和菌株种类影响较大.3‰盐度下,T2处理15天后可溶性糖(SS)含量、可溶性蛋白(SP)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性以及45天后过氧化氢酶(CAT)活性高于CK、T1,相对电导率(REC)在T2、T3和T4处理胁迫期都显著降低;9‰盐度下,T2、T3和T4处理实验期内REC、H2O2含量显著降低,胁迫60天后丙二醛(MDA)含量显著降低,SS含量、SOD活性、CAT活性显著增加,T2处理的SP含量、过氧化物酶(POD)活性同样显著增加.采用逐步回归建立了菌株处理下幼苗生理特征与生物量关系的回归方程模型,通径分析表明REC、POD活性和SS含量为影响生物量的主要生理因素.综上,不同菌株对幼苗渗透调节物质含量、氧化酶活性和生物量的影响不同,混合菌的拮抗作用最为明显,研究结果初步揭示了盐胁迫下木麻黄渗透调节物质含量、抗逆酶、生物量与木麻黄内生真菌的关系,为木麻黄抗逆工程菌的发掘提供了研究基础.

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.

高天岩自然保护区位于江西省莲花县,为当地人提供了多项生态服务功能.根据高天岩自然保护区生态与社会经济系统的特征,构建其生态系统服务功能价值评估指标体系,并以2014年数据为基础,综合运用成本替代、市场价值、影子工程、造林成本、成果参数和旅行费用等定量分析方法,评估其生态系统的经济价值.结果表明:2014年,高天岩自然保护区生态系统服务总经济价值为7.20× 108元,其中,土壤保持和固碳释氧的经济价值居前两位,分别为4.39×108元和1.16×108元,各占服务总经济价值的60.89％和16.11％.9项服务指标按评估的经济价值大小排序为:土壤保持＞固碳释氧＞产品供给＞生物多样性保护＞环境净化＞气候调节＞旅游休憩＞调洪蓄水＞社会保障.直观的经济数字反映了高天岩自然保护区生态系统对人类社会的重要贡献,一方面有利于强化管理者和公众保护高天岩自然保护区的意识,另一方面为政府制定高天岩自然保护区生态系统补偿标准提供数据支撑.

为探讨塞罕坝自然保护区植被景观动态变化规律及其驱动机制,本文基于3期Landsat TM影像数据(1989、2000和2013年),应用随机森林分类算法和Logistic回归模型,借助土地动态度指标,分析了1989-2013年研究区各植被类型的变化及引起其变化的驱动因素.结果表明:1989-2013年间,灌木林所占比例较小;研究区植被景观变化的主要特征是灌木林的迅速减少和人工林的持续增加,草地和天然次生林变化不明显;不同时期影响各植被类型变化的驱动因素不同,1989-2000年,社会因素如距道路距离、造林总投资是影响各植被类型变化的主要因素,2000-2013年,随着“天保工程”的实施以及自然保护区的成立,自然因素如高程、坡向的影响逐渐加强;社会活动主导了研究区的植被景观动态,而自然因素在一定程度上决定了植被类型的分布格局.

土地利用方式变化能对土壤碳氮储量产生重要影响.为了探讨不同土地利用方式对土壤碳氮的影响,研究了黄土高原子午岭林区自退耕还林(草)工程实施以来(15年)自然恢复草地和人工油松林地0～100 cm土层土壤碳氮储量、碳氮比以及根系生物量的差异.结果表明:自然恢复草地和人工油松林地土壤有机碳均表现出表聚效应,自然恢复草地0～20 cm土层土壤有机碳储量显著低于人工油松林,而其他土层差异均不显著.人工油松林0～100 cm土层土壤总碳储量为117.94 Mg·hm-2,比自然恢复草地增加28.4％.两种植被类型土壤全氮储量在各土层间差异均不显著,但自然恢复草地0～ 100 cm土层土壤全氮总储量为7.69Mg·hm-2,比人工油松林高17.7％.自然恢复草地和人工油松林土壤铵态氮储量在各土层间差异均显著,自然恢复草地铵态氮储量显著高于人工油松林,且随土层增加表现为先增后降的趋势.而自然恢复草地和人工油松林土壤硝态氮储量只在0～20 cm土层差异显著,且自然恢复草地高于人工油松林.自然恢复草地和人工油松林土壤碳氮比表现为0～20 cm土层差异不显著,随土层的加深表现为人工油松林碳氮比显著高于自然恢复草地,且差异逐渐增大.自然恢复草地和人工油松林土壤碳氮储量与根系生物量均呈显著正相关.因此,自然恢复草地土壤有利于氮储量的积累,人工油松林土壤有利于土壤碳储量的增加,且根系是影响土壤碳氮储量分布的重要因子.

基于截止2013年底陕西省退耕还林工程的资源数据,依据林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》和《退耕还林工程生态效益监测评估技术标准与管理规范》,采用分布式测算方法从涵养水源、保育土壤、林木营养物质积累、固碳释氧、保护生物多样性、净化大气环境及森林防护等7个方面对陕西省退耕还林工程的生态效益进行评估,得出陕西省退耕还林工程生态效益价值量为973.47亿元/a,以涵养水源(274.06亿元/a)、净化大气环境(203.96亿元/a)和固碳释氧(173.95亿元/a)价值为主;3种植被恢复类型中以宜林荒山荒地造林模式的生态价值最高,封山育林模式的价值最低;在3个林种类型中,生态林的生态效益价值大于经济林和灌木林;在不同区域的生态效益价值评估中,以延安市的生态效益价值量为最高.

开展工程措施进行植被恢复是防治水土流失的有效方式.在黄土高原半干旱小流域,工程措施能够利用有限的降水资源,促进植被恢复.以甘肃定西龙滩小流域典型水土保持工程措施鱼鳞坑和反坡台为研究对象,采用配对实验设计,在实测土壤水分特征曲线基础上,分别利用Brooks-Corey、Gardner和van Genuchten模型对不同工程措施的土壤水分特征曲线进行模拟.研究结果发现:反坡台(10.63％)、鱼鳞坑(9.78％)粘粒含量显著高于对照样地(9.66％),粉粒含量反坡台(71.42％)与鱼鳞坑(70.74％)显著高于对照样地(67.85％).较之对照样地,反坡台和鱼鳞坑饱和导水率分别提高53.5％和46.9％.3种模型均能够很好的拟合不同工程措施土壤水分特征曲线.较之对照,工程措施长期开展后,鱼鳞坑和反坡台的土壤有效水分分别提高15％和9％,且对表层土壤水分有效性的改善更为显著.