凋落物分解释放的养分是土壤养分的主要来源,因此凋落物养分动态变化对于森林土壤肥力和林分生产力的维持具有重要的意义.然而,以往关于森林凋落物养分释放的研究均集中在地表分解的凋落物,基本忽略了空中分解的凋落物,而且所关注的养分元素均为氮、磷等大量营养元素,很少涉及钙、镁等中量营养元素.本研究以马尾松(Pinus massoniana)、湿地松(Pinus elliottii)、枫香(Liquidambar formosana)和木荷(Schima superba)4种亚热带地区常见造林树种的凋落叶作为对象,采用分解袋法调查了凋落叶在不同林分类型(马尾松、湿地松、枫香和木荷人工林)和分解位置(空中和地表)的氮、磷、钙和镁动态变化特征.结果表明,在360天的分解期内,凋落叶氮在所有人工林中均表现出先富集、后释放的格局;凋落叶磷在马尾松和湿地松人工林中呈现出先富集、后释放的模式,而在枫香和木荷人工林均出现净释放趋势;在所有人工林中,凋落叶钙和镁均呈现出净释放现象.在空中分解的枫香和木荷凋落叶养分残留量均高于地表分解的凋落叶,但马尾松和湿地松凋落叶养分残留量随着分解位置的变化没有一致性的变化趋势.本研究表明,林分类型和分解位置是凋落物养分释放的重要影响因素,而且凋落物分解过程中大量和中量营养元素的释放格局存在较大的差异.这为理解亚热带人工林养分循环过程和制定合理的养分管理措施提供数据支撑.

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.

依据造林树种的生物学特性,采用科学培育模式改善种间关系和生境条件以提高森林资源利用效率,是提升混交林生产力的有效途径之一.本研究评价了混交林生产力的两类估测方法,分析了种间竞争和互补效应影响混交林生产力的内在机制,并从外在因素出发,阐明了林内生长空间和生境因子如何调控混交林生产力,探讨了树种组成、林分密度、立地质量等对混交林生产力的影响过程,以及林分发育过程中生产力的整体变化规律.最后,在明晰影响混交林生产力形成的内在机制和生境要素的基础上,围绕当前混交林培育模式构建所亟需解决的关键科学问题,提出了今后混交林生产力提升的研究方向:完善生产力估算体系;建立长期的混交林样地;加强多种培育措施的综合效应研究;强化混交林的生长发育进程研究.

土壤微生物是陆地生态系统中维持土壤生产力的重要组分.因此,深入了解不同环境中土壤微生物群落功能多样性的作用,对于整个生态系统的研究具有重要意义.为了探讨油松(Pinus tabuliformis Carr.)、蒙古栎(Quercus mongolica Fisch.ex Ledeb.)混交林造林模式对土壤微生物群落功能多样性的影响,运用Biolog-Eco技术,对辽宁省建平县油松人工纯林(YC)、无植物种植土壤(NP)以及油松-蒙古栎人工混交林(YM)土壤微生物代谢功能多样性进行研究,探讨不同类型林分对土壤微生物群落的影响.结果显示:不同类型林分的土壤微生物群落代谢活性差异显著,总碳源的利用能力(AWCD)的顺序为:YM＞YC＞NP.不同类型林分的土壤微生物对六大碳源的利用率存在差异,YM对L-天门冬酰胺、L-苯基丙氨酸、L-丝氨酸、L-苏氨酸、吐温40、D-半乳糖酸-γ-内脂、苯乙胺、D-葡萄糖胺酸、4-羟基苯甲酸、γ-羟基丁酸的利用能力显著高于YC (P＜0.os),YC又显著高于NP.主成分分析显示,糖类和氨基酸类碳源是影响微生物活性的重要碳源.3种林分类型土壤微生物Shannon指数无明显差异,物种McIntosh指数依次为YM＞YC ＞NP,Simpson指数YM和YC无明显差异,二者均显著高于NP.结果表明,油松-蒙古栎混交林可以显著提高土壤微生物的活性.

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.

西南亚高山原始针叶林被大规模采伐后,在皆伐迹地上营造了大量云杉林进行人工恢复.但关于这些人工林的土壤涵水能力如何,一直没有系统深入的研究与评价.选择川西米亚罗林区系列不同林龄云杉人工林(20 a、30 a、40a、70 a)为对象,以相邻同龄自然更新恢复的针阔混交林为对照,比较人工林土壤涵水能力随着演替进程的动态及其与自然恢复次生林之间的差异,结合人工与自然恢复后的林地特征(如细根生物量、凋落物储量和土壤有机碳等)和土壤物理结构参数等差异,阐释自然与人工恢复后土壤涵水能力差异的影响因素.结果显示:随着人工林演替,土壤0-40 cm层最大持水量随林龄的增加而降低,但变化不显著,从20年的2200 t/hm2下降到70年的2138 t/hm2,年平均下降速率为1.24 t/hm2;然而在自然次生林中,土壤最大持水量随着林龄的增加呈现出波动式变化,从20年的2142 t/hm2增加到40年的2565 t/hm2,到70年又下降为2302t/hm2.通过土壤持水特性与林地凋落物贮量、细根生物量和土壤物理结构参数的相关分析表明,由不同恢复途径导致的林地土壤有机碳含量、凋落物特性及细根差异,进而改变土壤物理结构是影响土壤持水性能差异的主要因素.这些结果说明,从土壤持水量角度考虑,在对采伐迹地进行造林恢复时,应尽量避免营造结构单一、高密度的人工纯林,应选择营造针阔混交林的模式进行恢复.

云南松(Pinus yunnanensis)是重要的造林树种,在我国西南地区广泛分布.研究不同海拔云南松径向生长对气候变化的响应,有助于了解气候变化背景下云南松的敏感性和适应性.在滇西北丽江玉龙雪山不同海拔采集了云南松树木年轮样品,采用传统的树木年轮方法制作了不同海拔云南松树轮宽度标准化年表,并分析了不同海拔云南松径向生长与气候因子的相关性.结果表明:1)低海拔样点云南松具有较快的年平均生长速率.2)不同海拔云南松对气候因子的响应模式一致,树轮宽度与当年5-6月的降水量、帕尔默干旱指数(PDSI)和相对湿度呈正相关,与同期温度呈负相关.3)不同海拔的云南松径向生长对气象因子的响应程度不一样,即低海拔样点云南松树轮宽度与当年5月份的干旱指数、相对湿度、降水量相关系数较高;而高海拔样点的云南松树轮宽度与5-6月的降水、相对湿度、干旱指数的相关系数较低.研究表明春末夏初的水分条件是玉龙雪山云南松径向生长的主要限制因子,且低海拔地区云南松生长受水分限制更为严重,区域气候变暖和干旱化趋势可能对低海拔地区云南松的生长产生持续的负面效应.研究结果可为探讨气候变化下云南松的适宜分布区、以及云南松人工林的经营和可持续管理提供参考.

碳汇林能够固定大气二氧化碳,在缓解全球变暖中起着重要的作用,研究南亚热带地区不同造林模式碳汇林土壤碳的累积,有助于为不同造林模式的碳汇林土壤碳汇功能评价提供科学依据.采用单因素随机区组设计,对立地条件基本一致的研究区采用新造林(Ⅰ)、封山育林(Ⅱ)和补植套种(Ⅲ)3种造林模式进行碳汇造林,从而研究不同造林模式土壤碳积累与碳汇功能.结果表明:碳汇造林5年期间,土壤全碳含量差异显著,不同造林模式0-20 cm土壤层碳含量差异显著(P＜0.05),其变化幅度最大,介于(-0.861± 1.893)-(3.021± 1.577)g C/kg之间.经过接近5年的碳汇造林,不同造林模式0-60 cm土壤层碳储量变化量介于(-2.233±3.540)-(8.670±2.342) Mg C/hm2之间,其中新造林(Ⅰ)与补植套种(iⅢ)土壤碳储量变化量差异极显著(P＜0.01);碳汇造林5年,土壤碳储量显著增加,各造林模式土壤碳汇量由大到小依次为Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ,封山育林(Ⅱ)和补植套种(Ⅲ)的土壤碳汇效益显著.采取新造林模式的初始5年,不利于土壤的碳积累,而采取补植套种模式既有利于土壤碳固定,也有利于土壤碳的积累.

杨树(Populus)是重要造林树种,也是研究林木基础生物学性状的模式材料.不仅如此,杨树可与多种细菌(内生细菌、内生固氮菌和根际促生菌)和真菌(外生菌根真菌、丛枝菌根真菌和内生真菌)类群建立共生关系,为揭示树木和微生物之间的互惠共生机制提供了理想模型.这些共生菌能积极调控林木生长发育、营养吸收和生理生态过程.目前在杨树-双色蜡蘑(Laccaria bicolor)形成的外生菌根发育、提高杨树耐盐、耐重金属的生理与分子机制、叶片内生真菌群落结构与病害发生、菌根辅助细菌和菌丝内共生细菌-真菌-杨树形成的三重跨界共生等方面取得多项突破.近年来,一批模式草本植物微生物组(microbiome)计划相继实施,对共生菌群落结构和功能的认识有了革命性的进步.以美洲黑杨、毛果杨和胶杨为代表的林木微生物组研究也已启动,表明宿主基因型和环境因子可显著影响共生菌群落结构与物种组成;在根际(rhizosphere)和内生(endosphere)环境存在结构和功能迥异的菌群.另一方面,以根系为诱饵,通过宿主表型来推测菌群功能的反向“钓鱼”策略将推动林木根际微生物工程研究,为揭示杨树-微生物群落的相互关系、菌群进化搭建了研究模型.总之,深入认识多元微生物对林木表型和生理代谢的表观遗传学调控机制将为今后创制新型菌剂并用于高效育苗和抗性育种提供新的思路,具有重要的科学意义和应用价值.

为揭示石漠化生态系统碳储量对植被恢复模式的响应,在广西天等县中度石漠化山地,研究了吊丝竹纯林(Dendrocalamus minor D)、任豆纯林(Zenia insignisZ)、任豆、蚬木(Buerretiodendron hsienmu)和顶果木(Acrocarpus fraxinifolius)混交林(mixed plantation M),以及相应同龄封育林(DCK、ZCK、MCK)的碳储量.结果 表明:人工林碳储量显著高于相应同龄封育林的碳储量,D、Z、M人工林碳储量分别为67.75、66.56、121.20 t/hm2,而DCK、ZCK、MCK封育林仅为49.75、52.89、60.86 t/hm2.碳储量在乔木层、地被物层、土壤层分配排序因生态系统类型而异,如M:乔木层＞土壤层＞地被物层;D和Z:土壤层＞乔木层＞地被物层;DCK、ZCK和MCK:土壤层＞地被物层＞乔木层.此外,M、D、Z乔木层年平均碳储量差异显著,而封育林尚未形成乔木层,其植被碳储量则随封育时间的增加而提高,即MCK＞ZCK＞DCK.可见,在中度石漠化山地,植被恢复模式显著影响生态系统碳储量及其分配.人工造林相对于封山育林更能快速促进植被恢复、形成乔木林,从而提高生态系统碳储量.