本研究以孟家岗林场不同间伐强度的长白落叶松人工林为对象,获取样地内单木点云数据,基于MATLAB平台应用分形分析理论提取盒维数来表征长白落叶松树木结构复杂性,并评估不同间伐强度及树木属性对长白落叶松树木结构复杂性的影响.结果表明:长白落叶松盒维数在对照(CK:1.68±0.07)、低中强度间伐(处理T1、T2、T3:1.74±0.07)和高强度间伐(处理T4:1.81±0.06)之间存在显著差异,间伐强度增加了树木结构复杂性.在树干属性中,胸径、树高与盒维数呈显著正相关,高径比与盒维数呈显著负相关;在树冠属性中,树冠体积、表面积、投影面积和冠幅与盒维数呈显著正相关.Hegyi竞争指数与盒维数在对照和低中强度间伐下呈显著负相关,在高强度间伐下相关性不显著.间伐影响了长白落叶松树木结构复杂性,树干属性和树冠属性是长白落叶松树木结构复杂性的主要驱动因素.

树冠是林木形成碳水化合物和生产力的重要场所,摸清林木与树冠生长的特征及其对环境的响应对理解植物环境适应性具有重要意义.该研究以辽东地区60块长白落叶松(Larix olgensis var.changbaiensis)人工林样地为研究对象,对阴坡、阳坡两个坡向和3个林龄阶段(15-16 a、23-26 a、49-56 a)的林木和树冠生长进行了研究,其中树冠生长指标包含了客观指标、主观指标和复合指标3种类型.研究结果表明:(1)各林龄阶段不同坡向林分平均胸径、平均树高、平均材积、平均相对优势木高无显著差异,达成熟林时阳坡林分胸径分化程度显著高于阴坡.(2)综合分析3类树冠指标发现树冠受坡向影响,表现出不同的生长适应策略.阳坡林木平均树冠长度、平均冠幅小,林内冠层均一,树冠体量小,树冠生产效率较高;阴坡林木平均树冠长度和平均冠幅较大,林内超出主林层优势木多,树冠体量大,树冠生产效率较低.(3)除林分平均高径比外,树冠客观指标均与生长指标呈正相关关系,阳坡林木树冠随林龄增大对材积的贡献率减小,体现在树冠长度、树冠率与生长指标呈极显著负相关关系,阴坡林木树冠位置和圆满度是促进林木生长的主要因素.(4)树冠客观指标与各器官生物量均呈极显著正相关关系,受光率、树冠表面积、树冠体积在各坡向均与林木生物量呈显著正相关关系,顶梢枯死率均与各坡向林木生物量呈负相关关系,阳坡林木树冠透光度、冠径比和树冠率增加,则林木生物量下降,阴坡林木树冠位置升高、圆满度增加会促进生物量积累.(5)相比所有生长指标和树冠指标,树冠表面积对各器官生物量积累的解释效果最好.以上结果表明,长白落叶松人工用材林树冠生长会显著促进林木生长,但树冠生长与林木生长存在权衡关系,并会随坡向发生改变.

细根是植物吸收养分和水分的主要器官,也是土壤养分归还的重要途径.研究细根的化学计量特征对了解森林生态系统植物-土壤养分循环具有重要意义.以吉林省八家子林业局蒙古栎天然林、天然阔叶混交林和落叶松人工林中龄林为对象,基于15块30 m×30 m样地的林分调查数据以及细根和土壤样品的测定数据,研究了不同林分类型细根和土壤的C、N、P化学计量特征以及两者的关系.结果表明:不同林分的细根和土壤C、N、P化学计量特征差异显著(P＜0.05).3种林分类型细根均受N限制,天然阔叶混交林土壤养分丰富,但蒙古栎天然林土壤P较贫乏.落叶松人工林和天然阔叶混交林的细根化学计量特征与土壤化学计量特征的相关程度明显高于蒙古栎天然林.3种林分的细根C∶N、C∶P和C含量受土壤化学计量特征影响较大.土壤C∶P是影响3种林分细根化学计量特征的最主要因素.研究结果可为长白山林区蒙古栎天然林、天然阔叶混交林和落叶松人工林的土壤养分管理和森林可持续经营提供一定的理论依据.

落叶松(Larix)是我国的主要造林树种,其适生区的分布在很大程度上受气象要素等环境因子的影响.研究落叶松人工林适生区分布在气候变化下的变迁,可为应对气候变化的林业管理策略提供技术指导和科学依据.选取华北落叶松、日本落叶松、长白落叶松和兴安落叶松为研究对象,搜集整理了它们在中国地区的308条有效分布记录和22个环境因子变量,运用最大熵(MaxEnt)模型探测了制约落叶松人工林分布的主要环境因子及其适生区范围,模拟并分析了 1931-2020年落叶松人工林适生区受气候变化影响的空间分布变化.结果表明:(1)研究选取的MaxEnt模型对落叶松适生区的模拟效果都达到了"极准确"的程度,受试者工作特征曲线面积(AUC值)在0.92-0.977之间.影响落叶松人工林分布的主要环境变量为最湿月降水量、海拔、最湿季度平均温度和温度季节变化方差,累计贡献率达到了 73.8％.(2)当前(1991-2020年)气候条件下落叶松人工林适生区面积为182.34×104km2.其中,高适生区面积为53.57×104km2,占总适生面积的29.38％.高适生区集中分布在长白山脉、大兴安岭、燕山、小陇山、太行山脉以及秦岭-大巴山等地区.(3)1931-1960年期间落叶松的高适生区面积为28.33×104km2,1961-1990年期间为33.10×104km2,当前气候条件下进一步增至53.57×104km2.落叶松适生区的范围在过去90年间整体呈现向北移动的趋势.其中,华北落叶松分布在整体上向北大约移动了 3°,且分布面积显著增加.日本落叶松位于辽宁东部的高适生区向北移动,位于秦岭-大巴山地区的高适生区则没有明显的偏移,但是分布范围却向高海拔地区集中.长白落叶松的适生区范围向北移动了 5°,且分布面积先减少后增加,增加的主要区域是长白山北部.兴安落叶松的适生区范围同样是向北移动,有部分适生区移出了我国北界,这是其适生区面积在近些年减小的主要原因.

封面照片由中国科学院沈阳应用生态研究所方晓明于2019 年6 月22 日拍摄于辽宁清原森林生态系统国家野外科学观测研究站/中国科学院清原森林生态系统观测研究站的清原森林野外增温平台(41°51′N, 124°55′E,海拔456～1116 m). 清原站位于长白山余脉龙岗山北麓,气候类型属于温带大陆性季风气候,具有春季多风、夏季短暂多雨、冬季寒冷干燥漫长的特点. 全年平均气温3.9～5.4 ℃,无霜期120～139 d,年降水量700～850 mm,降雨集中在6—8 月,植物生长季主要为4—9 月. 清原站土壤类型为典型的棕色森林土,发育层次分明. 植被以天然次生林为主,落叶松、红松人工林镶嵌分布的典型次生林生态系统,主要树种有胡桃楸、蒙古栎、色木槭、水曲柳等.

阐明凋落物动态及其环境控制机制,可以为森林生态系统生产力及碳汇功能的维持提供重要的数据支持和理论依据.以长白山系余脉张广才岭西坡林龄相近但立地条件不同的4种天然次生林(即硬阔叶林、杨桦林、杂木林和蒙古栎林)和2种人工林(落叶松人工林和红松人工林)为研究对象,对其地上凋落物产量及其组分以及相关环境因子进行了 14年(2008-2021年)的连续测定,旨在揭示森林凋落物量及其组分的时空变化(林型间和年际变异)及其环境驱动机制.结果表明:6种森林类型的凋落总量(TL)无显著差异,波动范围为500.5-556.1 g m-2 a-1;但其叶凋落量(LL)、繁殖组织凋落量(RT)和其他组织凋落量(OT)均存在显著差异,波动范围依次分别为333.9-391.8 g m-2 a-1、8.43-69.93 g m-2 a-1和93.4-185.9 g m-2 a-1o6种森林类型的TL均存在显著的年际变化;其中LL和OT年际变化的显著性因森林类型而不同,而RT的年际变化不显著.除落叶松人工林外,其余5种森林类型的LL与生长季平均气温、日最低气温均值、土壤10 cm深度处的平均温度、最低温度(Tsmin)和土壤5 cm含水量(Ms)均呈显著正相关.杂木林、硬阔叶林和红松人工林的RT与Ms呈显著负相关;杂木林、杨桦林和硬阔叶林的OT与T1sm.呈显著负相关.样地水平的LL与土壤10 cm处含水量存在显著的正相关关系,而RT和OT则与其呈现显著负相关关系.这些结果表明林龄相似的温带森林地上凋落物总量有趋同趋势,但其通过改变组分分配格局来适应立地条件的变化;土壤湿度和温度变化会引起凋落物量的年际变化,但不同森林类型的凋落物量对环境波动的敏感性不同.

辽宁东部山区冬季寒冷漫长,而且秋冬交替和冬春交替时期表层土壤冻融交替频繁发生,其对土壤CO2释放的影响特征还不明确.以该区典型森林类型长白落叶松(Larix olgensis Henry)人工林为研究对象,在2010-2014年期间额定非生长季冻融交替期和冻结期土壤呼吸速率(Rs)动态变化特征,并量化各时期土壤CO2释放量(FCO2)的贡献.结果表明:非生长季Rs总体呈现出“U”型的变化规律,并且秋冬冻融交替期土壤呼吸速率明显大于冬春冻融交替期.非生长季年际间Rs的差异较大,年平均Rs在(0.42±0.02)～(0.72±0.04) μmol CO2·m-2·s-1.Rs与10 cm深度土壤温度(T10)和空气温度(Ta)呈现相似的动态变化规律并且具有显著的正相关关系.指数模型能够较好地拟合非生长季Rs随T10的变化规律,且2010/2011和2011/2012年的拟合效果优于2012/2013和2013/2014年,冻融交替期的拟合效果要优于冬季冻结期.2010-2014年期间4个非生长季FCO2分别为137、92、100和159 g C·m-2,年际间差异大.非生长季各时期FCO2总体上为秋冬冻融交替期最多(29.66～63.48 g C·m-2),冬春冻融交替期次之(14.57～21.48 g C·m-2),秋冬冻融交替期FCO2是冬春冻融交替期的1.68 ～4.36倍,二者的累计贡献率在47.69％～54.66％.冻融交替作用对于非生长季FCO2动态的贡献不可忽视,而秋冬和冬春2个冻融交替期对于FCO2的影响也存在较大差异,秋冬冻融交替期激发土壤释放CO2的能力比冬春冻融交替期更强.研究结果将有助于更好地理解我国东北地区非生长季森林土壤碳排放的规律.

对长白落叶松(Larix olgensis Henry) 人工林进行带状皆伐和不同强度择伐,利用冠层分析仪研究冠下草本植物多样性、生物量、高生长和盖度对光环境变化的响应.结果表明:林下草本植物的多样性、生物量、高生长和盖度都随着光照强度的增大而增加,但不同主伐方式草本植物响应的光照强度区间和策略不同.在皆伐林带内,物种多样性与总辐射强度间没有明显相关性;在择伐林下,物种多样性与总辐射强度显著线性相关,光照越强,多样性越高.对比不同主伐方式可以发现,即使总辐射指数相同,皆伐带内也比择伐林冠下具有相对较高的草本植物多样性、生物量及盖度,说明带状皆伐更有利于草本植物生长和种群数量增加.同时发现,当总辐射指数i < 0. 15时,不论哪种主伐方式草本植物的生物量、高生长及盖度均处于较低水平;而当i > 0. 15时,草本植物的高度和盖度进入加速生长期;当i > 0. 25时生物量开始进入加速生长期.研究结论可为林下生物多样性研究,确定合理的主伐方式及择伐强度提供参考依据.

依据黑龙江省孟家岗林场49株人工落叶松1179个圆盘和轮盘数据,分析了心材半径的纵向变化规律.结果表明:心材半径随树高增高而逐渐减小,与树干外形基本一致,其中去皮半径(XR)、胸径(DBH)及形成层年龄(CA)与心材半径之间关系较显著,利用逐步回归分析建立落叶松心材半径(HR)和面积(HA)模型:HR=b1+b2XR2 +b3CA +b4XR,HA=b1 +b2DBH·XR+b3CA+b4DBH· XR2.应用AIC、BIC、对数似然值以及似然比检验等模型评价指标,对利用样地、样木效应拟合的心材半径和面积模型进行比较.当考虑样木效应拟合心材半径和面积模型时,将b1、b2、b3作为混合参数得出的模型最好.混合模型的预测精度高于基本模型.在应用上,总体心材半径和面积可以通过混合模型来预测.采用Beta回归模型模拟了心材比例,模型中各参数均显著,决定系数较高,模型模拟效果较好.

建立长白落叶松人工林采伐迹地燃烧床试验模型,进行火灾模拟试验,利用热电偶测温系统得出火灾过程中500、1000、1500 s时各层土壤测试点的温度数据,将数据以图像的形式展现,得出火灾过程中各层土壤温度场的变化情况.结果表明:当风速≤2m·s-1或≥10m·s-1时,可燃物均无法充分燃烧;在可燃物充分燃烧的情况下,风速为6m·s-1时,各层土壤温度最高,土层受高温影响深度在12 cm以上,其中3 cm层土壤最高温度可达300℃.与非伐根处土壤相比,伐根处土壤在火灾过程中最高温度更大,且距离伐根越近的位置土壤温度越高.风速为6m·s-1时,3 cm层土壤距离伐根最远处到最近处的温度范围为198 ～315℃.随着土壤深度的加深,土壤温度的变化急剧减小.15 cm层土壤温度几乎无变化;12 cm层土壤仅在风速为6m·s-1时温度有所升高;3 cm层土壤温度最高.当风速为6m·s-1时,土壤温度受火灾影响最大,且伐根处土壤受损最严重.