本文以新疆天山西部伊犁河流域优势树种雪岭云杉为对象,采用树轮指数(TRI)和生长变化百分率(GC)的方法研究不同海拔(1800、2300和2800 m)雪岭云杉的衰退特征,分析不同海拔雪岭云杉生长对干旱事件的响应差异,揭示该地区海拔对树木生长衰退的影响.结果表明:低海拔(1800 m)雪岭云杉呈现多次衰退,但树轮指数法和生长变化百分率法判定的衰退时间存在差异.树轮指数表明,低海拔雪岭云杉在1927-1933、2007-2014年期间出现了 2次的持续大规模衰退;生长变化百分率表明,低海拔雪岭云杉在1891-1893、1924-1926、1973-1975、2004-2009年期间出现了 4次生长衰退.上一年生长季帕尔默干旱指数(PDSI)显著影响不同海拔雪岭云杉径向生长.随着海拔上升,当年生长季PDSI对雪岭云杉径向生长的作用呈现先显著增强再减弱的趋势.在极端干旱年份(1917年),雪岭云杉生长衰退程度随海拔增加呈现增强趋势,低海拔处(1800 m)树轮指数为0.65,比平均水平低35％,而中(2300 m)、高(2800 m)海拔则分别为0.56和0.54,显著低于平均水平40％.1917年的干旱事件对不同海拔雪岭云杉生长均存在2年的遗产效应,1920年树轮指数达到0.9以上,接近正常水平.海拔因素对干旱导致的森林衰退具有重要影响,分布在水热条件相对较差的低海拔处的树木生长更易受到干旱事件的抑制作用,进而引发了次数多、规模大的衰退事件.但在面对极端干旱时,水热条件较好的中、高海拔处的树木也会出现更大程度的衰退事件.

为探究雪岭云杉(Pinus schrenkiana)更新幼苗数量在不同腐解等级倒木上的差异性以及影响不同腐解等级的倒木上更新幼苗数量具体因素,研究了不同腐解等级倒木上雪岭云杉幼苗数量和高度级组成与倒木含水量、倒木表面积、坡向、坡度及海拔的关系.结果表明:不同腐朽等级倒木上幼苗的出现概率不同,但随着倒木腐解等级的增加,幼苗的存活率也越大.不同腐解等级倒木幼苗高度级结构均为明显的增长型特征,以高度(h)为0＜h≤5 cm幼苗最多.倒木含水量对Ⅰ级和Ⅱ级腐解倒木上幼苗数量有显著影响(P＜0.05),倒木表面积对Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级倒木上的幼苗数量有显著影响(P＜0.01),坡度及海拔对各腐解等级倒木上更新幼苗的数量影响均不显著(P＞0.05).进一步对不同高度级幼苗数量的影响因素分析表明,含水量对Ⅱ级腐解的倒木上的A1(0＜h≤5 cm)、A2(5 cm＜h≤10 cm)高度级幼苗的数量有极显著影响(P＜0.01),倒木表面积对Ⅱ级和Ⅲ级腐解的倒木上A1高度级幼苗的数量有显著影响(P＜0.05);在Ⅳ级腐解的倒木上,这些因素对不同高度级幼苗数量的影响均不显著(P＞0.05).倒木表面积和倒木所处坡向对倒木上死亡幼苗的数量有显著影响.低等级腐解倒木上含水量是影响更新幼苗数量的主要因素,对高等级倒木而言则是表面积,相比之下,高度越低的幼苗,越容易受到影响.

目的:建立新疆云杉蓄积及地上生物量模型,为在林分尺度上估算云杉碳储量及生产力提供基础数据.方法:利用收获法采集西伯利亚云杉(Picea obovata)与雪岭云杉(Picea schrenkiana)各50株,以蓄积为自变量,地上生物量为因变量,采用4种生物量模型进行回归分析构建模型,综合模型评价、参数估计值的稳定性及相对误差筛选出最优生物量模型.结果:确定W = 0.515V0.926(R2 = 0.980)为西伯利亚云杉估测模型,W = 0.541V0.953(R2 = 0.954)为雪岭云杉估测模型.结论:新疆云杉蓄积和地上生物量极显著相关,4种估测模型以幂函数拟合效果最优.

在高纬度高海拔区域气温增幅更大的背景下,高山亚高山森林土壤有机碳稳定性组分分配比关系以及由于此差异导致对增温的反馈效应均有待深入阐释.天山森林是以雪岭云杉(Picea Schrenkiana)为单优树种的温带针叶林,在天山北坡中山带(海拔约1760-2800 m)呈垂直落差超过1000 m的带状斑块分布,便于排除混交树种的影响,而量化土壤有机碳库稳定性组分分配比关系沿海拔的分异规律,及其对气候变化的响应情况.沿海拔梯度设置森林样地并分层采集土样,研究各土层土壤总有机碳库(Csoc)、活性碳库(Ca)、缓效性碳库(Cs)、惰性碳库(Cp)、微生物量碳(MBC)在海拔梯度上的变化特征,通过碳库活度(A)、碳库活度指数(AI)、碳库指数(CPI)、土壤碳密度(SOCD),探讨天山森林土壤有机碳稳定性组分沿海拔的分异特征.结果表明:(1)随着海拔的升高,天山中段北坡云杉森林土壤Ca占比逐步升高,Cs和Cp占比逐步降低,这意味着天山中段北坡云杉森林土壤碳的分解释放与区域气候变暖间将呈现出加速偏离平衡态的正反馈效应;(2)该区域森林土壤的MBC和微生物熵(qMB)虽均随海拔升高呈双峰曲线,但峰值有所差异,qMB在高海拔处(2600-2800 m)显著升高,这意味着在森林高海拔区域土壤微生物的活性更强;(3)Csoc、Ca、G、Cp表聚效应明显,且随海拔升高呈现出单峰曲线;(4)海拔2400-2600 m的AI、CPI最大,海拔2200-2400 m的A、CPI和SOCD处于较低水平.为深入了解天山森林土壤碳库对气候变暖的响应过程提供了科学参考,为天山森林土壤碳库管理提供了有益借鉴.

采矿及矿产品运输过程会对环境造成重金属污染进而对生物体产生危害.为定量描述艾维尔沟矿区道路两侧重金属污染程度、明确雪岭云杉叶片对重金属的吸收富集效应,通过采集雪岭云杉叶片和土壤样品,测试其铅(Pb)、锌(Zn)、镉(Cd)、砷(As)、铜(Cu)、铬(Cr)的含量,分析重金属的富集效应和空间分异特征.结果表明:(1)雪岭云杉叶片和土壤中各重金属含量差异显著(P＜0.05),叶片中Pb的含量显著高于其余重金属(P＜0.05),平均达86.28 μg/g,土壤中Zn、Cu超过了国家土壤质量标准的一级限制值,而As比三级限制值大41％;(2)以背景区(板房沟林场)的土壤和雪岭云杉叶片重金属为评价标准,研究区雪岭云杉叶片重金属综合污染指数为2.05,属中度污染,其中As和Pb单项污染指数较高,达3.65和2.57.研究区土壤重金属综合污染指数为1.69,属轻度污染;(3)随距离增加,除土壤和叶片中Pb含量表现为负线性递减外,As和Cu均表现为先升高后降低,土壤中Cr、Zn逐渐升高,但叶片中Cr逐渐降低,Zn变化不大;(4)冗余分析(RDA)结果显示土壤中Cu、As、Pb与雪岭云杉死树胸径和树高呈正相关关系,而Cr、Zn与其呈负相关.采矿及运输已对土壤和雪岭云杉的生长造成影响,本文对天山雪岭云杉森林的生态修复与保育具有一定的借鉴作用.

生态化学计量是研究物种与生存环境之间关系及其适应策略的有效方法,但关于氮(N)、磷(P)、钾(K)化学计量在不同器官内的分配及其随生长阶段变化的认识还不充分.本文以天山北坡雪岭云杉(Picea schrenkiana)为研究对象,通过对不同生长阶段的雪岭云杉根、茎、叶中N、P、K含量的测定,分析雪岭云杉不同器官N、P、K化学计量特征及其随生长阶段的变化规律,探讨N、P、K在雪岭云杉各器官中的分配策略及异速生长关系.结果表明:(1)雪岭云杉N、P、K含量在各器官中主要表现为叶＞茎＞根;随树龄的增加,叶片的N、P、K含量先增大后减小,茎中N、K含量逐渐增大,而P含量无明显变化趋势.根N含量逐渐减小,P、K含量逐渐增大;(2)雪岭云杉各器官N∶P值为20.25～27.61,N∶K值均为0.28～ 0.41,P∶K值为0.01～0.02,随树龄的增加叶和茎的N∶P、N∶K、P∶K先增大后减小,根的N∶P、N∶K值逐渐减小,P∶K值无显著变化规律;器官、林龄及二者的交互作用均对雪岭云杉N、P、K化学计量特征产生影响;(3)雪岭云杉各器官中N、P、K元素含量的分配比重表现为:茎＞根＞叶;叶片的N、P、K含量之间及茎和根的N与K间存在显著的异速增长关系(叶:N-P0.956,P=0.001;N-K-0.254,P＜0.001;P-K-1.568,P＜0.001;茎:N-K-0.326,P=0.011;根:N-K-0.529,P=0.007);受到环境因子以及雪岭云杉对营养元素的吸收和分配等因素的影响,各器官中N、P、K化学计量特征随生长阶段发生变化.

季节性雪被下显著的冻融格局差异可能对干旱区山地森林凋落叶分解过程产生重要影响,但一直未见深入研究.2015年10月至2016年10月,采用凋落物分解袋法,研究了天山典型树种雪岭云杉(Picea schrenkiana)凋落叶在季节性雪被覆盖下的3个关键时期(冻融期、深冻期、融冻期)以及生长季(生长季早期和生长季末期)的分解动态和碳、氮、磷释放特征.结果表明:(1)经过一年的分解,不同雪被厚度下雪岭云杉凋落叶分解率为24.6％-29.2％,且存在显著性差异.分解系数k值厚雪被覆盖最大,无雪被覆盖最小.(2)冬季雪被覆盖期雪岭云杉凋落叶分解对当年分解总量的贡献达46.0％-48.5％,其中对冻融期凋落叶分解影响较为明显.(3)随着凋落叶的分解,雪岭云杉凋落叶氮含量总体呈增加趋势;碳含量和碳氮比大致呈下降趋势,在深冻期和生长季末期不同雪被处理下碳含量呈显著性差异;而凋落叶磷含量呈不规则变化趋势,且在冻融期和融冻期不同雪被厚度下呈显著性差异.(4)整个雪被覆盖季节凋落叶氮元素表现为富集,碳和磷元素表现为释放;其中,在融冻期薄雪被和中雪被处理下碳元素富集率最大,在冻融期薄雪被、中雪被和厚雪被处理下,融冻期无雪被和厚雪被下以及生长季早期中雪被和厚雪被下氮元素富集率最大,而雪被对凋落叶磷释放的影响不显著.

生态化学计量学是研究有机体所需碳(C)、氮(N)、磷(P)等营养元素之间多重平衡关系的科学.本研究以天山雪岭云杉林为研究对象,分析土壤C、N、P化学计量的特征及其与温度和降水的关系,并利用冗余分析(Redundancy analysis,RDA)技术分析了土壤C、N、P化学计量特征与理化因子的关系.结果表明,0-10 cm层C、N、P含量的变化范围分别是44.6-143.4、0.190-0.940、0.086-0.286 g/kg,10-30 m层C、N、P含量分别介于23.0-131.0、0.122-0.589、0.032-0.178 g/kg之间,30-80cm层三者的变化范围分别为14.5-67.0、0.149-0.397、0.062-0.169 g/kg.0-10 cm层C、N、P含量与年均温度存在显著的相关关系,0-10 cm和10-30 cm层P含量与年降水量之间的相关性显著;0-10 cm层C∶P比与年均温度之间存在显著线性关系,0-10 cm与10-30 cm层N∶P比均随年均温度和年降水量的增大而增大.冗余分析结果表明,在0-30 cm层中,土壤含水量和容重是土壤C、N、P化学计量特征的主要驱动因子,土壤含水量与C∶P和N∶P值成正相关关系,容重与N∶P值成负相关关系;在30-80 cm层中,土壤含水量和土壤粘粒含量是土壤C、N、P化学计量特征的主要驱动因子,土壤含水量与N和P值成正比,容重与C、C∶N、C∶P和N∶P成正比,与N和P成反比;电导率和pH对土壤C、N、P化学计量特征的影响并未达到显著程度,可能是研究区土壤的电导率和pH的差异较小.

利用新疆东天山高低海拔雪岭云杉(Picea schrenkiana Fisch.et Mey.)年轮样本,采用样条函数法、负指数函数法和区域曲线法3种去趋势方法研制树轮宽度标准化年表,通过分析不同去趋势方法的新疆东天山高低海拔云杉树轮宽度标准化年表特征、年表与气候响应的关系和年表间在不同频域互相关,及其与其它资料对比发现:(1)3种去趋势法对东天山年表质量影响较小,低海拔树轮年表含有更多可靠的气候变化信息.(2)高海拔的雪岭云杉树木径向生长与6-9月平均气温均呈显著正相关,其中标准化树轮年表与7月平均气温相关系数达0.553(P＜O.01,n=58),夏季温度可能是东天山高海拔雪岭云杉径向生长的主要限制因子;低海拔雪岭云杉树木径向生长与春季降水显著正相关,同时与春季平均气温显著负相关,春季高温和缺水共同作用的春旱可能是影响低海拔雪岭云杉径向生长的主导因子,且负指数函数年表对气候响应更敏感.(3)区域曲线法能够保留树轮标准化年表中更多低频信息,但优势不明显.高低海拔标准化年表在低频域相关系数较大,并和历史干旱事件有很好的对应.在东天山高低海拔雪岭云杉的去趋势方法研究中,负指数函数法比样条函数法和区域曲线法更适合.

粗木质残体(coarse woody debris,CWD)在天山雪岭云杉林生态系统中起着重要的结构性和生物地球化学作用,解释其储量特征是研究CWD的基础,但尚未有大尺度研究见诸报道.以天山雪岭云杉8 hm2森林动态监测样地为研究对象,采用野外调查、室内试验以及数据分析相结合的方法,调查了样地内CWD的储量组成、径级以及分解等级分布格局等基本特征及其影响因子.结果 表明:(1)天山雪岭云杉8 hm2森林动态监测样地内共有直径≥10 cm的CWD 936株,CWD的密度、体积、储量分别为117株/hm2,15.13 m3/hm2,4.52 t/hm2;其中倒木是CWD的主要贡献者,占CWD总储量的52.21％;(2)样地内各径级CWD的数量呈典型的倒“J”型结构,直径＜30 cm的CWD个体占全部CWD的83％;(3)样地内CWD总体上处于以Ⅱ、Ⅲ分解等级为主的中度分解状态,CWD径级越大,分解程度越高;(4)林分密度、郁闭度和海拔是影响天山雪岭云杉林CWD储量特征的主要因素.研究可为天山雪岭云杉林的可持续发展与经营提供科学依据.