森林土壤碳库是森林生态系统碳库的重要组成部分,对于调节陆地生态系统碳循环和大气CO2浓度变化起着非常重要的作用.以往的研究主要探究了各种因素(如地形、植被、土壤理化性质等)与森林土壤碳之间的单因子或多因子关系.然而,对于多因子中的关键因子识别及其相互作用机制尚不清楚.本研究利用陕西省商洛市丹凤县50块油松(Pinus tabuliformis)飞播林标准地调查数据,采用结构方程模型探究土壤有机碳密度的影响因素.选取了林分结构、物种多样性、生物量、土壤理化性质等方面的23个指标作为观测指标,形成乔木特征,林下灌、草及凋落物特征,其他土壤理化性质和土壤有机碳密度4个潜变量,构建偏最小二乘法的结构方程模型.结果表明:(1)最终的结构方程模型筛选出12个观测变量,其他土壤理化性质中筛选出3个观测变量,分别为土壤全氮、土壤全磷、土壤含水量;林下灌、草及凋落物特征潜变量中筛选出5个观测变量,分别为灌木Simpson指数、草本Simpson指数、草本Margalef指数、草本生物量、凋落物层厚度;乔木特征潜变量中筛选出3个观测变量,分别为乔木Simpson指数、林分大小比数、乔木物种数.(2)其他土壤理化性质是土壤有机碳密度的直接影响因素(路径系数为0.877,P＜0.01),林下灌、草及凋落物特征与乔木特征是土壤有机碳密度的间接影响因素(路径系数分别为0.552和-0.299,均P＜0.01).(3)林下灌、草及凋落物特征通过直接影响其他土壤理化性质(路径系数为0.630,P＜0.01)进而影响土壤有机碳密度,乔木特征通过直接影响林下灌、草及凋落物特征(路径系数为-0.541,P＜0.01)进而影响土壤有机碳密度.本研究为揭示不同驱动因素之间的关系提供了新的见解,对于理解飞播林土壤有机碳调节有重要意义.

榆林位于陕甘宁蒙晋五省交界地,总土地面积4.3万km2,常住人口 362万.在榆林北部,约1.58万km2的区域是毛乌素沙漠,占据榆林总面积的36.7％.在解放初,榆林的林草覆盖率只有0.9％,现在榆林城区的很多地方,在当时都是沙漠.经过60年的不懈努力,榆林对毛乌素沙漠的治理取得了显著成效,把陕西的绿色版图向北推移了400 km,也因此被联合国认定为全球荒漠化治理的典范.自1958年开始飞播造林,主要草种是沙蒿.后来飞播终止,榆林市共造林750万亩(1亩≈666.7 m2),成林面积400万亩.

研究江西省赣州市飞播马尾松林碳密度的分配特征,选取有关立地、林分、林下植被及凋落物等方面的15个因子,建立林分碳密度与影响因子的关系模型,筛选出主要影响因子.结果表明:林分平均碳密度为98.29 t·hm-2,表现为土壤层(49.58 t·hm-2)＞乔木层(45.25t·hm-2)＞林下植被层(2.23 t· hm-2)＞凋落物层(1.23 t·hm-2);乔木层、凋落物层、土壤层碳密度之间呈显著正相关,其他各层次碳密度之间的相关性均不显著.株数密度、平均胸径、土层厚度、坡位、林龄、郁闭度是影响飞播马尾松林林分碳密度的主要因子,各因子的偏相关系数为0.331 ～ 0.434,t检验结果为显著;运用多元数量化模型I复相关系数为0.796,F检验结果为显著(F=9.28).对于林分碳密度,株数密度以1500 ～ 2100株·hm-2最好,而郁闭度以0.4～0.7最好,株数密度及郁闭度过高或过低对林分固碳能力均会产生不利影响;林龄及平均胸径越大、土层越厚,其林分碳密度越高,下坡位的林分碳密度高于其他坡位.

以飞播马尾松(Pinus massoniana)林为研究对象,采用冗余分析(RDA)和方差分解法分析林下植被物种组成及其多样性与环境因子的关系.结果表明:林下植物共54种,隶属29科36属,灌木、草本层物种重要值分别以算盘子(Glochidion puberum)和铁芒萁(Dicranopteris linearis)最高;前向选择及蒙特卡洛(Monte Carlo)检验表明,平均胸径、海拔、郁闭度对灌木层物种组成影响显著(P＜0.05),土层厚度对草本层物种组成影响极显著(P＜0.01);Monte Carlo检验预选出的9个因子共解释了物种多样性变异的70.9％,其中平均胸径、郁闭度、土层厚度、速效氮和坡位是影响林下植被物种多样性的主要环境因子;生物因子、非生物因子对物种多样性的单独解释率分别为34.8％和7.5％,两者交互作用解释率为20.5％,表明生物因子及其与非生物因子的共同作用是影响林下植被物种多样性的主要因素.

以飞播马尾松林为研究对象,通过典型样地调查和样品测定,采用配对样本t检验和冗余分析(RDA)方法分析芒萁类和禾草类两种林下植被类型土壤碳、氮特征及其与凋落物质量之间的关系.结果表明:(1)土壤有机碳、微生物量碳、可溶性有机碳、全氮、速效氮、微生物量氮和可溶性有机氮含量在0-10、10-20 cm土层均表现为禾草类显著高于芒萁类(P＜0.05),而在20-40、40-80 cm土层两种植被类型碳氮指标的大小未表现出相同的变化规律,且差异不显著(P＞0.05).(2)两种植被类型凋落物半分解和未分解层的C含量及C/N值均表现为芒萁类显著高于禾草类(P＜0.05),而N含量则表现为禾草类显著高于芒萁类(P＜0.05);同一植被类型的未分解层C含量及C/N值均显著大于半分解层,N含量则半分解层显著大于未分解层(P＜0.05).(3)0-10 cm土层两种类型凋落物C/N值和C含量均与土壤碳氮各指标呈显著负相关(P＜0.05),N含量与土壤碳氮各指标的相关性不显著(P＞0.05);10-20 cm土层,芒萁类的半分解层C/N值与土壤碳氮各指标存在显著相关性(P＜0.05),禾草类的凋落物C含量与土壤碳氮各指标也存在显著相关性(P＜0.01).林下植被凋落物C/N值越小,其分解速率越快,有利于土壤养分的积累,禾草类凋落物C/N值低于芒萁类是导致其土壤碳氮指标高于芒萁类的重要原因.

以毛乌素沙地不同飞播年限杨柴(Hedysarum laeve)灌木林为研究对象,采用样方挖掘法分坡位获得不同深度的杨柴根系生物量和根茎数量,分析了不同飞播年限和不同坡位杨柴的根系分布特征.结果表明:随着飞播年限的增加,杨柴的重要值降低,油蒿(Artenisia ordosica)的重要值持续增加,杨柴有被油蒿取代的趋势,而草本层多样性指数均表现出增加的趋势;随着飞播年限的增加,杨柴根冠比逐渐降低,飞播13、29和37 a样地分别为3.24、1.87和1.32;杨柴的根系生物量和根茎数量均随着土壤深度和飞播年限的增加呈明显的下降趋势;同时,杨柴根系生物量和根茎数量随着坡位的下降呈现出增加的趋势,坡下显著高于坡上和坡中;杨柴根系绝大部分分布在0～40 cm,并且随着飞播年限的增加和坡位的下降,根茎分布更趋于表面化.

以不同营林处理措施(对照、除灌、采伐1(15％)、采伐2(70％)后不同时期(处理后2个月,2013年12月;处理后15个月,2014年12月)三峡库区马尾松飞播林为研究对象,采用磷脂脂肪酸分析法对其土壤微生物生物量、微生物群落结构进行测定,同时比较了不同处理土壤理化性质特征,结果表明:1)处理后1年,除丛枝菌根真菌外,除灌、采伐1和采伐2微生物群落各类群生物量以及总生物量与对照相比均呈现减少的趋势,而在处理后初期并无规律性变化;2)主成分分析表明(PCA)不同处理措施在实施后初期并未对微生物群落结构产生显著影响,而在处理后1年,除灌和采伐1、采伐2的微生物群落结构显著区别于对照,且与土壤微生物群落多样性相关的2个主成分分别解释变量变化的50.40％和26.70％;3)2013年真菌生物标记(20:1 w9c)与主成分1极显著相关,而在2014年与主成分1极显著相关的生物标记物变为革兰氏阴性细菌(16:1w7c);4)冗余度分析表明,土壤湿度、土壤温湿度比值、土壤微生物熵(微生物量碳(MBC)/土壤有机碳(SOC))是影响不同时期微生物群落结构的显著环境因子(P＜0.05).

细根(直径≤2 mm)是森林生态系统重要的碳库之一,其寿命短、代谢活性高,对外界环境变化十分敏感.了解不同营林措施对细根分解和养分释放的影响,对于合理开展森林经营管理具有重要意义.以三峡库区马尾松(Pinus massoniana)飞播林为对象,设置未择伐(NC)、除灌(SC)、伐除非马尾松(NPMC)和伐除优势马尾松(DPMC)等营林措施,在处理3年后,利用分解袋法研究不同营林措施对相同初始基质质量的马尾松细根分解和养分释放的影响.经过1年的分解,不同营林措施明显改变了土壤温湿度、土壤养分以及土壤微生物量碳氮,而对马尾松细根分解速率的影响不显著(P＞0.05),细根分解速率与各环境因子间均无显著相关性.在分解过程中,各营林措施的细根C残留率逐渐降低,表现为DPMC＞SC＞NC＞NPMC.N呈现先逐渐累积后释放的状态,P呈现释放-累积-释放的状态,且抚育择伐显著降低了P释放速率.短期来看,不同营林措施造成的林内环境因素变化不足以成为影响马尾松细根分解的主导因素,细根初始基质质量仍是影响细根分解的决定性因素.抚育择伐提高了细根C释放速率,降低了N和P元素的释放速率.

探讨不同抚育择伐方式下森林群落物种空间分布格局和关联性,对科学优化森林结构和促进森林稳定发展具有重要意义.以三峡库区马尾松飞播林为研究对象,采用未择伐、伐除优势马尾松、伐除非马尾松、除灌等处理方式建立固定监测样地,利用Ripley's L函数的空间点格局方法,分析抚育择伐3年后马尾松林的群落组成、空间分布格局、种间关联性的变化特征.结果 表明:1)不同抚育择伐措施均在一定程度上改变了物种组成以及部分树种的优势程度,降低了各样地乔木层物种多样性.2)未择伐主要树种空间分布格局以随机分布为主,伐除优势马尾松样地优势树种主要呈现聚集分布,伐除非马尾松改变了香椿和盐肤木等树种的分布格局,呈聚集分布,其他优势树种空间分布格局与对照样地相似;除灌进一步加剧林下更新树种的随机分布.3)未择伐样地主要树种空间关联性表现为正相关或不相关,伐除优势马尾松增加了主要树种间的负相关性,伐除非马尾松和除灌措施则增加了种间的不相关性.短期人为择伐干扰明显改变了林分空间结构和稳定性,择伐对象不同对林分结构产生的影响也不同.单纯调整某个树种或单个层次的结构来开展森林经营,不利于林分空间结构的整体优化,必须要综合考虑择伐强度和择伐对象的选择,将有助于实现森林结构优化和功能提升.

石漠化是我国西南喀斯特地区生态修复最严重的障碍,植被恢复是石漠化治理的重要途径.近50年来,我国开展了大量石漠化植被恢复的实践与研究,包括自然恢复与人工修复.但是,长期以来缺乏对已完成人工修复的植被的演替特征和修复效果的研究,而人工修复植被的效果评价能为石漠化生态修复提供理论依据与实践经验.以石林风景区中两类人工修复植被——栽植植被(PV)与飞播植被(ASV)为研究对象,以地带性自然植被(ZNV)为对照,研究人工修复植被中木本植物群落组成、群落多样性和种群生态位特征,以期揭示不同人工修复方式下的植被构成规律以及对有限资源的利用程度.结果 表明:(1)在地带性自然植被、栽植植被和飞播植被3种植被类型中分别记录到木本植物92种(45科80属)、138种(50科101属)与44种(26科37属),3种植被类型中的共有种12种.(2)3种植被类型的Patrick丰富度指数与Shannon-Wiener多样性指数排序均呈现为地带性自然植被＞栽植植被＞飞播植被(P＜0.01),栽植植被与地带性自然植被之间的Jaccard相似性指数为0.14,飞播植被与地带性自然植被之间的Jaccard相似性指数为0.12;(3)3种植被类型中任意两者之间的生态位宽度均存在较大差异,但是清香木(Pistacia weinmannifolia)在3种植被类型中生态位宽度排位均靠前,利用资源能力较强;(4)生态位重叠程度的排序为地带性自然植被＞飞播植被＞栽植植被.综上,与地带性自然植被相比,人工修复植被物种多样性较低,但是人工修复植被的优势种中乡土植物占89.33％,乡土植物生态位较广,生态位重叠值偏低,植被较为稳定.在人工修复植被中,栽植植被的修复效果优于飞播植被.研究结果对未来喀斯特石漠化地区进行人工植被修复的物种规划与群落构建时具有重要的参考价值.