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2016年  38卷  第3期

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林学
元江干热河谷太阳辐射各分量及反照率变化特征
费学海, 张一平, 宋清海, 李培广, 刘运通, 金艳强, 李敬,
林友兴
,
张树斌
2016, 38(3): 1-10. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150360
摘要:
为了探讨干热河谷太阳辐射的特征,本文利用元江干热河谷稀树灌草丛通量塔上连续2年(2013年5月至2015年4月)辐射数据,对元江干热河谷稀树灌草丛植被林冠上太阳辐射(总辐射(Q)、反射辐射(Qα)、有效辐射(I)、净辐射(Rn))的日变化、季节和年变化特征进行分析,探讨了反照率(α)和I变化特征及其原因。结果表明: 该区域Q、Qα、I、Rn的年均辐射值分别为6 210.2、807.9、1 822.9、3 578.7 MJ/(m2·a)。雨季各辐射总量占年总量比例分别为52.9%、56.3%、39.1%、59.2%,除雨季I占全年的比例小于干季外,其他3个辐射分量占全年的比例均是干季雨季。α由于受雨季叶面积指数(LAI)增大和林冠郁闭度增加的影响,其季节变化特征表现为干季雨季,这是生态系统为缓解该区域尖锐的水热矛盾而长期进化的结果。Qα、I和Rn年分配率分别为13.0%、29.8%、56.9%,其中Qα和Rn分配率的季节变化均表现为干季雨季,而I的分配率特征与Qα和Rn的相反。干季I分配率的增加降低了地面和林冠温度,减少了生态系统水分流失,削弱了研究区域干季时水分的胁迫效应,避免了森林植被因水力结构破坏而引发的碳饥饿所导致的死亡,有利于元江干热河谷稀树灌草丛植被在干季生存和维持该生态系统平衡。由于元江干热河谷Q和Rn都较大且该地区降雨少,故人类活动及气候变化更容易影响该地区的生态系统平衡。
缙云山典型树种树干液流日际变化特征及与气象因子关系
张璇, 张会兰, 王玉杰, 王云琦, 刘春霞, 杨坪坪, 潘声雷
2016, 38(3): 11-20. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150389
摘要:
运用Granier热扩散探针方法,于2012—2015年8—9月对重庆缙云山自然保护区内3个典型优势木(杉木、马尾松、四川山矾)的树干液流进行测定,并运用微型气象站同步监测太阳辐射(ES)、大气温度(T)、大气相对湿度(RH)、风速(W)、饱和水汽压差(VPD)等气象因子及土壤含水量(SWC),分析3个树种的树干液流在日尺度及典型天气条件(晴、阴、雨)下的差异和特征及其与气象因子的关系。结果表明:树种间导水能力差异表现为四川山矾>马尾松>杉木,阔叶树种蒸腾速率高于针叶树种;3个树种树干液流日变化规律均呈现“昼高夜低”的单峰走势;液流启动时间和达到峰值时间均为山矾最早,杉木最晚;典型天气条件下3个树种液流量均呈现晴天>阴天>雨天,与晴天液流量相比较,阴、雨天液流量减少幅度为41%至86%;白天树干液流贡献率表现为晴天(94.74%~98.04%)>阴天(93.63%~96.71%)>雨天(81.43%~85.43%),夜晚树干液流贡献率表现为雨天(14.57%~18.27%)>晴天(3.29%~6.37%)>阴天(1.96%~5.26%);导致雨天夜间液流贡献率最大的因子为SWC;影响3个树种树干液流的主要气象因子为ES和VPD;T、RH、W对3个树种的影响程度都很小,且略有不同。气象因子与杉木、马尾松、四川山矾的树干液流多元回归方程决定系数分别为0.873、0.873、0.903。
氮添加对典型阔叶红松林凋落叶分解及养分释放的影响
毛宏蕊, 陈金玲, 金光泽
2016, 38(3): 21-31. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150139
摘要:
为探索氮添加对原始阔叶红松林凋落叶分解及养分动态的影响,以红松、枫桦、水曲柳及3个树种混合凋落叶为研究对象,采用凋落物袋法,进行了2年的分解试验。施N水平分别为N0(0 kg/(hm2·a))、N1(30 kg/(hm2·a))、N2(60 kg/(hm2·a))和N3(120 kg/(hm2·a))。结果表明:施N对混合凋落叶分解影响显著(P0.05)。凋落叶质量残留率与其基质N含量呈显著负相关,与碳含量及C/N比均为显著正相关。施N促进凋落叶N含量升高,凋落叶P含量受时间和N处理交互作用影响显著。施N促进水曲柳凋落叶N、P释放,抑制红松、枫桦和混合凋落叶N、P释放。N3处理抑制红松凋落叶C释放,促进水曲柳凋落叶C释放,N1处理促进水曲柳与混合凋落叶C释放。说明N处理能够调节养分释放模式,并对森林生态系统C及养分循环有显著调控作用。
北美枫香雄花和花序轴诱导体细胞胚胎发生
王晓琪, 胥明, 赵健, 张炎, 周晨, 刘学增, 郭会芳, 张金凤
2016, 38(3): 32-37. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150197
摘要:
北美枫香是适应性强、生长速度快、秋叶红艳美丽的园林绿化树种。为了提高其繁殖效率,以北美枫香雄花和花序轴为外植体,采用完全随机区组设计,研究外植体类型,基因型,TDZ浓度对北美枫香愈伤组织的诱导、体胚分化和萌发的影响。结果表明:雄花作为外植体,合适的诱导培养基为改良Blaydes培养基+TDZ 0.15 mg/L+水解酪蛋白1 g/L+蔗糖40 g/L+3% 植物凝胶;花序轴作为外植体,合适的诱导培养基为改良Blaydes培养基+TDZ 0.01 mg/L+水解酪蛋白1 g/L+蔗糖40 g/L+3% 植物凝胶。合适的萌发培养基为不含水解酪蛋白的基本培养基。如果出现球形胚,将培养物转接到不含任何生长调节剂的改良Blaydes培养基上,体胚经成熟可进一步形成完整小植株。该体胚体系的建成将显著提高北美枫香的繁殖效率。
红皮云杉球果原花青素在液体状态下稳定性
赵玉红, 孙瑶, 王振宇
2016, 38(3): 38-46. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150265
摘要:
以红皮云杉球果为研究对象,以原花青素残留率为指标衡量含量变化情况,研究在不同的pH值、温度、浓度条件下原花青素稳定性及降解动力学。结果表明,原花青素稳定性随温度和pH值的升高而降低,低温与酸性条件下更适宜原花青素储存;原花青素浓度为4 mg/mL时残留率最高,降解反应遵循一级反应动力学,反应活化能Ea<33 kJ/mol,降解速率较大。仅在低浓度(2 mg/mL)、低pH值(pH 3.0)时添加剂1%蔗糖可起到延缓反应速率,提高原花青素稳定性的作用。原花青素在无添加剂条件下反应活化能Ea值均小于42 kJ/mol,可说明此条件下的反应速率非常大,极易发生降解反应。而在2 mg/mL、pH 3.0时蔗糖,活化能Ea值提高19%,降解反应速率降低,说明添加剂的加入显著增强了原花青素稳定性,且在添加蔗糖后,半衰期明显增加。原花青素在2 mg/mL,pH 3.0,4 ℃条件下,降解速率较慢,反应所需活化能较大,半衰期较长,有利于原花青素的贮藏稳定性。加入蔗糖可以在某种条件下提高原花青素稳定性,因为加入蔗糖等糖类物质,原花青素与蔗糖能够结合形成大分子物质,使得原花青素稳定性增强。
山西油松第二代种子园亲本选择与配置设计
袁虎威, 梁胜发, 符学军, 钮世辉, 李伟, 李悦
2016, 38(3): 47-54. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150370
摘要:
山西油松种子园正处于从初级向高世代发展的关键时期。本文以山西省吕梁山国有林管理局上庄油松初级种子园优树自由授粉子代测定林为研究对象,系统研究了第二代种子园建设中的优良家系选择、优良家系内单株选择、SSR亲缘分析、SSR遗传多样性分析、配置设计等问题。结果表明,子代测定林内家系间的材积生长存在显著差异,在77个测定家系中选出20个优良家系。按照单株材积优势比的相对大小从油松种子园自由授粉子代测定林的20个优良家系中各选出1个最优单株,优良单株的平均材积优势比和平均材积遗传增益分别为0.25和0.13。优良单株间亲缘分析结果表明,20个单株间存在不同程度的亲缘关系,其中3号单株与其余19个单株间的亲缘关系最远;15和17号单株间的亲缘关系最近。优良单株间遗传多样性分析结果表明,单株间的遗传多样性水平较高,其多态信息含量(PIC)的平均值为0.532 4;由单株构成的群体处于相对平衡状态,其杂合度(H)、期望杂合度(He)和固定指数(F)的平均值分别为0.595 5、0.570 3和-0.018 4。根据亲缘分析结果,第二代种子园采用不平衡、不完全固定区组设计的配置方式,考虑无性系间亲缘关系的同时提高了最优无性系出现的比例,实现了材积遗传增益的有效提高。研究结果为指导山西第二代种子园建设提供了重要理论依据,为推进分子标记在油松遗传改良中的应用提供了重要思路。
基于冠幅的杉木人工林胸径和树高参数化预估模型
董晨, 吴保国, 张瀚
2016, 38(3): 55-63. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150129
摘要:
为了研究杉木生长与形态变量的关系,提高模型预估精度,本文根据福建省65块不同密度、林龄分布于6~35年的杉木人工林样地测量数据,选用了Richards理论方程,分别构建了杉木胸径和树高生长模型。在此基础上,分析理论方程中参数与冠幅(CW)的关系,建立两者间的关系函数;使用参数预估法构造胸径和树高的参数化预估模型,并对原模型和参数化模型进行模型检验、残差分析,讨论了冠幅与林木生长之间的关系。结果表明:胸径和树高Richards方程中,参数a与CW呈正比,参数b与CW呈反比,c则与CW呈现出类似正态分布的关系;与传统的理论方程相比,参数化模型提高了杉木胸径树高预估的精度。本文所构建的模型能间接反映林分因子的状态,同时对于分析林木竞争、光合作用、模拟林木三维可视化等方面也提供了一种模式。
基于多源数据的根河实验区生物量反演研究
李春梅, 张王菲, 李增元, 陈尔学, 田昕
2016, 38(3): 64-72. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150209
摘要:
森林是陆地生态系统的重要组成部分,精确估测森林地上生物量能够减少陆地生态系统碳储量的不确定性。本文以内蒙古大兴安岭根河实验区为研究区,基于森林样地调查数据、Landsat 8 OLI、机载P-波段PolSAR以及ASTER GDEM数据,分别采用多元线性逐步回归法和基于随机森林算法(Random Forest, RF)进行特征优化选择后的k-最近邻(k-nearest neighbors, k-NN)法对研究区森林地上生物量(above-ground biomass, AGB)进行估测,对比验证采用不同类型数据(单传感器数据和多传感器数据)时2种方法的反演结果来寻求森林AGB估测的最优方法和输入因子,最后利用最优的估测方法来反演整个研究区的森林AGB,生成根河实验区的森林AGB等级分布图。结果表明:对于多元线性逐步回归和k-NN 2种不同的方法,森林AGB的反演都表现出较为一致的结果,即采用多传感器遥感数据(Landsat 8 OLI和机载P-波段PolSAR数据)比采用单传感器遥感数据估算的森林AGB精度要高;而在同时采用多传感器遥感数据进行森林AGB的反演中,k-NN算法的估测结果(R2=0.65, RMSE=17.49 t/hm2)明显优于多元线性逐步回归算法(R2=0.36, RMSE=22.08 t/hm2)的估测结果。显然,多源数据协同反演森林AGB可以充分利用每种传感器的优点,提高遥感估测森林AGB的能力;与多元逐步回归方法相比,k-NN算法能够更多地考虑到森林参数同光谱值之间的非线性依赖关系,且能够避免发生过学习现象和样本不平衡问题。
秦岭火地塘林区3种土地利用类型的土壤潜在水源涵养功能评价
刘宇, 郭建斌, 邓秀秀, 刘泽彬
2016, 38(3): 73-80. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150372
摘要:
为了研究秦岭火地塘林区松栎混交林土壤的潜在水源涵养功能,以荒草地和农用地2种土地利用类型作为对照,于2011年5月在3种土地利用类型的样地上挖掘土壤剖面,并对其土壤物理性质和蓄水、入渗能力进行了分析,最后运用坐标综合评定法首次对该地区3种土地利用类型的土壤潜在水源涵养能力进行定量评价。结果表明:3种土地利用类型的土壤密度由大到小为荒草地(1.25 g/cm3)>农用地(1.22 g/cm3)>松栎混交林地(0.82 g/cm3),土壤总孔隙度由大到小为松栎混交林地(87.40%)>荒草地(45.87%)>农用地(38.95%);松栎混交林地土壤的蓄水性能和渗透性能最好,农用地最差。运用坐标综合评定法对3种土地利用类型进行评价,结果表明:松栎混交林地土壤的潜在水源涵养功能最佳(0.00),农用地土壤的潜在水源涵养功能最差(1.10),建议在该地区继续实施退耕还林以提高土壤的水源涵养能力。本研究为认识和综合评价火地塘林区松栎混交林的生态服务功能积累了基础资料,从而为南水北调中线工程的水源保障措施提供了一定的理论基础。
聚丙稀酰胺高吸附树脂与重金属离子的相互作用
王晓佳, 王百田, 李德宁, 曹远博
2016, 38(3): 81-88. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150362
摘要:
为探究高吸附树脂对重金属离子的吸附能力,用聚丙烯酰胺高吸附树脂对Cu(NO3)2、Pb(NO3)2标准溶液进行吸附,研究高吸附树脂与Cu2+、Pb2+的相互作用关系。结果表明:高吸附树脂吸水倍率随Cu2+、Pb2+浓度增大而显著减小,两者之间存在显著幂函数关系。离子吸附量随Cu2+、Pb2+浓度增大而显著增大,吸附平衡时Cu2+、Pb2+的最大吸附量分别为131.72、242.68 mg/g,高吸附树脂吸附过程符合Freundlich等温吸附方程。高吸附树脂对Cu2+、Pb2+的吸附量随时间增加而增大,吸附速率逐渐减小,吸附动力学可用准二级动力学方程描述。相同质量浓度下,高吸附树脂对Pb2+的吸附量和吸附速率均大于Cu2+。吸水凝胶在去离子水中和硝酸溶液中解吸很快,大约1 h后达到平衡,高吸附树脂在去离子水中解吸率不高,但在1 mol/L HNO3溶液中Cu2+、Pb2+解吸率均大于85%。高吸附树脂3次重复吸附后,Cu2+、Pb2+平衡吸附量分别为第1次吸附量的75.36%和78.12%,重复吸附性能良好。研究结果可为高吸附树脂应用于含有重金属的污水处理和土壤修复提供参考。
林业工程
基于小波压缩的木材密度近红外光谱的预处理研究
李耀翔, 李颖, 姜立春
2016, 38(3): 89-94. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150299
摘要:
近红外光谱数据维数多、数据量大,直接保存需要庞大储存空间,且海量数据会对网络化在线检测的分析速度和准确性产生影响。为探讨应用小波压缩进行近红外光谱预处理的可行性及其对枫桦木材密度预测精度的影响,通过强光探头采集木材圆盘的近红外光谱,在Matlab软件中应用小波变换法对枫桦木材密度近红外光谱数据进行压缩。结果表明:当小波基sym2分解层为6时,基于均衡稀疏标准形式的全局硬阈值压缩效果最好,将2 151个变量压缩成38个小波系数,其能量保留成分、零系数成分、压缩比分别为99.66%、98.34%、56.61%。用未处理光谱数据和压缩后的38个小波系数分别建立偏最小二乘定标分析模型,同时做内部交叉验证,并用未处理和压缩后的预测集做外部检验,得知压缩后校正模型对压缩后样品预测能力较好,预测决定系数为0.913 9。因此,小波压缩可有效简化近红外光谱数据,提高近红外光谱对枫桦木材密度的预测精度。
碳酸钙原位改性植物纤维及其复合材料性能表征
王翠翠, 张双保, 羡瑜, 王丹丹, 高洁, 程海涛
2016, 38(3): 95-101. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150297
摘要:
为研究原位沉积对竹、杉木、黄麻3种植物纤维的表面改性效果,采用平压工艺制备了植物纤维增强聚丙烯复合材料,并通过SEM、原子力学显微镜、光学纤维接触角测量仪等方法分别表征了植物纤维的表面形貌、表面粗糙度、静态接触角、拉伸性能以及复合材料的断口形貌和力学性能。结果表明:CaCO3原位沉积改性对单根植物纤维的表面性能有显著影响,不仅提高了单根植物纤维的拉伸性能,还改善了植物纤维增强热塑性聚合物的界面性能,增强了复合材料的界面强度。原位沉积改性后,3种植物纤维表面均有CaCO3附着,杉木纤维的CaCO3上载量最高,达16.08%;竹纤维最低,为6.96%。改性竹纤维的表面粗糙度Rq值降低了32.95%,静态接触角增加了1.85%;改性杉木纤维的Rq值和静态接触角分别增加了42.51%、3.12%;改性黄麻纤维的Rq值增加了62.77%,静态接触角降低了0.4%。单根改性植物纤维的拉伸性能均有所提高,相同CaCO3原位沉积改性条件下,改性竹纤维的拉伸强度和弹性模量最大,分别为1 134.83 MPa、37.25 GPa。断口形貌SEM图中,改性植物纤维与聚丙烯结合紧密,复合材料的断裂主要以改性植物纤维的断裂为主,表明复合材料的界面性质得到改善。改性植物纤维增强聚丙烯复合材料的拉伸性能得到提高,而且其弹性模量的变化趋势与改性植物纤维CaCO3附着量的变化趋势一致。改性杉木纤维增强聚丙烯复合材料弹性模量最大,为2.28 GPa;改性竹纤维增强聚丙烯复合材料拉伸强度最大,为54.04 MPa。
基于计算机视觉的实木表面智能化分选系统设计
李超, 吕宪伟, 涂文俊, 张怡卓
2016, 38(3): 102-109. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150294
摘要:
设计一种集实木传送、图像定位与采集、实木板材表面识别与分选的智能系统,系统通过传送带运送实木板材,CCD摄像头获取板材图像,在触摸屏工控机TPC700-9190T上应用MFC与OpenCV编写分选程序对板材图像进行分析,识别结果通过STM32单片机控制电磁阀完成实木板材的分类。在图像定位与识别算法中,采用积分投影算法确定板材边界,动态采集板材表面图像;在颜色分类方面,利用L*a*b*空间颜色分量的均值、方差和斜度3个低阶矩表达颜色;在缺陷检测方面,提出了基于纹理填充的缺陷分割方法,通过获取纹理掩膜图像,然后利用板材背景颜色淡化纹理,最后应用加权阈值法完成缺陷分割,分割后计算缺陷面积、边缘灰度均值、内部灰度均值和长宽比等特征表达缺陷信息;在纹理识别方面,提出了基于Contourlet变换的纹理特征提取方法,通过对纹理图像进行Contourlet变换3层分解,得到1个低频子带、6个中频子带和8个高频子带,分别计算低频和中频系数矩阵的均值和方差,并与高频系数矩阵的能量组成22个特征表达纹理信息;最后设计SVM分类器,分别对颜色、缺陷和纹理进行识别。采用300个柞木样本进行实验,板材传送速度在小于1.5 m/s范围内,颜色识别准确率为100%;活节、死结和裂纹识别准确率分别为92.2%、95.6%和93.3%;直纹、弯纹识别准确率分别为93.9%、92.8%。实验结果表明,分选系统具有实时、高效、准确的特点。
基于多特征融合和深度信念网络的植物叶片识别
刘念, 阚江明
2016, 38(3): 110-119. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150267
摘要:
基于叶片数字图像的植物识别是自动植物分类研究的热点。但是随着植物种类的增加,传统的分类方法由于提取的特征比较单一或者分类器结构过于简单,导致叶片识别率较低。为此,本文提出使用纹理特征结合形状特征进行识别,并且使用深度信念网络构架作为分类器。纹理特征通过局部二值模式、Gabor滤波和灰度共生矩阵方法得到。而形状特征向量由Hu氏不变量和傅里叶描述子组成。为了避免过拟合现象,使用“dropout”方法训练深度信念网络。这种基于多特征融合的深度信念网络的植物识别方法,在Flavia数据库中,对32种叶片的识别率为99.37%;在ICL数据库中,对220种叶片的识别率为93.939%。这表明相比一般的叶片识别方法,此方法鲁棒性更强,并且识别率更高。
研究方法
对香豆酰辅酶A酯生物合成及纯化方法
潘琛, 任百光, 盖颖
2016, 38(3): 120-124. doi: 10.13332/j.1000-1522.20150366
摘要:
木质素是绿色植物生长发育所需的重要化合物之一。肉桂酰辅酶A还原酶(CCR)是在木质素合成过程中,催化苯丙烷类合成途径第1步的关键酶。本文以其底物之一——对香豆酰辅酶A酯为例,以现有的辅酶A酯合成纯化的文献报道为参考,介绍经过整合改进并不断试验而得到的CCR底物的合成与纯化方法。从大肠杆菌中提取出来的重组酶4-香豆酸辅酶A连接酶(4CL)用于合成CCR底物,这比从植物组织中提取更易获得。提纯后的4CL可以在-80 ℃下保存3、4个月。4CL反应后的产物在2个不同梯度下通过C18反相柱进一步纯化,并用高效液相色谱仪监测。在整个纯化过程中,所有用于装载对香豆酸和对香豆酰辅酶A酯的容器都用锡箔纸完全包裹起来。最后提纯出来的产物用质谱和核磁共振检测。检测的结果表明,提纯出来的辅酶A酯单一性非常好。