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2016年  38卷  第4期

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特邀稿
摘要:
北方森林是地球上第2大生物群区,约占陆地森林面积的30%,提供了从局地到全球的生态系统服务功能。1850年以来,全球性持续升温不断显现,2000—2050年全球至少升高2 ℃,甚至更高。预计到2100年,北方森林区冬季平均温度将升高1.3~6.3 ℃。与此同时,几乎所有的北方森林生态系统功能都将会受到影响,尤其是近几十年来,该区域发生了很多与温度升高相关的潜在生态响应。本文从碳循环、生物多样性、干旱化和林火发生频率以及冻土变化等方面具体综述了北方森林生态系统对于全球气候变化的响应。响应结果如下:1)气候变化对于北方森林碳循环动态的影响是极其复杂的,迄今为止并没有达成共识, 分解对于温度的反应敏感程度至今仍存在很多不确定性。2)动物、植物和微生物(真菌)均对气候变化产生了一定的响应,表现为动物和植物的分布区进一步北移,但真菌的多样性和生产力响应机制尚无法确定。3)北方森林区随气候变化表现为进一步的干旱化和林火发生明显增加。4)北方森林区与冻土伴生,冻土随气候变暖表现出了面积缩小和活动层扩大的趋势。可见,北方森林对气候变化响应明显,尽管到目前为止有些响应机制尚不清楚,但变化趋势十分明显。本文旨在为北方森林的经营和管理提供基础数据和技术支持,实现北方森林的可持续经营。
林学
摘要:
氮沉降和降水减少耦合作用对我国北温带森林凋落物分解的影响还知之甚少,通过常规的凋落物分解袋法进行了对照(CK)、施氮(N, 50 kg/(hm·a))、降雨减少(RP,-30%)和降雨减少加施氮(RP+N)4个处理对长白山阔叶红松林主要树种叶凋落物分解和碳、氮元素动态影响的研究。结果表明:凋落物分解95%需要6.025~15.167年,椴树的分解速率最快,其次是蒙古栎,红松最慢,三者混合后分解率介于期间。分解系数结果显示:施氮能在一定程度上促进紫椴叶凋落物的分解, 施氮对红松凋落物和混合凋落物分解则表现出抑制作用, 降雨减少对分解表现为明显的抑制作用,干旱情况下施氮后4种凋落物的分解系数介乎氮沉降和降雨减少两者之间,说明氮沉降和降雨减少存在交互作用。总体看来,氮沉降对凋落物分解和氮元素含量有一定的影响,并且与分解阶段和凋落物种类有关,降水减少对凋落物分解和碳氮元素比值具有显著的抑制作用。
摘要:
土壤养分和水分的变化深刻影响着森林生态系统的碳分配,进而影响树木细根形态结构和生产量。本文以我国长白山阔叶红松林为研究对象,研究氮沉降增加(50 kg/(hm·a))和降雨量减少(30%穿透雨,约210 mm/a)情形下,细根形态结构和生产量的时空响应特征。结果表明,细根形态结构和生产量受多种因素(处理、取样时间、取样层次)的共同影响。施氮样地(N)显著降低了0~10 cm土壤层细根直径,从而增加了比根长, 减少降雨样地(D)细根根长密度增加了1.55~3.24倍,细根生产量增加了104 g/(m·a), 减少降雨同时施氮样地(DN)10~20 cm土壤层细根直径和生产量显著增加。因此,长白山阔叶红松林不同土壤层细根在氮和水分吸收功能上可能存在分化,氮沉降增加、降雨格局变化及其交互作用在不同程度上驱动着细根形态和生产量的时空变化。
摘要:
大气N沉降逐渐加强,可能会改变地下C循环和土壤C状态,促使细根结构及其化学组分发生变化。N沉降对细根动态和形态影响方面的研究较多,但对细根结构和组分的影响还没有系统的研究。于2012年5月,在大兴安岭北方森林统一立地条件下建立4个水平N肥处理,分别为对照(CK,0 g/(m· a))、低N处理(TL, 2.5 g/(m·a))、中N处理(TM, 5 g/(m·a))和高N处理(TH , 7.5 g/(m·a))。在2014年7月,植物生长季,利用挖掘法获取兴安落叶松完整根系,测定其1~5级细根在不同N沉降处理下皮层厚度、维管束直径、根系直径、维根比以及化学组分变化,旨在探讨不同水平N沉降对细根解剖结构和化学组分的影响。结果表明:落叶松细根直径、皮层厚度和维管束直径均随根序的增加而增加,而相同根序、不同水平N沉降处理之间细根直径、皮层厚度、维管束直径和维根比之间存在差异,不同直径等级根系化学组分差异显著。上述实验结果说明,N沉降可能通过影响细根直径、皮层厚度、维管束直径、维根比和化学组分来影响细根生理功能和活性,进而可能影响植物地上和地下C循环。
摘要:
以长白山阔叶红松林优势树种红松、蒙古栎、色木槭、水曲柳、紫椴的叶凋落物为研究对象,定量模拟加水、加氮、凋落物量对凋落物分解和土壤碳氮过程的影响。结果表明:加氮处理对凋落物分解没有显著影响, 凋落物量增多使分解率下降, 加水处理显著促进水曲柳凋落物的分解。培养结束后,凋落物的氮质量分数增加、碳质量分数和C/N降低,凋落物残体的δN值因凋落物种类、水氮处理的不同而不同,δC值下降, 土壤的碳、氮质量分数增加,δN值无显著变化,δC值和C/N下降。
摘要:
研究生物量分配是了解植物结构与功能的有效手段,对陆地森林生态系统碳循环研究起着重要作用。本文以吉林省蛟河林业实验区管理局天然次生混交林内12个优势树种为研究对象,探讨了各树种生物量器官(叶、枝、干、根)分配特征及其与个体大小的关系。结果表明:1)12个树种各器官的相对生长遵循异速生长理论,相对生长关系并不一致。枝与干(1.091~1.254)、枝与根(1.012~1.158)、根与干(1.015~1.202)以及地下与地上部分(0.991~1.070)近于等速生长,叶与枝(0.655~0.757)、叶与干(0.777~0.931)和叶与根(0.718~0.859)呈现为异速生长。2)12个树种各器官生物量分配遵循异速生长分配理论,叶、枝、干和根生物量分配比例的范围依次为1.80%~6.54%、13.87%~27.09%、51.12%~65.03%和15.76%~25.52%,各器官生物量分配比例的均值大小表现为:干(57.09%)>, 根(21.46%)>, 枝(18.59%)>, 叶(2.86%)。根茎比(R/S)范围为0.189~0.355,均值为0.279。3)各器官生物量分配比例以及R/S均与树种有关,不同树种各器官生物量分配比例以及树种间R/S存在显著差异(P<, 0.05), 除根生物量分配比例、R/S与个体大小无显著相关外(P>, 0.05),其他各器官分配比例均与个体大小呈显著相关关系(P<, 0.05)。具体表现为随个体增大,叶和干生物量分配比例显著降低、枝生物量分配比例显著增加(P<, 0.05)的趋势。研究表明:植物各器官在其生长过程中并非都是等速生长,异速生长广泛存在于各器官的生长过程中,同时各器官的生物量分配遵循异速生长分配理论。为了获得更多的空间和营养,植物在生长过程中遵循最优化分配理论,将更多的资源分配给有利于提高自身竞争力的器官,以达到具有更强竞争力和生产力的目的。
摘要:
以长白山地区3种不同林型土壤为研究对象,利用野外采样观测与室内模拟培养相结合的方式,研究积雪与冻融过程对土壤团聚体稳定性的影响。结果表明:1)冬季冻融过程使白桦成熟林土壤团聚体稳定性(MWD)出现显著下降(P<, 0.01),但并未显著影响白桦幼龄林和阔叶红松成熟林。冬季冻结及春季冻融过程都能显著影响团聚体MWD值(P<, 0.01), 2)提前雪盖能够防止土壤秋冬季冻融及冬季土壤结冻,并能够显著增加团聚体MWD值,但并不能防止春季融雪冻融阶段团聚体MWD值下降。3)土壤团聚体在冻融过程中受到不同冻融次数、不同林型以及不同含水率影响,差异显著。本文的研究结果表明,气候变暖、冬季降水格局变化这些全球变化因素能够影响到雪盖、土壤温度、湿度等因素,从而影响土壤团聚体稳定性。
摘要:
为分析不同采伐强度下土壤呼吸速率的差异及土壤温湿度对土壤呼吸速率的影响,于2013—2015年5—10月,在吉林省蛟河红松阔叶混交林地表无雪期间,使用LI-8100土壤CO2全自动通量测量仪器测量定不同采伐强度土壤呼吸速率及土深5 cm处温、湿度,采伐强度分别为:对照0%、轻度采伐15%、中度采伐25%、重度采伐50%。结果表明:采伐使土壤温度增加、土壤湿度降低。不同采伐强度处理样地的土壤呼吸速率值均显著大于对照样地,在研究的第1年与第2年,轻度采伐与重度采伐样地的土壤呼吸速率之间无显著差异(P>, 0.05),而中度采伐样地的土壤呼吸速率要显著高于轻度采伐处理和重度采伐处理的土壤呼吸速率(P<, 0.05)。在研究的第3年各采伐强度处理的土壤呼吸速率之间差异均不显著(P>, 0.05)。不同采伐强度样地的土壤呼吸与土壤温度之间均呈显著指数相关(P<, 0.001),但与土壤湿度之间相关关系不显著(P>, 0.05)。土壤温度和土壤湿度的双变量复合模型能够更好地解释土壤呼吸速率变化,决定系数R值为45%~74%。各采伐强度处理的土壤呼吸的温度敏感系数Q10值表现为中度采伐>, 重度采伐>, 轻度采伐=对照。在实践生产中,为减小采伐后林地土壤CO2的呼吸量,应采用低强度的采伐作业。
摘要:
森林土壤呼吸是全球碳循环的重要组成部分,其对降雨格局的变化如何响应,是当前全球变化研究中的热点问题。本研究以小兴安岭地区原始温带森林(云冷杉红松林)为研究对象,使用SF-3000土壤气体通量自动测量系统,对雨季不同时期4次强降雨前后的土壤呼吸速率、土壤呼吸的组分和相关环境因子进行了连续观测。结果表明:1)土壤温度和含水量协同影响土壤呼吸强度。降雨是影响甚至改变控制土壤呼吸(Rs)的关键环境因子,强降雨使土壤含水量激增,并对土壤温度也有不同程度的影响。雨季初期强降雨对Rs的扰动作用相对较小,雨季中期强降雨可抑制Rs,在雨季结束后强降雨可促进Rs。2)在雨季不同时期的强降雨均不同程度的影响了土壤异养呼吸(Rh)与土壤呼吸的比例(Rh/Rs),相对于土壤自养呼吸(Ra),短时极强降雨对Rh的抑制作用更强。3)加入水分修正系数c的Rs与T5、W5指数关系模型可更好的表征土壤含水量和土壤温度对土壤呼吸的影响,不同雨季时期的强降雨均对土壤的温度敏感系数(Q10)有着显著的影响。强降雨使得土壤对水分的敏感性降低,处于雨季不同时期的土壤水分敏感性表现为:在雨季的开始和结束后,土壤呼吸的水分敏感性较高,而雨季中期的水分敏感性较低。
摘要:
以鼎湖山马尾松林和季风林2个演替阶段的土壤为研究对象,采用室内恒温(25 ℃)培养,研究了葡萄糖和不同数量无机氮施入对土壤氨基糖(氨基葡萄糖、氨基半乳糖和胞壁酸)动态的影响,并利用氨基葡萄糖和胞壁酸的比值探讨了真菌和细菌残留物在碳氮固持过程中的相对贡献。结果表明:在整个培养期间,季风林土壤氨基糖总量显著高于马尾松林,尤其在培养初期,增幅远高于马尾松林, 在培养后期,马尾松林土壤氨基糖含量下降幅度高于季风林。底物添加对不同微生物来源的氨基糖单体含量的影响也有所差异,以胞壁酸为代表的细菌细胞壁残留物比真菌更易受到外源物质的影响,但真菌细胞壁残留物对土壤有机质的截获和稳定作用大于细菌。真菌、细菌残留物的积累和转化过程可以通过氨基葡萄糖和胞壁酸的比值反映,细菌在培养前期更容易利用外源物质,但随着培养时间的进行,真菌占据了主导地位。不同碳氮比的外源底物对氨基糖总量和各氨基糖单体含量的动态影响不显著。与马尾松林相比,处在演替顶级的季风林土壤易于利用活性底物,显著促进了碳氮的微生物固持和微生物残留物在土壤中的保留,这说明土壤氨基糖作为微生物残留物可以探讨土壤碳氮的耦合机制,对调节土壤碳氮的养分平衡具有重要意义。
摘要:
在张广才岭西部典型低山丘陵次生林区,按坡位、坡向差异对等设置36块样地,采集1 m深度剖面内不同发生层土样,研究了地形因子(坡位、坡向、坡度)对土壤有机碳含量、有机碳密度的影响,以及土壤有机碳与物理保护因子(黏粒、团聚体)的关系,并借助逐步回归分析量化各地形因子对土壤有机碳密度变异的相对贡献。结果表明,本地区土壤有机碳具有较大的空间变异性,土壤剖面的有机碳密度范围为8.9~31.3 kg/m。土壤有机碳的表聚特征明显,平均而言腐殖质层(A1层)集中了全剖面总有机碳的55.2%。坡位和坡向显著影响土壤有机碳的分布:下坡A1层有机碳密度是上坡的1.83倍,其1 m剖面有机碳密度是上坡的1.67倍, 阴坡A1层有机碳密度是阳坡的1.37倍,其1 m剖面有机碳密度是阳坡的1.17倍。坡度对上、下坡土壤有机碳含量和密度均无显著影响。排除坡位和坡积埋藏层等影响因子后,土壤有机碳含量、有机碳密度与黏粒、团聚体均无显著相关性,因此黏粒保护和团聚体保护并非土壤有机碳积累的控制因子。逐步回归显示,坡位是土壤有机碳数量分异的主控因子,可独立解释A1层有机碳密度空间变异的57.4%与1 m剖面有机碳空间变异的63.2%, 下层土壤埋藏层则是主控因子,可独立解释沉积层(B层)有机碳密度空间变异的63.4%, 黏粒和团聚体作为公认的土壤有机碳物理保护因子,却因贡献较小而在逐步回归过程中被剔除。研究结果可为区域森林土壤碳储量准确估算和碳汇林立地选择提供参考。
摘要:
球囊霉素相关土壤蛋白(GRSP)是由丛枝菌根真菌产生的一种不易溶于水的糖蛋白,对GRSP化学结构特征认知的匮乏,很大程度上限制了GRSP的生态学地位及其应用前景。本文选取东北林业大学实验林场5种林分及其毗邻农田为研究对象,通过多种技术手段,来揭示GRSP的特征及其在不同林型和农田中的差异。研究发现GRSP含有O—H和N—H伸缩振动带、C—H伸缩振动带、CO和COO—伸缩振动带、COO—伸缩振动带和C—H 弯曲收缩带、C—O和Si—O—Si伸缩振动带5种官能团。紫外吸收峰位置在225~248 nm之间,OD值在0.9~2.0之间。X射线衍射结果显示GRSP含有石英、蒙脱石、伊利石、斜长石、伊利石蒙脱石混层和未知的a物质及b物质等多种矿物质,相对结晶度均较低,平均晶粒尺寸分别为25.83、17.93、14.50、21.45、28.45、28.10和17.40 nm。此外,通过X光电子能谱发现GRSP含有C1s、Al2p、O1s、Si2p、P2p、Ca2p、K2p、N1s、Fe2p、Mg1s和Na1s 11种元素,平均所占百分比为28.9%、7.0%、43.4%、9.8%、0.4%、1.0%、0.6%、1.4%、2.1%、0.7%和7.8%。GRSP的化学特征在不同林型及农田中也存在着一定的差异,其中官能团差异最大的是蒙古栎和白桦林的C—H伸缩振动带(5.5倍),差异最小的是水曲柳和白桦林的O—H和N—H伸缩振动带(1.3倍),胡桃楸林GRSP的OD值最大。GRSP矿物质种类也有所不同,其中只有水曲柳和蒙古栎林中包含斜长石、伊利石蒙脱石混层、a物质、b物质,其余矿物质在所有林型和农田的GRSP中均有发现。石英的晶粒尺寸差异最大,达到5.2倍,最小的为斜长石仅相差17%。落叶松林中的蒙脱石相对结晶度是水曲柳林的5.1倍,而b物质在水曲柳林和蒙古栎林中的相对结晶度仅相差4%。同样,C1s、O1s、Si2p、N1s和Na1s等元素在所有林型和农田中都可被检测到,其中GRSP各元素在不同林型及农田中的差异在1.1~31.6倍之间。我们的研究结果显示不同植被类型中GRSP组成特征可能具有很大的差异,同时GRSP中含有不同土壤矿物说明土壤组成对GRSP也有一定影响,本文对GRSP的化学结构特征的客观揭示,有助于探索GRSP对农田及森林土壤生态功能影响方面的深层机制。
综合述评
摘要:
凋落物-土壤界面连续体是森林生态系统的最重要部分,也是氮素生物地球化学循环最活跃的场所。土壤氮元素的生物地球化学循环广义上可分为转运和转化2个环节,真菌和细菌分别在这2个环节上扮演重要角色。降雨、氮沉降和温度等变化能够改变森林生态系统的氮生物地球化学循环过程,在全球变化加剧背景下,深入了解凋落物-土壤界面连续体内氮的转运和转化过程和机制尤为重要。本文综述了凋落物-土壤界面连续体的研究现状,通过应用N示踪、分子生物学测序和N-DNA-SIP分子探针技术,研究氮转运和转化的微生物群落及其过程的可行性,并提出今后森林生态系统凋落物-土壤界面连续体的氮循环模式,强调了真菌的转运和细菌的转化过程在氮固持中的贡献,有助于森林生态系统氮固持力和机制系统认知,为开展温带森林生态系统管理和氮排放控制提供了思路。
摘要:
植物根系分解是驱动陆地生态系统碳和养分循环的关键过程之一。直径小于2 mm的根是一个复杂的异质性细根系统。位于细根系统末端的低级根(如1~3级根)或直径较小的细根(如直径小于0.5 mm的细根),执行水分和养分吸收功能,其周转迅速(0.5~2.5次/a),是植物根系向土壤输入碳和养分的主要途径。近年来对细根分解的研究表明,在细根系统中,低级根的分解速率显著慢于高级根(如3级以上的根)或直径较大的细根(如直径大于0.5 mm的细根),执行输导和储藏功能。本文综述了影响细根异速分解的3个可能途径:菌根、碳质量和氮含量,旨在增强研究者对全球变化下细根功能属性(如细根直径)如何影响生态系统碳和养分循环的理解。