西南高山亚高山不同演替阶段退化森林生态系统的恢复重建

介绍"十三五"国家重点研发计划项目"西南高山亚高山退化森林生态系统恢复重建技术研究"的主要研究内容、技术路线和取得的进展,展望西南高山亚高山退化森林生态系统恢复未来的研究重点.该项目针对西南高山亚高山退化森林迹地恢复困难、次生灌丛演替缓慢、低效林结构不合理以及生态功能低下等主要问题,从森林恢复演替不同阶段的角度,研发了...     

川西亚高山森林不同演替阶段植物凋落物添加对白桦幼苗生长的影响

凋落物分解释放的化学成分会对植物生长产生促进或抑制作用.以往研究主要关注同一植物群落中的凋落物对幼苗更新的影响,不同演替阶段(草地、灌丛、针阔混交林、针叶林)植物物种能与先锋树种短期共存,为了解其产生的凋落物对先锋树种生长的影响研究,选择川西亚高山森林各演替阶段4种代表性植物凋落物进行凋落物添加盆栽模拟实验,研究凋落物...     

长白山森林不同演替阶段土壤微生物群落结构

森林生态系统是陆地生态系统中最为重要的类型之一,土壤微生物是森林生态系统的主要调节者。随着森林演替的正向进行,地上植物类型和多样性的改变会造成土壤微生物群落结构组成的差别。为了深入探究长白山森林不同演替阶段的土壤生物学特性,为长白山地区森林资源的可持续发展提供理论数据,本研究选取长白山年龄为30年、70年、300年的森林样地,分析了长白山森林不同演替阶段土壤理化性质和微生物群落水平上的演变规律。结果表明,不同演替阶段土壤微生物群落结构存在差异,70年与30年和300年相比具有明显的变化,70年的土壤微生物总PLFAs含量以及多样性均显著高于300年,且土壤微生物群落结构受到土壤pH和土壤养分含量的显著影响。     

川西亚高山针叶林次生演替对土壤持水量的影响

次生演替己成为川西亚高山针叶林迹地上的主要演替方式之一.选择川西米亚罗林区现有次生演替序列草地、灌丛、次生桦木林、原始针叶林为对象,研究川西亚高山森林采伐迹地次生演替过程中土壤物理性质以及持水性能的变化规律.结果显示,草地、灌丛和次生桦木林与原始针叶林相比,土壤容重差异性显著,分别增加了52.17％、44.93％、17...     

川西亚高山不同森林类型土壤酶活性对短期凋落物输入量变化的响应

凋落物输入是生态系统物质循环和能量流动的重要环节,在维持亚高山森林的"自肥"机制及生态系统结构和功能等方面具有不可替代的作用.为进一步了解川西亚高山森林土壤物质循环过程,以该地区典型森林为对象,通过进行凋落物输入控制试验,研究3种森林类型(阔叶林、针阔混交林和针叶林)不同时期(添加时间)凋落物输入变化对土壤碳(C)、氮...     

土壤碳矿化对西双版纳热带森林恢复演替的响应

为探明土壤有机碳矿化对热带森林恢复演替的响应,以西双版纳热带森林不同恢复阶段(白背桐Mallotus paniculatus群落、崖豆藤Mellettia leptobotrya群落、高檐蒲桃Syzygium oblatum群落)为对象,采用室内培养法研究不同恢复阶段热带森林土壤有机碳矿化的时空动态特征,结合方差分析、相关分析及主成分分析,探讨热带森林恢复过程中土壤微生物及理化性质变化对有机碳矿化速率的影响。结果表明:恢复阶段、季节和土层对土壤碳矿化速率具有显著影响,且三者间存在显著的交互效应;热带森林恢复显著影响土壤有机碳矿化(P0.01),土壤有机碳矿化速率大小顺序为:高檐蒲桃群落(19.09mg·kg~(-1)·d~(-1))崖豆藤群落(16.93 mg·kg~(-1)·d~(-1))白背桐群落(15.35 mg·kg~(-1)·d~(-1));不同恢复阶段热带森林土壤有机碳矿化速率月份变化趋势基本一致,均表现为6月9月3月12月;不同恢复阶段热带森林土壤有机碳矿化速率均沿土层呈逐渐降低的变化趋势;热带森林恢复过程中土壤微生物生物量碳与易氧化有机碳的变化是影响土壤碳矿化的主控因子,而土壤有机质、全氮、水解氮、铵氮、硝氮对土壤有机碳矿化的贡献次之。西双版纳热带森林恢复演替主要通过影响土壤微生物生物量碳及土壤易氧化有机碳的含量而调控有机碳矿化的时空动态。     

不同演替阶段下球囊霉素相关土壤蛋白对团聚体稳定性的影响

团聚体是土壤结构的基础单元,球囊霉素能粘结细小土壤颗粒形成稳定大团聚体,被誉为"超级胶水".为了解植被恢复过程中球囊霉素相关土壤蛋白(GRSP)对团聚体的影响,选取不同演替阶段(裸地、草地、灌木林、乔木林、乔灌混合林)的土壤为研究对象,分析了球囊霉素相关土壤蛋白组分、土壤有机碳(SOC)和团聚体稳定性在不同土壤深度(0...     

黄河三角洲不同演替阶段湿地土壤线虫的群落特征

对黄河三角洲不同演替阶段湿地土壤线虫的群落特征进行了研究.结果表明:不同演替阶段湿地土壤线虫总数为白茅群落>柽柳群落>翅碱蓬群落>光板地.土壤线虫呈明显的表聚性,除光板地外,其他3种群落土壤线虫总数表层与下层差异极显著.土壤线虫总数在0～10 cm和10～20 cm的土层最大值都出现在白茅群落,最小值都出现在光板地,其中白茅群落与柽柳群落、翅碱蓬群落、光板地之间差异极显著,柽柳群落、翅碱蓬群落、光板地之间差异不显著.植物寄生线虫为优势类群,其数量与土壤线虫总数变化表现出相同的规律.食细菌线虫和捕食-杂食线虫数量在0～10 cm土层依次为白茅群落>柽柳群落>翅碱蓬群落>光板地;食细菌线虫数量在10～20 cm土层为柽柳群落>翅碱蓬群落>白茅群落>光板地,捕食-杂食线虫个体密度较低.食真菌线虫的个体密度在各类型各土层湿地中都很低.土壤线虫多样性依次为白茅群落>柽柳群落>翅碱蓬群落>光板地.     

鼎湖山不同演替阶段森林土壤pH值和土壤微生物量碳氮对模拟酸雨的响应

开展酸雨增加对森林土壤酸化和土壤微生物活性的影响,可以为正确评估森林生态系统碳氮过程及其对全球气候变化的响应提供依据。以鼎湖山处于不同演替阶段的3种森林类型(马尾松Pinus massoniana)针叶林、针阔叶混交林和季风常绿阔叶林)为研究对象,从2009年6月开始,在自然林里喷施4个不同处理水平的模拟酸雨,即CK(p H=4.5左右的天然湖水)、T1(p H=4.0)、T2(p H=3.5)和T3(p H=3.0);2009年12月─2013年3月对模拟酸雨下土壤p H值和土壤微生物量碳、氮含量进行长期观测研究。重复测量方差分析表明,观测周期内,模拟酸雨没有显著影响松林的土壤p H值和土壤微生物量碳、氮含量,但却显著地降低了阔叶林的这3个指标(P0.05),而对混交林的降低程度也接近显著。具体表现为:与CK处理相比,松林、混交林和阔叶林表层土壤p H值在T1、T2和T3处理分别下降了0.01、0.01和0.04,0.01、0.06和0.07,0.04、0.09和0.10;相应地,土壤微生物量碳含量分别下降了-1.0%、2.7%和0.4%,4.2%、4.4%和13.6%,12.3%、12.6%和18.4%;土壤微生物量氮含量则分别下降了0.8%、4.2%和9.7%,5.4%、17.4%和15.6%,12.3%、16.2%和25.1%。这表明模拟酸雨加速了土壤酸化,同时降低了土壤微生物活性,而从降低的幅度和差异的显著性可看出,3个林型的响应敏感性随森林的顺行演替而增强,处于演替后期的阔叶林敏感性最强。同时,这种处理效应大体上随着模拟酸雨处理时间的延长而逐渐显著。以阔叶林为例,表现为实验初期,模拟酸雨并没有显著降低其土壤p H值和土壤微生物量碳、氮含量,而在模拟酸雨24、30和36个月后,T3和T2处理的土壤p H值显著低于CK和T1处理(P0.05);同样,在模拟酸雨24、36和45个月后,T3处理的土壤微生物量碳、氮含量显著低于CK处理(P0.05);这表明模拟酸雨对土壤酸化和土壤微生物活性的影响是一个逐渐累积的过程。     

川西亚高山针叶林土壤硝化作用及其影响因素

采用BarometricProcessSeparation(BaPS)技术对川西亚高山针叶林土壤总硝化作用速率的季节动态进行了研究,并分析了各影响因素与总硝化速率的关系.通过土壤温度和水分含量的控制实验,对温度和水分含量与总硝化速率之间的关系进行了一次线性和曲线模拟.结果表明,6至10月各月份之间的总硝化速率存在显著差异(P<0.01),在7月总硝化速率达到最大值;土壤温度和水分含量与总硝化速率显著正相关(P<0.05),对总硝化速率的影响存在明显的交互作用,水分含量可能对总硝化速率的影响更大,在季节变化中温度和水分含量可能对硝化过程产生直接和间接两种作用;pH值与总硝化速率之间的相关性不明显;森林凋落量与总硝化速率间没有显著相关性,但若仅考虑6至9月,森林凋落量与总硝化速率极显著相关(P<0.01).总之,土壤温度和水分含量很可能是影响总硝化速率的两个最主要的因素.图6表2参31     

川西亚高山针叶林土壤酶及其化学计量比对模拟氮沉降的响应

大气氮沉降的明显增加将有可能显著影响我国西部地区受氮限制的亚高山森林生态系统的物质循环.为了解模拟氮沉降会不会改变土壤酶活性及其化学计量比并缓解该区域土壤微生物生长代谢对氮的限制,选择川西亚高山60年生的四川红杉(Larix mastersiana)人工林为研究对象,通过4个水平梯度的土壤模拟氮沉降控制试验(CK:0 g m-~2a-~1;N1:2 g m-~(2 )a-~1;N2:5 g m-~(2 )a-~1;N3:10 g m-~(2 )a-~1_),检测7种土壤酶活性及其化学计量比.结果表明:N-乙酰葡萄糖苷酶、过氧化物酶、C:NEEA、N:PEEA对一个生长季模拟氮沉降有显著响应,特别在模拟氮沉降后期表现为中氮显著促进N-乙酰葡萄糖苷酶活性(56.40%-204.78%)、过氧化物酶活性(42.28%-54.87%);酸性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、纤维二糖酶、亮氨酸酶、多酚氧化酶、土壤酶化学计量碳磷比(C:PEEA)对一个生长季施氮无显著响应,但都具有极显著月动态.相关分析和逐步回归分析表明,土壤温度和含水率是土壤酶活性及其化学计量比的决定性因子.综上所述,研究区域亚高山森林土壤微生物的碳氮磷代谢对模拟氮沉降响应显著,微生物代谢呈现出一定的氮限制,模拟氮沉降中氮水平后期微生物代谢呈现出由氮限制向磷限制转化的趋势.(图5表3参47)     

土壤酶和微生物量碳对土壤低浓度重金属污染的响应及其影响因子研究

土壤酶和微生物量碳是反映土壤健康的重要微生物性质指标。土壤重金属污染能够对土壤微生物性质产生影响,然而土壤酶和微生物量碳对土壤重金属污染的响应受到土壤本身理化性质的影响。通过北京市建成区233个样点的数据监测和实验室模拟,研究了土壤脲酶活性和微生物量碳对土壤低浓度重金属污染的响应以及受土壤理化性质的影响。研究结果表明:在野外主要重金属污染的浓度范围内(Cd 0.003~0.98μg·g-1,Cu 13.4~207.9μg·g-1,Zn 29.4~322μg·g-1,Pb 4.02~174μg·g-1),土壤脲酶活性、微生物量碳(MBC)和有机碳(SOC)的含量与土壤中Cd、Cu、Zn和Pb的浓度正相关,而微生物量碳占有机碳的比率(MBC/SOC)与重金属浓度负相关;脲酶活性、MBC/SOC与重金属浓度建立的相关关系只能解释总变异的5%~10%。实验室模拟试验表明,土壤酶活性受土壤重金属含量和土壤性质联合效应的影响;土壤有机质含量和pH是影响酶活性的主要土壤理化性质。引入土壤有机碳含量和pH两个参数,重新建立脲酶活性、MBC/SOC与土壤中重金属浓度的关系,建立的相关关系的决定系数变大,能够解释总变异的14%~17%。     

川西亚高山森林优势种对CO2浓度倍增的光合生理响应

通过对川西亚高山森林优势种高山柳(Salix paraqplesia)、岷江冷杉(Abies faxoniana)和缺苞箭竹(Fargesia denudata)幼苗光合生理参数的测定,研究了它们净光合速率(Pn)、气孔导度(Cond)、蒸腾速率(Tr)和水分利用效率(WUE)对大气CO2浓度倍增(720 μmol·mol-1)的响应.结果显示:CO2浓度倍增对3个物种的Pn有不同程度的促进作朋,高山柳、岷江冷杉和缺苞箭竹最大净光合速率分别提高30%,81%和68%,岷汀冷杉提高幅度最大.CO2浓度倍增与对照CO2浓度(360μmol·mol2)相比各物种Cond、Tr和WUE升降不一.反映出不同物种幼莆对CO2浓度倍增响应的复杂性.作为川西亚高山森林优势种,高山柳、岷江冷杉和缺苞箭竹对CO2浓度升高的不同响应势必影响其生长和未来物种间的竞争,进而影响群落的组成和物种的多样性,甚至可能引起群落演替发生变化.     

不同森林恢复类型对土壤生物学特性的影响

比较研究了南方红壤侵蚀区4种主要森林恢复类型下土壤中有机质、微生物结构与功能以及酶活性.结果表明,不同的森林恢复类型导致了土壤生物学性状的明显差异.4种森林类型的土壤生物学性状均比长期干扰下CK的高.人工林土壤生物学性状相对比天然次生林土壤差.整合上述指标的土壤生物学肥力指数分别为:天然次生林(0.752)、油茶林(0.611)、杉木林(0.422)、湿地松林(0.439)、对照(0.124).在森林恢复初期,采用自然恢复有效地提高了土壤生物学肥力.导致天然次生林土壤生物学活性相对较高的主要因素是较高的凋落物产量和质量、较高的根系生物量、较丰富的植物种类组成、较优越的土壤生态条件和快速的植物生长.在反映土壤生物学活性的指标选择方面,培养基平均颜色变化率(AWCD)、培养基丰富度和培养基Shannon-Wiener多样性指数与反映土壤生物学活性的大部分指标具有较好的相关关系,是反映土壤生物学活性的较好指标.图3表6参68     

人为干扰对川西亚高山针叶林土壤物理性质的影响

研究了川西亚高山针叶人工林在几种不同强度人为干扰下林地土壤物理性质。结果表明，随人为干扰强度的增加，土壤中细土（粉粒、粘粒）和大团聚体数量减少，小团聚体和原生土壤颗粒增加；土壤表层孔隙度减小，尤其是大孔隙明显减少；土壤有效水降低，持水供水能力减弱，渗透系数减小。川西亚高山人工针叶林土壤生态功能随人为干扰强度的增加而减弱，建议在最易受人为干扰的造林地区，最好是在造林初期封山育林。图1表5参13     

淋洗脱盐对滨海滩涂不同植被演替带土壤重金属的影响

为研究围垦对滨海滩涂土壤重金属的影响,采用土柱实验模拟淋洗脱盐过程,分析了滨海滩涂不同植被演替带(光滩、互花米草滩、碱蓬滩、芦苇滩)土壤在淋洗脱盐前后重金属(As、Hg、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn)含量的变化,评估了围垦可能导致的滩涂重金属流失量。研究表明,淋洗脱盐后,各植被演替带土壤重金属均显著降低,相比而言,Hg、Cr更易淋洗(淋洗率分别为57.2%、49.9%),而Zn不易淋洗(淋洗率18.5%);不同植被演替带土壤重金属淋洗率表现为:光滩互花米草滩碱蓬滩芦苇滩,光滩土壤重金属更易淋洗,而芦苇滩重金属不易淋洗;根据土壤容重、含水率、淋洗率及重金属含量计算重金属流失量发现,不同植被演替带重金属流失量同样表现为:光滩互花米草滩碱蓬滩芦苇滩;除互花米草滩As流失量较高外(19.26 kg·ha-1),其他重金属流失量均表现为光滩最高,光滩围垦可能会造成更多的重金属流失;在仅考虑淋洗脱盐情况下,以江苏省2010~2020年围垦规划270万亩计,仅表层20 cm滩涂土壤,通过围垦即可能导致As、Hg、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn流失2 102.5、7.4、421.3、8 587.9、4 376.3、2 404.3 t,由围垦导致的滩涂重金属流失风险值得关注。     

西双版纳热带森林不同恢复阶段土壤微生物生物量碳的变化

为探明土壤微生物生物量碳(microbial biomass carbon,MBC)对西双版纳热带森林恢复的响应,以西双版纳热带森林不同恢复阶段(白背桐Mallotus paniculatus群落、野芭蕉Musa acuminata群落、崖豆藤Mellettia leptobotrya群落)为研究对象,分析了不同次生恢复阶段热带森林土壤MBC的时空动态特征。结果表明,演替阶段、取样时间、取样深度及其交互作用均对土壤MBC含量产生了显著影响(P0.05或0.01)。不同恢复阶段热带森林平均土壤MBC含量表现为野芭蕉群落(1.36 g·kg~(-1))显著高于崖豆藤群落(1.10 g·kg~(-1))与白背桐群落(0.93 g·kg~(-1))(P0.01);不同恢复阶段土壤MBC含量具有显著的季节变化,最高值均出现在6月,最低值出现在12月,且雨季(6、9月)高于干季(3、12月)。3个恢复阶段热带森林中土壤MBC含量均呈随土层深度增加而递减的垂直分布。土壤温度与水分时空变化对土壤MBC具有显著影响(P0.05),土壤温度与土壤水分能够分别解释土壤MBC的60%—90%与57%—92%。主成分分析结果表明,总有机碳、全氮、水解氮是调控白背桐群落土壤MBC变化主要的影响因素,土壤全氮是野芭蕉群落土壤MBC变化最主要的决定因素,而全氮和硝态氮是崖豆藤群落土壤MBC时空动态主要的控制因素。因此,西双版纳热带森林植被恢复能够促进土壤MBC的积累但存在样地差异性,土壤MBC含量取决于样地微生境(如温度与水分)及土壤碳/氮养分的状况。     

川西亚高山针叶林凋落物对土壤理化性质的影响

研究了川西地区亚高山人工云杉林及天然林凋落物变化及其对土壤理化性质的影响.结果表明30 a人工云杉林、40 a人工云杉林及次生林和原始林年凋落量分别为2.67×103 kg hm-2、4.38×103 kg hm-2、4.27×103 kg hm-2和4.77×103 kg hm-2,枯枝落叶层贮量分别为3.19×104 kg hm-2、3.64×104 kg hm-2、1.42×105 kg hm-2和1.45×105 kg hm-2,通过凋落物归还土壤的营养元素(N、P、K、Ca和Mg)的年归还总量依次为82.01 kg hm-2、129.04 kg hm-2、130.57 kg hm-2、170.55 kg hm-2,凋落物年失重率分别为24.35%、22.87%、36.96%和32.23%,人工林凋落物分解一半所需时间约为2.5 a,天然林约为1.6 a.各样地土壤含水量、孔隙度和养分含量大致表现为次生林≈原始林>30 a人工林>40 a人工林.森林年凋落量、枯枝落叶层贮量、养分归还量和年失重率与土壤自然含水率、有机质、N、P、K的含量呈正相关,与土壤容重呈负相关.人工云杉林生态功能的恢复滞后于次生林,凋落物分解缓慢是影响该地区土壤水分和养分状况的重要因素.人工云杉林进入旺盛生长期后,凋落量增加,养分归还量增大,此时期森林对土壤肥力有较高的补给潜力;但凋落物分解过缓,大量养分元素累积于枯枝落叶层,不能及时进入土壤,造成土壤理化性质状况较差.图1 表6 参18     

林窗对川西亚高山云杉人工林土壤呼吸的影响

为了解林窗对川西亚高山粗枝云杉(Picea asperata)人工林土壤呼吸的影响,采用CO2通量全自动监测系统对川西亚高山粗枝云杉人工林林窗和林内土壤呼吸及土壤温度、水分进行为期两年的连续观测,比较分析林窗和林内环境因子和土壤呼吸速率的变化.结果表明:川西亚高山粗枝云杉人工林林窗和林内的土壤温度、土壤水分和土壤呼吸速率均具有显著的季节动态.在生长季节(4-10月),林窗效应使土壤温度、土壤水分和土壤呼吸速率较林内分别增加了48.8%、19.3%和18.6%;而冬季(11月-翌年3月)两种环境之间并无显著差异.林窗和林内土壤呼吸速率和土壤温度均呈显著指数相关(P0.01),与土壤水分呈显著线性相关(P0.05).林窗和林内的土壤呼吸温度敏感性(Q_(10))分别为2.46和3.01.综上所述,林窗效应对川西亚高山森林土壤呼吸具有显著刺激作用,且有明显的季节动态特征.(图3表1参33)     

气候变化对亚高山暗针叶林土壤温室气体排放的影响

利用生物地球化学模犁Forest-DNDC模拟气候变化对贡嘎山亚高山暗针叶林土壤温室气体的释放的影响.以位于贡嘎山东坡海拔3 000 m的峨眉冷杉(Abies fabri)中龄林为研究对象,以1999-2006年8年的日气候数据进行平均得到的日平均最高温度、日平均最低温度和日平均降水总最作为基线(Base)气候情景,另外设置了温度+2℃(升)、温度.2℃(T-)、降水量+20%(P+)、降水量-20%(P-)、温度十2℃同时降水量+20%(T+P+)、温度-2℃同时降水量-20%(T-P-)、温度+2℃同时降水量-20%(T+P-)、温度-2℃同时降水量+20%(T-P+)8种气候变化情景.结果显示:贡嘎山峨眉冷杉林土壤CO_2释放随着温度增加而增加,土壤N_2O释放对降水量改变敏感,而土壤NO的释放对温度和降水的改变均比较敏感,二者表现为协同作用.温度+2℃同时降水量+20%(升P+)情景下土壤CO_2释放最高,高于基线情景的36.08%;温度-2℃同时降水量+20%(T-P+)情景下土壤CO_2释放最低,低于基线情景的36.89%.土壤N_2O释放随着降水量的增加而升高,随着降水量减少而降低;温度和降水最同时增加时土壤NO释放均高于单一增加温度或降水量情景,而温度和降水量同时降低时土壤NO释放均低于单一降低温度或降水量情景.