气候对不同林型兴安落叶松林生产力的影响

以内蒙古大兴安岭地区两种林型的兴安落叶松(Larix gmelinii)天然林为对象,运用树木年轮学与异速生长方程模型,推算过去20 a杜香(Ledum palustre L.)-兴安落叶松林及草类-兴安落叶松林净初级生产力(N_(PP))的年际变化,结合中国气象数据网获取的气象数据,分析气候因子对不同林型兴安落叶松林N_(PP)的影响。结果表明:两种林型生物量呈逐年上升的趋势,N_(PP)呈“上升-下降-上升”的波动式上升趋势。不同林型N_(PP)与各气候因子的相关分析表明,2000—2020年温度(T)对两种林型兴安落叶松林N_(PP)起正向影响,而降水(P)对草类-兴安落叶松林N_(PP)起正向影响。由于气候的“滞后效应”,杜香-兴安落叶松林N_(PP)与上一年8月份月平均最高温度呈极显著正相关,草类-兴安落叶松林N_(PP)与上一年11月份月平均温度、上一年7月份降水量呈显著正相关。

应用机器学习算法模型预测兴安落叶松地上生物量

为了准确预测兴安落叶松地上生物量,以小兴安岭201株兴安落叶松地上生物量作为研究对象,以胸径(D)和树高(H)为变量,构建随机森林(RF)、人工神经网络(ANN)、支持向量回归(SVR)和梯度提升回归树(GBRT)等4种机器学习模型,并将机器学习算法的预测结果与传统二元生物量模型的预测结果进行对比分析。结果表明:对比传统生物量模型,4种机器学习算法的拟合效果与检验精度均有了大幅度提高。模型拟合精度由高到低的顺序为随机森林、梯度提升回归树、人工神经网络、支持向量回归、传统生物量模型;RF模型在各模型中的拟合精度最高,相对于传统生物量模型,RF模型的确定系数(R~2)提升了3.72%,均方根误差(R_(MSE))降低了44.47%,平均绝对误差(M_(AE))降低了42.81%,相对误差绝对值(M_(PB))降低了42.80%,赤池信息准则值降低了18.17%。模型检验精度由高到低的顺序为随机森林、人工神经网络、梯度提升回归树、支持向量回归、传统生物量模型;RF模型在各模型中的预测精度最高,与传统生物量模型相比,RF模型的确定系数(R~2)提升了1.08%,均方根误差(R_(MSE))降低了10.95%,平均绝对误差(M_(AE))降低了10.34%,相对误差绝对值(M_(PB))降低了10.34%,赤池信息准则值降低了5.20%。因此,相对于传统生物量模型,4种机器学习算法模型均可以提高兴安落叶松地上生物量的预测精度,RF模型的预测精度最高。

林火强度对兴安落叶松林土壤氮循环功能基因的影响

为了探究林火强度对土壤氮素循环的影响,本研究以内蒙古大兴安岭兴安落叶松林火烧迹地为研究对象,通过DNA提取及定量PCR分析测定了不同火烧强度样地内土壤氮循环功能基因丰度以及土壤基本的理化性质。结果表明:固氮nifH功能基因丰度随着火烧强度的增加而减少,而硝化amoA-AOA和amoA-AOB功能基因丰度呈相反变化趋势;反硝化nirS,nirK和nosZ功能基因丰度在重度火烧后显著降低,在轻度火烧后显著升高。火烧同样也会对土壤基本理化性质产生显著影响,RDA分析和Pearson相关性分析表明土壤氮循环功能基因与土壤理化因子之间存在密切的联系,有机碳、速效磷、全氮含量和pH值是影响火后土壤氮循环功能基因差异变化的主要因子。本研究为火干扰对土壤氮素循环的影响机制和火后植被快速更新提供数据支撑。

升温、光周期和氮添加变化对兴安落叶松幼苗叶黄期的影响

物候是气候变化敏感指标,是陆地生态系统模型的关键参数。目前关于气候变化对物候影响的研究较多,但关于多环境因子交互作用对秋季物候影响的研究尚不充分,制约着物候变化机制的认知与模型发展。以兴安落叶松幼苗叶黄期为研究对象,采用控制实验研究叶黄期对升温、光周期和氮添加变化及其交互作用的响应。结果表明:(1)升温对兴安落叶松幼苗叶黄期的影响较显著,升温使叶黄始期和叶黄普期显著提前,完全变色期不显著推迟;(2)光周期变化对叶黄期的影响极显著,光周期延长使叶黄始期和叶黄普期显著提前,完全变色期显著推迟;(3)叶黄期与氮添加量相关性不显著;(4)升温、光周期和氮添加变化双因子交互作用对叶黄始期和叶黄普期的影响均极显著且均存在极值,但对完全变色期的影响均不显著:升温与光周期延长交互作用使叶黄始期和叶黄普期提前,且在升温1.5℃、光周期14h时最显著;光周期延长与氮添加交互作用使叶黄始期和叶黄普期提前,且在施低氮(5g N m^(-2) a^(-1))、光周期10h时最显著;升温与氮添加交互作用使叶黄始期和叶黄普期提前,且在施高氮(20g N m^(-2) a^(-1))、升温1.5℃时最显著;(5)升温、光周期和氮添加变化交互作用对叶黄始期和叶黄普期影响极显著,对完全变色期的影响不显著。这表明,升温、光周期延长和氮添加将延长兴安落叶松幼苗叶黄期,从而增加兴安落叶松幼苗的固碳时间。研究结果可为物候模型发展以及森林生态系统碳估算提供依据。

兴安落叶松天然林3个主要树种单木断面积生长模型

【目的】构建兴安落叶松Larix gmelinii天然林3个主要树种组的断面积生长混合效应模型,提高断面积生长模型的预估精度,为兴安落叶松天然林的林分生长动态研究提供理论参考。【方法】以大兴安岭林区兴安落叶松天然林的主要树种组(兴安落叶松、白桦、栎类)为研究对象,采用4期森林资源连续清查的626块复测样地数据,首先使用多元逐步回归方法建立单木断面积生长模型,其次在最优基础模型的基础上,引入样地随机效应,建立单木断面积生长混合效应模型,最后对模型进行检验。【结果】期初胸径(D)的倒数(1/D)、每公顷株数(N)、大于对象木的胸高断面积和(B_(L))、对象木胸径与林分算数平均胸径之比(B_(L)/D)、海拔(E)以及坡度和坡向的组合(T_(c))对兴安落叶松天然林单木断面积的生长有显著影响(P<0.05)。考虑样地随机效应的混合效应模型的赤池信息准则(AIC)、贝叶斯信息准则(BIC)明显降低,对数似然值(LogLik)明显增大。引入异方差函数和自相关结构后,提高了混合效应模型预估的精度;混合效应模型的平均绝对误差(Bias)和均方根误差(RMSE)均比基础模型的低,兴安落叶松、白桦、栎类最优混合效应模型的R^(2)分别由0.435提高到0.658、由0.354提高到0.489、由0.307提高到0.379。【结论】与基础模型相比,考虑层次结构的混合效应模型能显著地改善模型的拟合效果,为内蒙古大兴安岭地区兴安落叶松天然林的林分生长动态预测提供了具有生物学意义和统计学可靠性的断面积生长模型。

基于结构方程模型的兴安落叶松天然林碳汇量驱动因素

【目的】探究兴安落叶松天然林碳汇量及其驱动机制,为提升该地区的碳汇功能提供理论依据。【方法】基于黑龙江省大兴安岭地区第7次和第8次国家森林资源连续清查获取的264块固定样地调查数据,考虑林木生长、枯损、进界和采伐4个碳库,分别从林分、气候、多样性、土壤、地形和采伐6个方面选取24项指标,通过逐步回归和结构方程模型,量化了各指标对兴安落叶松天然林碳汇量的影响。【结果】(1)2005—2010年间,该地区兴安落叶松天然林的平均碳汇量为(1.17±0.71)t/(hm^(2)·a)。(2)逐步回归模型的确定系数(R^(2))、均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)分别为0.60、0.60 t/(hm^(2)·a)和0.45 t/(hm^(2)·a),表明所建模型精度较高。模型筛选出的变量包括Shannon-Wiener指数、郁闭度、土壤全氮、土壤全钾、优势木平均胸径、年平均降水量、坡度和林分平均年龄。(3)结构方程模型中各变量对林分碳汇量的路径系数依次为Shannon-Wiener指数(0.462)>郁闭度(0.357)>优势木平均胸径(0.313)>土壤全氮(0.286)>土壤全钾(−0.142)>年平均降水量(−0.107)>坡度(−0.069)。【结论】Shannon-Wiener指数、优势木平均胸径、郁闭度和土壤条件是影响碳汇量的重要驱动因子,可在后续经营中通过合理抚育间伐或冠下补植来调整林分的树种组成、郁闭度和土壤肥力,以达到提升兴安落叶松天然林碳汇功能的目的。

不同年龄兴安落叶松单木径向生长对气候变化的响应

量化不同年龄兴安落叶松径向生长与气候因子之间的关系,为兴安落叶松天然林的适应性经营和管理提供决策依据。为此,以黑龙江省大兴安岭地区塔河林业局盘古林场2022年收集的159株兴安落叶松(Larix gmelinii)天然林单木样芯数据为基础,以树木年龄为标准,采用系统聚类方法将样木划分为幼龄组、中龄组和老龄组;运用树木年轮学方法建立标准年表,进而比较和分析不同年龄树木径向生长与气候因子的关系,并采用多元逐步回归法构建对气候敏感的单木径向生长预测模型。结果表明,1)4组(整体组、老龄组、中龄组、幼龄期)兴安落叶松树轮宽度年表的总体样本解释量(EPS)、平均敏感度(MS)和信噪比(SNR)均较高,表明所建立的兴安落叶松标准年表保留了较丰富的气候信息;2)兴安落叶松径向生长主要限制因子为当年8月份温度、前一年8—10月份温度以及当年2、7月份和前一年7、12月份降水量;3)不同年龄兴安落叶松对气候因子的响应存在显著差异,其中,老龄组树木的径向生长不仅受当年夏季温度的制约,还受前一年夏季温度和降水的影响,呈现出显著的滞后效应,而幼龄组和中龄组兴安落叶松则受环境因素的影响相对较小。

不同物候期兴安落叶松净光合速率对生理生态因子的响应

研究不同物候期兴安落叶松净光合速率(P_(n))变化及其主要影响因素,有助于更好地阐明兴安落叶松碳同化过程和机理。使用LI-6400XT便携式光合测量系统,测定兴安落叶松天然林展叶初期(LOP)、展叶盛期(LSP)和叶变色期(LDP)的净光合速率、叶片温度(T_(leaf))、气孔导度(G_(S))、胞间CO_(2)浓度(C_(i))、叶绿素含量(L_(Chl))、氮含量(L_(N))、光合有效辐射(P_(AR))、空气温度(T_(a))、大气CO_(2)浓度(C_(a))、水汽压亏缺(V_(PD))等生理生态因子,利用Pearson相关性分析和逐步回归分析,系统研究不同物候期兴安落叶松P_(n)变化特征及其与生理生态因子的关系。结果表明:1)兴安落叶松P_(n)的大小顺序为LSP>LDP>LOP,上层叶>中层叶>下层叶,差异显著;阳生叶>阴生叶,二者差异不显著。2)不同物候期兴安落叶松P_(n)与PAR、Ta、Tleaf,GS呈显著或极显著正相关,与Ci呈显著或极显著负相关。3)不同物候期、不同冠层高度兴安落叶松P_(n)对生理生态因子的响应有所差异,其主控因子是PAR、Ta和GS,此外,还受Tleaf、VPD和Ci的影响。兴安落叶松天然林在不同物候期、不同冠层高度的净光合速率存在显著性差异,在估算碳通量时,应考虑不同冠层高度叶片净光合速率的相对贡献。

抚育间伐对寒温带兴安落叶松天然林径级分布和固碳速率的影响

抚育间伐是有效的营林措施,确定科学合理间伐强度对实现森林可持续经营具有重要作用。以2012年进行不同抚育间伐强度(10%、20%、30%、40%)措施后的兴安落叶松(Larix gemlinii)天然林为研究对象,分析了恢复5 a、10 a后不同抚育间伐强度样地内的林木径级分布、碳密度及固碳速率的变化。结果表明:随着抚育间伐强度的增大和恢复年份的增加,兴安落叶松天然林中、大径级的林木频数逐步增加,小径级林木频数降低,由左偏正态分布逐渐右移;各间伐样地中,兴安落叶松天然林碳密度随着抚育间伐强度增大呈现间伐初期先减小,5 a、10 a后增大的趋势,各组分碳密度分配均呈树干>树根>树皮>树枝>树叶;兴安落叶松天然林固碳速率随着抚育间伐强度的增大而增大,抚育间伐强度40%样地内的固碳速率最大。

应用特征选择和机器学习方法建立兴安落叶松单木树龄预测模型

林木树龄是制约天然林生长、更新和演替的重要因素,但天然林中单木树龄分异明显且实测困难。为了探讨不同特征选择方法和机器学习算法的组合对单木树龄模型预测精度的影响,以大兴安岭地区兴安落叶松天然林为研究对象,以44块固定样地的280株单木树龄实测数据为基础,采用皮尔森(Pearson)相关系数(PEA)和距离相关系数(DCC)特征选择方法,对单木、林分、竞争、地形和气候因素的38个因子进行筛选,并采用随机森林(RF)、支持向量回归(SVR)和k-近邻(k-NN)算法建立兴安落叶松天然林单木树龄预测模型,分析制约单木树龄预测模型精度的关键因素。结果表明:(1)当决策树为1500、节点数量为4时,DCC-RF模型预测精度最高(确定系数(R^(2))为0.5550,均方根误差(R_(MSE))为10.1669 a,平均绝对误差(M_(AE))为8.4039 a);(2)相较于DCC-SVR和PEA-k-NN模型,DCC-RF模型的R^(2)分别提高了0.0030和0.1521,均方根误差分别降低了0.2568和2.0742 a,平均绝对误差分别降低了0.0148和1.3750 a;(3)影响树龄预测最重要的指标是胸径(重要值为43.85%),其次为树高(重要值为19.14%)和生长积温(重要值为13.41%)等。表明应用距离相关系数和随机森林算法,构建兴安落叶松天然林的单木树龄预测模型具有较好的适应性。

大兴安岭地区兴安落叶松天然林转移矩阵模型研究

建立内蒙古大兴安岭地区兴安落叶松天然林的径阶转移矩阵生长模型,用于预估主要树种的生长情况及林分结构参数,为森林结构与功能恢复提供参考。利用2期一类清查数据的667块兴安落叶松天然林样地数据,构建兴安落叶松、桦木、栎类、软阔的可变参数转移矩阵模型(VM)和固定参数转移矩阵模型(FM),应用构建的生长、进界、枯损3个子模型,预测短期内的断面积变化以及长期内的林分参数变化。结果表明,VM拟合结果显示,林木大小、林木多样性、林分属性、竞争指数和立地条件对林木向上生长、进界和枯损具有显著影响(P<0.05);模型的R^(2)均在0.82以上,MAE在18%以内,VM和FM的预测精度相差不大。FM和VM对胸高断面积的短期预测值与实际值基本无差异;FM对林木大小多样性指数、树种多样性指数、胸高断面积和林分密度的长期预测值偏高,而VM的预测结果符合理论值。研究显示,转移矩阵生长模型具有较好的解释性和预测性,采用考虑林分状态的可变参数转移矩阵模型法可以合理预测大兴安岭地区兴安落叶松的林分结构。

乌尔旗汉兴安落叶松种子园不同无性系花粉活力测定

兴安落叶松(Larix gmelinii)是我国东北林区主要造林树种,具有抗性强、材质优的特点,但该树种树龄达到30 a以上时结实困难或种子空粒现象较多,严重影响着种子园和母树林种子的生产。本研究以乌尔旗汉兴安落叶松国家级林木良种基地(初级种子园)3个种源12个无性系为材料,对种子园所选无性系花粉活力进行了测定,结果表明,兴安落叶松不同种源和不同无性系间花粉失活率有显著差异,优树起源、林龄、林分立地类型及管理技术均会影响花粉生活力。本研究初步探讨了种子园母树不结实的原因,旨在为提高兴安落叶松种子园经营管理水平提供技术支撑。

兴安落叶松第二代种子园营建关键技术

兴安落叶松适生于大兴安岭与小兴安岭山脉,是东北地区的乡土树种。兴安落叶松第二代种子园,是在乌兰坝林场国家落叶松良种基地兴安落叶松子代测定林中,通过5株大树法筛选出的28个优良无性系作为建园材料,于2020年在内蒙古自治区赤峰市巴林左旗乌兰坝林场营建的种子园,面积1 hm^(2)。研究从建园材料选择、营建过程、抚育管理和树形管理等方面分析兴安落叶松第二代种子园营建的关键技术,以期为我国东北地区兴安落叶松第二代种子园建设提供参考。

兴安落叶松生态系统CO_(2)浓度及其δ^(13)C动态对环境因子的响应

【目的】探明环境因子对兴安落叶松原始林生态系统CO_(2)浓度及其δ^(13)C动态的影响,深入理解生态系统的碳交换过程,为模拟和预测全球变化与生态系统之间的互馈机制以及科学评估寒温带森林生态系统碳汇能力提供参考。【方法】采用离轴积分腔输出光谱技术对兴安落叶松生态系统不同物候期、不同高度的CO_(2)浓度及其δ^(13)C进行连续高频观测,并分析环境因子与CO_(2)浓度变化的关系。【结果】1)兴安落叶松生态系统不同高度的CO_(2)浓度在生长季和日尺度上均呈单峰变化,峰值分别出现在展叶期(522.34μmol·mol^(-1))和凌晨(782.81μmol·mol^(-1)),谷值分别出现在落叶期(406.07μmol·mol^(-1))和中午(379.72μmol·mol^(-1));δ^(13)C变化趋势与CO_(2)浓度相反;2)CO_(2)浓度随垂直高度升高而减小,δ^(13)C随垂直高度升高而增大;不同高度的CO_(2)浓度及其δ^(13)C具有明显成层现象,夜间大气稳定性增加(理查逊数Ri≥0.083)会加剧冠层内外的差异;3)在0.5h尺度上,影响昼夜各高度CO_(2)浓度变化的主要因子为空气温度(T_(a))(0.714<PC<1.288);在日尺度上,决定生长季不同高度CO_(2)浓度变化的主要因子为土壤5cm温度(T_(s)5)(0.473<PC<0.718)。【结论】兴安落叶松生态系统不同高度的δ^(13)C与CO_(2)浓度呈极显著负相关,夜间大气稳定性增加会加剧二者的成层现象。土壤因子对兴安落叶松生态系统不同物候期、不同高度CO_(2)浓度变化的影响程度高于气象因子,土壤温度对其的影响程度大于土壤水分。研究区地处全球气候变化敏感区域,冻土是该区森林植被不可或缺的环境因素,全球变暖将通过直接的温度效应以及间接改变土壤理化性质和生物过程对兴安落叶松生态系统的碳交换过程产生显著影响。

兴安落叶松林火烧迹地土壤理化性质驱动因子

探索火烧迹地土壤理化性质的驱动因子是解释生态系统响应火干扰机制的重要组成部分。旨在分析兴安落叶松林火烧迹地土壤理化性质的决定因子,深入认识火干扰在北方森林生态系统所扮演的角色,为北方森林火烧迹地火后恢复、林业可持续发展提供科学支持和理论依据。以过火后1 a的兴安落叶松林火烧迹地为研究对象,设置了不同火烈度和立地条件的火烧迹地及对照研究样地共计35块。在每个研究样地记录了树种、胸径、存活状态等乔木数据,测量了坡向、坡位、坡度、海拔等地形数据,利用植被变化情况量化了火烈度。分别采集了0—5 cm和5—10 cm的土壤样品并测定其9种理化指标,对比了过火与未过火样地这些土壤理化指标的差异。然后,分析了各土壤理化指标与火烈度量化结果的关联趋势,比较了火烈度、地形和乔木因子对火烧迹地土壤理化性质的影响程度。与对照样地相比,火干扰提升了土壤理化指标观测值的离散程度,显著提高了0—5 cm土壤含水率(MC)(P<0.05)和5—10 cm土壤MC、总氮(TN)、总有机碳(TOC)含量(P<0.05)。土壤理化性质与火烈度有明显关联趋势的并不多,观察到0—5 cm土壤MC随火烈度指数的增加而减少,0—5 cm土壤无机氮与5—10 cm土层土壤pH、速效钾(AK)、铵态氮(NH_(4)^(+)-N)随火烈度指数的增大而增大。相关分析表明,地形因子与火烧迹地土壤理化性质关联程度较高,坡位、坡度、坡向与土壤吸湿含水率(HMC)、MC、硝态氮(NO_(3)^(-)-N)和5—10 cm土壤总氮(TN)、总有机碳(TOC)均呈显著负相关(P<0.05),而与土壤AK、pH、NH_(4)^(+)-N和有效磷(AP)则以正相关为主,其中坡度与0—5 cm土壤AK、pH、NH_(4)^(+)-N和AP均呈极显著的正相关(P<0.01)。方差分解分析结果表明,对照样地土壤理化指标的变异主要由乔木因子和地形因子共同解释,但在火烧迹地,乔木因子总解释比例降低了,而地形因子单独解释的比例增加了,两者对于土壤理化指标变异的共同解释比例大幅降低了。火干扰能够提升地形对土壤理化性质的影响程度。地形是火烧迹地土壤理化性质差异的主导因子,其影响较火烈度更为深刻,因此,当火烈度相同但地形不同时,火干扰引发的生态系统响应可能不同。所以,地形的主导作用可能是导致在不同区域研究火烈度与土壤理化性质的关系得出不同结果与结论的重要原因之一。

火干扰对兴安落叶松林土壤氮组分及土壤中氮循环功能基因的影响

森林火灾通过影响土壤生物和非生物部分对土壤氮循环产生长期影响。在全球林火频发背景下,为探讨火灾与土壤氮循环之间的长期响应关系,选择火后1、6、11年兴安落叶松林(Larix gmelinii)重度火烧迹地为研究对象,通过测定土壤氮组分、氮循环功能基因和土壤基本理化性质,分析火后土壤氮组分和氮循环功能基因丰度随恢复年限的变化趋势,以及主要影响因子。结果表明,(1)土壤全氮、铵态氮和微生物量氮(MBN)含量随恢复年限呈现先降低后增加的趋势,其中MBN恢复较慢。火干扰导致土壤硝态氮含量在火后1年显著增加(P<0.05),火后6、11年均低于对照样地。(2)固氮nifH功能基因在火后11年恢复到火烧前的水平,而反硝化nirS、nirK和nosZ功能基因在火后6年显著高于对照样地,火干扰显著提高了硝化amoA-AOA和amoA-AOB功能基因丰度。(3)相关性分析表明固氮nifH功能基因与土壤全氮、铵态氮和MBN呈显著的正相关关系(P<0.05);硝化amoA-AOA功能基因与硝态氮呈极显著的正相关关系(P<0.01);反硝化nirS、nirK功能基因与硝态氮呈显著负相关关系(P<0.05)。(4)冗余分析结果表明土壤有机质、含水率、速效钾是影响火后土壤氮循环功能基因的主要因子,解释度分别为63.8%、18.4%、85.8%。可见,森林火灾对兴安落叶松土壤氮组分和土壤中的氮循环功能基因有着长期的影响,并且火后土壤理化环境的改变也会间接对土壤氮循环的恢复产生影响,研究结果可为北方地区森林火灾对土壤氮循环影响机制提供数据支撑。

大兴安岭不同纬度兴安落叶松生长对干旱适应性及生长衰退的差异

气候变暖引起干旱事件发生频率和强度增加,由此导致全球部分森林出现衰退和死亡的现象已被广泛报道。然而由于不同地区森林对水分亏缺适应性不同,需要从区域尺度对森林适应干旱事件的特征进行详细研究。在中国东北的森林地区中,大兴安岭在过去几十年中变暖速度最快。以落叶松为主的大兴安岭森林,作为中国唯一的北方森林,具有重要的生态意义。尤其是在全球变暖极大地影响水条件的情况下,了解其对缺水的适应非常重要。通过树木年轮学方法分析比较不同纬度(47°17′—51°17′N)兴安落叶松(Larix gmelinii)径向生长变化率和树木生长对极端干旱的适应性特征(抵抗力(Rt)、恢复力(Rc)和恢复弹力(Rs))。结果表明:不同纬度兴安落叶松对干旱的应对策略呈现共同特征表现为:(1)研究区不同纬度的兴安落叶松生长均与当年生长季7和8月PDSI显著正相关(P<0.05);(2)大径级树木对干旱的抵抗力和恢复弹力更低,对干旱的适应能力更弱。不同纬度兴安落叶松对干旱的应对策略呈现差异性表现:(1)兴安落叶松对干旱的抵抗力和恢复弹力随纬度升高而降低,恢复力随纬度升高而增加;(2)研究区范围内较高纬度的兴安落叶松对干旱的适应能力较弱导致出现生长衰退的频率和强度最高,处于中间、较低纬度地区兴安落叶松对干旱的适应能力较强出现生长衰退较少。基于这些结果,我们可以推断,在一年中的快速生长期,落叶松的径向生长对缺水更为敏感,某些生物因素对调节适应很重要。气候条件影响适应性:在高纬度或高海拔地区,当干旱发生时,可能更易使得落叶松径向生长下降。我们可以预测,当缺水伴随着温度升高时,落叶松的适应性可能会增强,但随着水分条件的持续变化,干旱强度或频率的进一步增加可能会使结果复杂化。

增温和光周期变化对东北地区兴安落叶松主要物候期的影响

兴安落叶松在东北地区森林生态系统的结构与功能中起着重要作用,气候变化背景下东北地区气温增加且光照缩短必将影响兴安落叶松的变化,特别是物候这一气候变化的敏感指标。弄清其物候对气候变化的响应有助于揭示兴安落叶松的变化趋势。但是,当前关于兴安落叶松物候对温度、光周期及其协同作用的响应机制仍不清楚。针对东北地区温度剧增、日照时数减少的特点,2019年4月至11月开展了3年生兴安落叶松幼苗主要物候期响应温度和光周期变化的大型人工气候室模拟控制实验。结果表明:(1)不同程度的增温对兴安落叶松生长周期(展叶始期至完全变色期)无显著影响,但显著缩短生长盛期(展叶盛期至叶变色普期),且增温2.0℃较增温1.5℃对生长盛期影响更大。(2)长光照显著增加兴安落叶松的生长周期(9.25 d),短光照对兴安落叶松生长周期的影响不显著,且长光照和短光照均使兴安落叶松生长盛期缩短,二者对兴安落叶松生长盛期影响表现一致。(3)长光照、短光照分别与增温协同作用均使兴安落叶松生长盛期缩短,其中增温2.0℃与长光照协同作用对生长盛期缩短更显著(34.67 d)。(4)与生长始期(展叶始期)和末期(完全变色期)相比,兴安落叶松生长盛期对温度响应更敏感,除叶变色普期外,兴安落叶松物候温度敏感度均随温度升高而降低。不同增温条件下,光照减少降低叶变色始期的温度敏感度,但增温1.5℃时光照减少降低展叶盛期的温度敏感度,增加叶变色普期的温度敏感度;增温2.0℃则相反。东北地区气候变化不利于兴安落叶松生长,且增温2.0℃较增温1.5℃更为不利。研究结果可为理解东北地区生态系统结构与功能变化提供依据。

火干扰对兴安落叶松林分生长优势动态的影响

以内蒙古根河林业局施业区兴安落叶松林(Larix gmelinii)为研究对象,根据火烧迹地的记录和遥感影像,按照不同恢复期(3、15、31 a,分别记作S、M、L)和火干扰强度(对照、中度和重度,分别记作C、M、S),在内蒙古根河林业局设置了的8块典型样地(样地编号分别为SC、SM、SS、MC、MM、MS、LC、LS),并对各样地进行调查和取样。通过树轮数据重建兴安落叶松地上生物量变化历史,采用生长效率和生长优势系数量化林分生长优势动态,对比分析不同火干扰强度和恢复时间长度下兴安落叶松林生长优势变化,揭示火干扰对兴安落叶松生长优势的影响。结果表明:(1)火干扰改变林分直径结构,林分直径结构呈正偏,小径级树木比例增大;重度火干扰显著降低兴安落叶松林径级异质性,与对照样地径级多样性相比,中度火干扰样地径级多样性指数大于2,而重度样地异质性最低,其中恢复15 a的重度样地内多样性指数为0.94。(2)火干扰促进小树的生长效率提高,驱动林分进入第四阶段(小树生长占优势,小树对林分生长贡献超过大树生长量,生长优势系数小于零),其中,中度火干扰样地大树生长效率为0.45%,小树生长效率为5%。随着火干扰强度增加,重度样地小树生长效率越高。(3)重度火干扰样地(MS、LS),林分生长优势系数变化存在明显的阶段性,随着火干扰恢复期延长,大树与小树生长贡献的差异呈现先增大后减小的趋势,且生长贡献的差异逐渐减小;火干扰通过改变林分径级结构和大小树生长效率导致林分发展出现偏移,随着火干扰恢复时间的延长,林分逐步向第二阶段过渡,但以小树贡献占优势的林分生产力仍呈下降趋势。

不同火烧强度对兴安落叶松根系分解和土壤有机碳的影响

细根分解作为陆地化学循环的关键环节,也是土壤养分的重要来源。为了解火干扰对细根分解的影响,以内蒙古大兴安岭毕拉河自然保护区兴安落叶松林为研究对象,利用分解袋法分析火烧后土壤理化性质、根系质量残留率和营养元素变化情况,以及驱动根系分解的关键因子。结果表明:①火烧后细根分解速率显著加快。轻度与重度火烧后,极细根(d<0.5 mm)细根质量残留率分别减少了10.15%和8.14%;中等细根(0.5 mm≤d<2.0 mm)在重度火烧处理下,细根质量残留率减少了4.78%;粗根(d≥2.0 mm)在重度火烧处理下,根系质量残留率显著增加了5.29%。②短期内,火烧降低了土壤有机碳质量分数,土壤化学计量特性是影响细根分解的主要因子,而细根碳质量分数始终是影响火烧前后细根分解的关键因子,其对分解的贡献率均在20%以上,轻度火烧条件下极细根碳在分解中的贡献率达到23.72%。③火烧对兴安落叶松(Larix gmelinii)根系分解和土壤有机碳具有积极影响,且根系分解对土壤有机碳库具有显著作用,其总效应达到0.3。因此,火烧通过影响土壤化学性质加快了兴安落叶松细根分解速率,并且轻度火烧对根系分解产生的影响较大。