气候对天山中部不同海拔天山云杉径向生长的影响

为研究气候因子对天山中部不同海拔天山云杉(Picea schrenkiana var.tianschanica)径向生长的影响,在天山中部新疆农业大学实习林场内设置低、中、高3个海拔梯度(1900、2200、2500 m)进行年轮样芯取样,利用树木年轮学方法,选用1955—2022年研究区温度、降水、标准化降水蒸散发指数、帕默尔干旱指数等气象数据,与所测年轮数据进行分析。结果表明:低海拔天山云杉年轮宽度与前一年6月和当年6—8月温度、前一年8月降水以及当年6—9月帕默尔干旱指数呈显著正相关(P<0.05)。中海拔天山云杉年轮宽度与前一年6月温度、8月降水以及前一年6—8月标准化降水蒸散发指数呈显著正相关(P<0.05)。高海拔天山云杉年轮宽度与当年1月温度、前一年11月至当年3月标准化降水蒸散发指数呈显著负相关(P<0.05),与当年6—7月降水呈显著正相关(P<0.05)。因此,在林区内,天山云杉生长与环境的干湿状况随海拔变化存在密切的关系。降水是促进低海拔天山云杉径向生长的关键因素,温度和降水共同作用中海拔天山云杉生长,温度对高海拔天山云杉径向生长的影响高于降水。

天山云杉林地上植被与土壤种子库物种相似性

【目的】研究天山云杉林地上植被与土壤种子库物种相似性。【方法】以天山云杉(Picea schrenkiana var.tianshanica)林土壤种子库为研究对象,采用野外采样调查与室内萌发相结合,分析土壤种子库与地上植被的物种相似性。【结果】在天山云杉林分布海拔1600~2700 m,地上植被与土壤种子库的Jaccard系数为0.216~0.469,Sorensen系数在0.356~0.639,为中等不相似;土壤种子库相似系数随地上植被相似系数变化而出现相同变化,二者相似系数呈正相关;地上植被物种多样性远远大于土壤种子库,地上植被物种多样性与种子库物种多样性为正相关。【结论】随海拔的升高,土壤种子库与地上植被物种相似性总体上为先升高后降低的变化;地上植被物种多样性高于土壤种子库的物种多样性,物种多样性随海拔上升多样性下降。

气候变化背景下的天山云杉潜在分布区预测

天山云杉(Picea schrenkiana)是天山地区最主要的树种之一,为天山山地的水土保持和水源涵养发挥着重要的作用。本文基于气候相似性原理以最大熵(MaxEnt)模型为基础结合ArcGIS预测当前(2000—2020年)与2020—2040年、2040—2060年两个时段3种气候情景低温室气体排放条件(SSP1-2.6)、中温室气体排放条件(SSP3-7.0)和高温室气体排放条件(SSP5-8.5)下天山云杉的潜在分布范围,并分析影响天山云杉分布的主要环境因子。结果表明:(1)MaxEnt模型对天山云杉的分布区预测可信度高,所有模型AUC值均大于0.99。温度(等温性、季节性温度变异、年平均温度)与降水(最冷季度的降水量、最湿月的降水量、最干季度的降水量)是影响天山云杉潜在分布的主导因子;其中温度为当前主要的影响因子,最冷季度的降水量为未来的主要影响因子。(2)当前时期天山云杉的适生区主要分布在新疆、青海、内蒙古、西藏、甘肃、宁夏、陕西、四川等地区的山区,总适生区面积为299.17×10^(4)km^(2),高适区面积为49.45×10^(4)km^(2)。未来各情景下天山云杉的潜在适生区面积变化不大且分布仍以这些地区为主,但高适生区较当前均表现增加。除2020—2040年SSP5-8.5情景下天山云杉的适宜分布向东南方向迁移外,其他情景天山云杉的适宜分布有向西扩展的趋势。

新疆天山云杉种子雨时空动态分布及种子萌发特性

【目的】研究新疆天山云杉Picea schrenkiana var.tianschanica种子雨时空动态分布规律和种子萌发状况,为预测森林群落的演替趋势,并为保护天山森林生态系统的物种多样性提供科学依据。【方法】在林场设置3块面积为1 hm^(2)天然林永久固定监测样地,采用机械布局的方法以10 m×10 m的样方为单位,在样方中心设置1个种子雨收集器,每个样地共100个收集器。采用方差/均值(C_(x))、负二项指数(K)、聚集度指标(I)、Cassie R M指标(CA)等4种空间分布类型评价方法判别种子雨空间分布状态。此外,进行种子萌发试验,分别测定种子千粒重、发芽势和发芽率。【结果】9月下旬至10月中旬散种量较高;2022年的种子雨总量极显著高于2021年的种子雨总量;C_(x)为2047.01、K为1.02、I为2046.01、CA为0.99,4个指标均显示种子空间分布呈聚集分布;各样地高峰期的天山云杉种子千粒重显著高于初始期和末尾期的天山云杉种子千粒重;而种子雨初始期和高峰期的种子平均发芽势与平均发芽率差异不显著,但都显著高于末尾期的种子的平均发芽势和平均发芽率。【结论】天山云杉种子的散种量存在较大的年际变化,且种子空间分布呈聚集分布,落种高峰期为9月下旬至10月中旬,此时种子质量最大,平均发芽率和发芽势最高。

地理环境因素对天山云杉球果和针叶表型多样性的影响

以天然分布在天山北坡的天山云杉(Picea schrenkiana var.tianschanica)种群为研究对象,在天山北坡天山云杉生长范围内按一定间隔距离选择不同经度的4个区域,在区域内选择4个具有代表性的天山云杉天然林作为典型种群(吉木萨尔、乌鲁木齐、乌苏、巩留);以各种群天山云杉自然分布的下限至上限为基准,每隔50 m划分为1个海拔段,每个海拔段内随机选取3株直立、健康、叶片颜色基本一致的成年(结球果)天山云杉,每株均从树冠中部的东、西、南、北方向,采集球果20枚、针叶(主枝上2年生枝条)20枚,测定球果性状(球果干质量、球果长、球果宽、果形指数、种鳞长、种鳞宽、种鳞长宽比)、针叶性状(针叶长、针叶宽、叶形指数、叶厚度、叶面积);应用巢式方差分析法、多重比较法、多样性分析法、冗余分析法等方法,分析天山云杉球果和针叶表型分化水平、多样性特征及其与地理环境因素之间的相关性。结果表明:天山云杉球果和针叶表型分化系数均值为43.35%,表型变异的主要来源为种群内。表型性状重复力变幅为0.2007~0.5055、平均重复力0.3692,属于中等重复力水平;表型性状间球果干质量变异系数最大(14.59%),种群间乌苏的变异系数最大(8.964%)。表型性状香农-维纳(Shannon-Wiener)多样性指数均值为2.0347、辛普森(Simpson)多样性指数均值为0.8524,说明天山云杉具有较高的多样性。天山云杉不同种群间,表型分化水平、多样性特征存在一定的差异,海拔是影响天山云杉表型性状的主要影响因素,其次为降水、经度。

不同龄级及林分密度天山云杉的碳储量及其分配特征

为了探究天山北麓不同龄级及林分密度天山云杉天然林生态系统的碳储量及其在各层次(植被层、枯落物层、土壤层)分配格局的变化,分别选择天山北麓中龄林、近熟林和成熟林3种龄级下的低密度(300~500株·hm^(-2))、中密度(500~600株·hm^(-2))、高密度(600~800株·hm^(-2))3种林分密度共9种天山云杉天然林为研究对象,采用野外调查和室内分析相结合的方法,对天山云杉天然林生态系统中不同层次的碳储量进行估算。结果表明:天山云杉天然林乔木层组分地上和地下生物量在中龄林和近熟林中,随林分密度的增大而升高,而在成熟林中则随林分密度的增大呈先升高后降低的变化趋势。在天山云杉天然林草本层与枯落物层中,枯落物层组分生物量为主要分配,占74.46%~99.45%;草本层组分生物量仅占0.55%~25.54%。天山云杉天然林的植被碳储量在中龄林中,随林分密度增大而升高,而在近熟林、成熟林中则随林分密度增大呈先降低后升高的变化趋势;在天山云杉天然林各林分中,土壤碳储量随龄级和林分密度的增大呈先降低后升高的趋势;生态系统碳储量在中龄高密度林最高(570.65 t·hm^(-2)),而在中龄低密度林最低(287.21 t·hm^(-2))。天山云杉天然林生态系统的碳储量空间分布格局为:土壤层碳储量占比最高,为49.74%~72.92%,其次是乔木层碳储量占30.22%~49.54%,草本层和枯落物层的碳储量占比仅为0.32%~2.28%。土壤层是天山云杉天然林生态系统的主要碳库,天山云杉天然林生态系统在生长过程中能显著地积累有机碳,中龄高密度林有助于生物量及碳含量的积累,近熟林、成熟林的高密度林应进行适量的间伐,提高林分的固碳能力。

天山云杉球果和针叶性状对海拔梯度的响应特征

【目的】研究天山云杉(Picea schrenkiana var.tianschanica)球果和针叶性状对海拔梯度的适应机制。【方法】选择天山山脉从东到西处于不同经度位置4个地点的天山云杉林,采集测定不同种群天山云杉球果和针叶性状,采用Tukey's HSD多重比较、相关性及回归分析等方法分析表型和功能性状的分布特征。【结果】天山云杉球果和针叶性状在不同海拔梯度间差异显著;表型可塑性指数在不同海拔梯度存在不同程度差异,天山云杉球果和针叶性状可塑性指数随海拔的上升而变大;55对性状组合中,有34对组合呈极显著相关水平(P<0.01),包括25对组合呈极显著正相关,9对组合呈极显著负相关;天山云杉表型性状整体上随海拔梯度的升高呈显著减小趋势,功能性状整体上随海拔的升高呈曲线变化趋势。【结论】天山北坡海拔因子对天山云杉表型和功能性状的影响显著,天山云杉通过多个性状的相互协调和资源分配适应外部垂直海拔梯度变化的生存环境。

天山云杉球果性状变异及其与地理因子关联性

以分布于天山中东部-天山西部沿线的4个天山云杉种群为材料,采用描述性统计、巢式方差分析、多重比较,聚类分析,讨论种群间及种群内球果、种鳞性状差异,分析天山云杉球果、种鳞性状随海拔梯度地理变化规律,运用Pearson相关性分析探究性状与地理、气候因子间的相关性,揭示地理变异规律。结果表明,天山云杉球果7个性状在种群间存在极显著差异(P<0.01),变异丰富,球果干质量的变异系数最大,在群体内变异幅度最高,球果宽的变异系数最小;天山云杉的球果干质量、球果长、球果宽、种鳞长、种鳞宽随海拔上升呈逐渐减小趋势,球果长宽比、种鳞长宽比随海拔梯度无显著变化;球果性状之间呈极显著相关关系,海拔和降水量影响球果大小;聚类分析将4个天然种群分为3类:第1类为天山中部种群和天山中西部种群;第2类为天山中东部种群;第3类为天山西部种群。天山云杉球果性状表型变异丰富,各个性状随海拔梯度存在一定变化规律。

2002-2017年新疆天山云杉区域生物量时空分布数据集

森林是陆地生态系统的核心部分,其生物量约占陆地生态系统总生物量90%,承担着65%以上的年碳固定量,在维持全球碳平衡、减缓温室气体增加等方面具有重要作用。天山云杉是新疆地区重要的林木资源,其种植覆盖面积为758600 hm2,占新疆维吾尔自治区天山区域总面积的42.33%,蓄积量为0.17 km3,占总蓄积量的50.66%,构建其生物量时空数据集,可为新疆维吾尔自治区天山区域碳固存潜力评估和天山云杉林保护与可持续经营实践提供科学依据。数据集以2002年、2007年、2012年和2017年天山云杉密集区野外样地调查和相关多源遥感影像资料为基础,利用时空地理加权回归(GTWR)模型拟合生成各时期生物量分布图。该数据集有助于探索天山云杉生长趋势和生物量变化,同时在新疆天山地区生态保护和气候变化研究领域具有科学价值,对区域生态系统管理具有实践意义。

不同分辨遥感影像下天山云杉林分形特征

【目的】研究分辨率改变较小的情况下的天山云杉林分形特征的稳定性,为天山云杉林区划调查提供依据。【方法】以天山云杉林为研究对象,选取分辨率为0.1 m(无人机影像)和0.5 m(WorldView-3影像)2种遥感影像,分别计算其分形维数,使用ENVI、PIX4D等软件对WorldView-3影像和无人机影像进行预处理,在MATLAB中分别采用双毯覆盖模型法和分形布朗运动法计算171个不天山云杉林样方的分形维数。【结果】(1)天山云杉林分形维数的取值范围主要集中在2.3~2.6;在WorldView-3影像下,采用双毯覆盖模型法和分形布朗运动法计算得到:天山云杉林分形维数的取值范围主要集中在2.2~2.7。(2)天山云杉林分形维数的值不会随着值数量的增加而发生较大的改变,始终处于稳定的取值区间内。【结论】无人机影像和WorldView-3影像下天山云杉林分形维数分别为2.4513和2.4782,2种不同分辨率(0.1和0.5 m)下的天山云杉林分形维数值取值区间基本相同,即天山云杉林在一定的分辨率下有着稳定的分形特征。

天山云杉叶结构型性状与胸径生长的关系

胸径是森林调查和经营评价的重要因子。研究天山云杉(Picea schrenkiana var.tianschanica)叶结构型性状随胸径的变化规律,可为天山云杉资源保护和精准管理提供依据。在新疆西天山国家级自然保护区,调查不同胸径天山云杉叶长宽比、叶面积、比叶面积、叶干物质含量和叶体积,探讨叶结构型性状与胸径生长的相关性。结果表明,不同径阶天山云杉叶长宽比、叶面积、比叶面积、叶干物质含量和叶体积均差异显著。除叶长宽比与比叶面积无显著相关性外,叶结构型性状间均呈极显著相关。天山云杉叶结构型性状与胸径均呈极显著相关;其中,叶面积、叶体积和叶干物质含量与胸径均呈线性正相关,叶长宽比与胸径呈线性负相关,比叶面积与胸径呈先升后降的曲线变化。随林木生长,天山云杉通过改变叶结构型性状适应外界环境的变化。

不同海拔天山云杉叶功能性状及其与土壤因子的关系

植物功能性状反映了植物对生长环境的响应和适应,将环境、植物个体和生态系统结构、过程与功能联系在一起。为阐明天山北坡1420-2300m天山云杉(Picea schrenkiana var.tianschanica)的叶片功能性状对环境的适应性变化,研究了天山云杉10种叶片功能性状的变化规律以及与土壤因子的关系。结果表明叶长宽比(LL/LW)、叶面积(LA)、气孔密度(SD)、单位干重的叶磷(LPC)和叶钾(LKC)含量沿海拔梯度呈上升趋势。单位干重的叶氮(LNC)含量、叶绿素含量(Chla+b)、叶片饱和含水量(LWC)、叶片干物质含量(LDMC)和比叶重(LMA)随海拔的升高呈现非线性变化,前3项在海拔约2100m处达到最大值,分别为(15.42±0.38)mg/g、(2.44±0.37)mg/g和(55.01±0.48)%,后两项在海拔约2100m处达到最小值,分别为(451.80±6.28)mg/g、(252.33±3.60)g/m2。逐步回归分析结果显示,海拔梯度上影响LPC的主要土壤因子是土壤pH值和SWC,影响LNC、LKC、Chla+b、LDMC、LMA和LWC的主要土壤因子是TN,影响LA、SD和LL/LW的主要土壤因子是SWC,可见SWC和TN是天山云杉叶片功能特征沿海拔梯度变化的主要驱动因子。在优越的环境中植物叶片虽然具有较高的光合能力和较高的相对生长速率,但是对资源的利用能力往往较低,在2100m附近LNC、Chla+b、LA最大,LMA、LDMC最小,因此判断此海拔附近为天山云杉最适宜的生长范围。

天山云杉种群空间格局与动态

天山云杉(Picea schrenkiana)林是天山林区的重要针叶林。研究调查了两块分别代表天山云杉不同演替阶段的标准地,应用Ripley's K系数法研究了天山云杉种群空间格局与动态。结果表明:天山云杉是聚集型种群,天山云杉活立木、枯死木、天山桦(Betula tianschanica Rupr.)和天山柳(Salix tianschanica Rgl.)的空间格局均为聚集型;天山云杉枯死木的聚集强度大于天山云杉活立木的聚集强度;天山桦和天山柳的聚集强度大于天山云杉枯死木的聚集强度;天山桦和天山柳的空间格局随种群所处的演替阶段不同而不同,增长型种群在所有尺度上其空间格局都为聚集型,在大于70 m尺度上表现为均匀格局,而天山云杉成熟林中的天山桦和天山柳只在小尺度(0～4 0 m)上表现为聚集。随着天山云杉的生长,其聚集强度逐渐减小,聚集半径不断增大。从5 0 a以下天山云杉到5 0～10 0 a的天山云杉其聚集强度急速减小,这有利于天山云杉幼树获得足够的资源,是天山云杉幼树的一种生存策略或适应机制。15 0 a以上天山云杉的聚集强度增加,这是由于天山云杉生长到15 0 a左右时开始出现成熟后死亡,形成林窗有利于天山云杉林的更新。研究还对Ripley's K系数法和频次检验法进行了比较,Ripley's K系数法能够分析各种尺度下的种群空间格局,且不受样方大小?

天山云杉凋落物提取液对种子萌发和幼苗生长的自毒作用

设定光周期为20℃1、6 h,暗周期为15℃8、h,在人工气候箱中对天山云杉不同浓度凋落物水浸提取液对其种子萌发和幼苗生长的影响进行了实验研究。结果表明:天山云杉凋落物水浸提取液对其种子萌发和幼苗生长存在自毒作用。当提取液浓度达到0.025 gDW mL-1时,对种子发芽势和发芽指数的抑制作用达到极显著(P<0.01),抑制率分别为14.5%和29.3%;当提取液浓度达到0.1 gDW mL-1时,对种子发芽率和幼苗胚芽、胚根生长的抑制作用达到极显著(P<0.01),抑制率分别为21.2%、34.1%和51.3%,并显著延长种子的发芽时间;当提取液浓度达到0.2 gDW mL-1时,对幼苗鲜重增加的抑制作用达到极显著(P<0.01),抑制率为31.4%;提取液浓度对幼苗干重增加的影响不显著。实验还表明,在低浓度(≤0.05 gDW mL-1)时,天山云杉凋落物提取液对其种子的发芽率表现出一定的促进作用。

天山云杉针叶水提取物自毒效应及自毒物质的分离鉴定

天山云杉(Picea schrenkiana)是亚洲中部山地的特有物种,在中国仅见于新疆,主要分布在天山南北坡和昆仑山西部北坡,对天山山地的水源涵养、水土保持和林业生产具有不可或缺的重要性。云杉天然林自然更新不良或障碍和生产力下降等问题的出现已成为长期困惑林业工作者的一大难题。该文从植物间的化感与自毒作用研究着手,分析云杉针叶水提液的乙醚、乙酸乙酯、正丁醇萃取物对自身种子萌发和幼苗生长影响实验。以种子发芽率、发芽势和发芽指数作为种子萌发参数,以胚根、胚芽长度和实生苗干湿重的变化作为幼苗生长参数。研究结果表明:种子萌发实验中乙醚萃取物具有最强的抑制效应(IC50=5.84mg·ml–1),而正丁醇萃取物的抑制效应最弱(IC50>10.00mg·ml–1);幼苗生长实验中,1.25mg·ml–1乙醚萃取物对幼苗生长具有显著抑制作用(p<0.05),1.25mg·ml–1正丁醇萃取物能够促进其幼苗生长,大于2.5mg·ml–1的正丁醇萃取物对幼苗生长具有显著抑制效应(p<0.05)。采用GC-MS-MS和NMR技术分析3种有机萃取物的化学组成,鉴定并定量分析出了包括酚酸、长链脂肪酸、单宁酸和吲哚类物质在内的17种化合物。乙醚萃取物中存在的2-keto-4a-methyl-8-methoxy-2,3,4,4a,5,6,11,12-ocahydrochrysene(在该文中,将其命名为云杉酮)为一新的化感物质。该研究证明了天山云杉针叶中存在的化感与自毒物质是导致其种群天然更新障碍的一个最主要原因,同时揭示了自毒作用发生的化学物质基础。

两种不同干扰方式下的天山云杉更新格局

该文采用点格局分析方法 ,对新疆天山中部林区天山云杉林在林冠和强度择伐干扰方式下的天然更新格局进行了研究 .结果表明 :在林冠干扰方式下 ,林冠空隙 (林窗 )内天山云杉天然更新幼树 幼苗呈现聚集分布 ,并在每一聚集分布中都有最大聚集强度 ;林冠空隙内天然更新幼树 幼苗与林冠空隙形成木呈现出在空间位置上的依存关系 .这在所研究的尺度范围内 (1 30m× 80m标准地 ) ,强度择伐干扰后天山云杉保留木呈现聚集格局 ,天然更新幼树 幼苗与保留木之间依空间尺度由小到大而在空间上呈现斑块镶嵌、随机排列和空间依存 ,天然更新幼树 幼苗与择伐作业采伐木伐桩呈现出在空间位置上的依存关系 .表明在天山云杉林分中 ,天然更新幼树 幼苗与强度择伐作业采伐木伐桩之间具有类似于其与林冠空隙形成木之间的空间位置关系 .说明在创造天然更新的条件上 ,强度择伐作业的采伐木具有某些与林冠空隙形成木相同的生态作用 .

天山云杉种群统计与生存分析

该文直接利用年龄结构数据编制了天山云杉种群特定时间生命表 ,避免了用胸径或树高代替年龄编制生命表可能产生的误差 ,在此基础上运用生存理论分析了天山云杉种群的动态变化 ,为天山云杉林的保护和经营提供了依据 .

不同经度天山云杉群落物种丰富度随海拔梯度变化

选择我国新疆境内天山山脉81°05′—93°41.5′E约12个经度范围的昭苏、巩留、乌苏、乌鲁木齐和哈密5个地点的天山云杉林进行垂直样带调查,分析不同经度位置天山云杉群落物种丰富度随海拔梯度的变化.结果表明:各经度的天山云杉群落是以天山云杉为优势树种的纯林,乔木和灌木种类很少,草本植物的物种丰富度主要由优势树种天山云杉控制.天山云杉在中等海拔范围分布最集中、郁闭度最大、生长最好、蓄积量最高,致使林下草本植物的物种丰富度最低.天山云杉群落草本物种丰富度随海拔梯度的变化呈山谷型曲线,可以用二次曲线方程y=ax2-bx+c(a,b,c>0)进行描述.

天山云杉球果大小性状的地理变异规律

选择新疆境内天山山脉从西到东处于不同经度位置(81°05′—93°41.5′E,约12个经度范围)5个地点(昭苏、巩留、乌苏、乌鲁木齐和哈密)的天山云杉林进行垂直样带取样测定,分析天山云杉球果大小性状(长、宽及长宽比)随海拔梯度与经度的地理变化规律,以期为天山云杉种群保护、优良种源选育及其合理利用提供依据。结果表明:同一经度位置不同海拔范围内天山云杉球果大小性状发生不同的变化。天山云杉的球果长和球果长宽比随着海拔的增加总体上呈现逐渐减小的趋势,而球果宽则总体上随海拔梯度变化不显著。各经度位置天山云杉球果宽较球果长的性状稳定性高。天山云杉球果性状随海拔、经度和坡度的变化而发生变异,球果长的变异主要受海拔和坡度的影响,球果宽的变异则主要受经度的影响,而海拔、经度、坡度对球果长宽比都有显著影响。

天山云杉林土壤种子库物种组成及其垂直空间分布

采用萌发法对天山中部海拔1 800～2 210 m天山云杉林下0～10 cm深度的土壤种子库的物种组成及其垂直空间分布进行了研究.结果表明:①种子库共有高等植物31种,除天山云杉外均属一年生或多年生草本;②种子库的储量为(404.75±291.11)粒/m2,主要组成物种有高山羊角芹(31.81%)、白花车轴草(13.40%)、仰卧早熟禾(11.55%)、天蓝岩苣(6.42%)和准噶尔繁缕(5.68%),天山云杉仅占0.86%;③在垂直空间分布上,自上而下种子数量先增加后降低,2～4 cm深度的种子数量最多,达到总量的32.2%,0～6 cm深度的种子数量占种子库种子总数(0～10 cm)的72.14%.