中国科学院清原森林生态系统观测研究站塔群平台的功能和应用

森林生态系统结构与生态服务功能关系是森林生态学和林学的永恒研究主题。受传统森林调查方法及技术手段的限制,对复杂地形下森林生态系统结构和功能的监测及二者关系的研究面临诸多挑战。在中国科学院野外站网络重点科技基础设施建设项目的支持下,中国科学院清原森林生态系统观测研究站在独立流域内建成了以观测塔群(三座观测塔覆盖各自子流域代表性森林类型)为主体,集激光雷达(LiDAR)、通量仪器、水文站网、固定标准地和数据中心为综合体的"次生林生态系统塔群激光雷达监测平台"(简称塔群平台)。塔群平台采用激光雷达扫描获取森林点云数据,描述森林生态系统的全息三维结构;依托独立流域/子流域内的通量监测系统、水文监测站网和通量源区内的长期固定标准地,可保证碳-水过程观测的可靠性,并用于验证复杂地形下的通量监测技术与方法,揭示森林生态水文与碳交换过程,准确估算森林生态系统主体生态服务功能(水源涵养和固碳)。所有"塔-站"数据通过无线网络实时汇集于数据中心,便于数据监视、管理与共享。此外,塔群平台将侧重研究森林生态系统结构量化的新方法和新指标,探索复杂地形森林生态系统中H2O/CO2/痕量气体通量观测的理论与方法,为阐明森林结构与功能的关系、服务于森林生态系统管理提供基础数据。

东北地区森林生态系统质量与功能提升对策建议

东北森林作为国家生态安全战略格局“两屏三带”和重要生态系统保护/修复重大工程“三区四带”中唯一森林带,在维护区域国防安全、粮食安全、生态安全、能源安全和产业安全等方面发挥着重要作用。长期以来,因自然与人为干扰,东北森林生态系统质量下降,影响其生态屏障功能的持续、稳定发挥。为有效提升东北森林生态系统质量和功能,本文基于东北森林生态系统野外科学观测研究站的长期观测和研究结果,结合地形、地貌特征,将东北森林划分为长白山、小兴安岭、大兴安岭、平原防护林、高原防护林、丘陵防护林等6个一级林区(包括12个亚林区),系统评估了各林区/亚林区的森林生态系统质量及其功能现状,甄别存在的问题并分析其成因;据此提出了完善并实施森林生态系统保护修复制度,实施提升东北森林生态系统生态屏障功能和木材战略储备能力的经营技术,实施“山水林田湖草沙”防护林生态系统构建、质量/功能提升技术等对策建议,为东北森林生态系统可持续经营及功能持续、稳定和高效发挥提供参考。

以“塔群”为核心的“立体-全息”森林生态系统信息化观测研究方法体系

当前森林生态学研究在时空尺度上朝着更宏观和更微观两个方向发展,传统的观测研究方法或模式已不适合现代森林生态学研究的需求。尤其是在信息化技术的不断发展背景下,当前森林生态观测科研范式亟需变革。本文基于辽宁清原森林生态系统国家野外科学观测研究站的“科尔塔群”,提出以塔(群)为核心的“天-空-塔-地”一体化观测研究体系。具体包括:主/被动星载遥感(天)、无人机+激光雷达+多/高光谱传感器的近地面遥感(空)、塔群或单塔(塔)、长期固定样地群(地);运用物联网、云计算和人工智能等新一代信息技术,实现海量数据的自动获取、传输、运算、分析与展示,形成“立体-全息”森林生态系统信息化观测研究方法体系。该研究方法体系旨在促进森林生态学或生态系统生态学、林学等领域知识创新,探索科研范式变革提供实现途径;并为地理学、遥感科学和边界层气象学等学科提供参考。

温带次生林生态系统塔群监测研究平台(清原科尔塔群)

森林生态系统结构调控与功能优化是森林生态与管理的核心研究主题。然而,受技术与理论限制,复杂地形下森林三维精细结构监测能力不足、功能估测精度不高;森林生态系统结构的复杂性和人类社会对其服务功能的迫切需求对上述研究主题提出前所未有的挑战。在中国科学院野外站网络重点科技基础设施建设项目的支持下,中国科学院清原森林生态系统观测研究站于2019年在典型独立小流域内建成了观测塔群(3座观测塔)、水文站网、长期固定样地群,辅以综合数据中心;打造以激光雷达为主要森林结构监测、以涡动通量系统和水文站网为主要功能监测手段的"温带次生林生态系统塔群监测研究平台"(以下简称"科尔塔群")。科尔塔群集成了观测塔群-水文站网-长期固定样地群,构成以遥感技术-涡度相关法-测树学法-森林信息学法为主要手段的协同、跨学科观测体系,具有多方法、多尺度、多要素的核心特征,可开展多类相关研究以满足国家需求、探索国际前沿。基于上述优势,科尔塔群可准确获取森林三维结构,以全息新视角探索森林生态学规律,发展复杂地形下森林生态系统碳-氮-水和其他痕量气体通量观测新理论与方法,研究全球变化背景下森林生态系统碳-氮-水等循环过程与响应,阐明森林水文过程及调控机制,为森林结构调控与功能优化提供基础数据和理论支持,使森林为人类社会提供广泛且可持续的生态服务。

氮稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的应用

在过去几十年中,氮(N)稳定同位素技术的发展提高了人们对于陆地生态系统氮循环的认识。该文回顾了氮稳定同位素技术在研究生态系统氮循环中的历史,综述了最近十多年来氮稳定同位素技术在陆地生态系统氮循环研究中的典型案例,包括利用氮同位素自然丰度鉴定植物氮来源、指示生态系统氮状态和量化过程速率,利用15N标记技术示踪氮的去向和再分布等。该文同时指出这些应用中存在的问题,以及在陆地生态系统上氮稳定同位素技术今后研究的重点发展方向。

东北次生林生态系统保护与恢复技术探讨

东北森林在国家生态文明建设、生态环境保护、社会经济发展等方面发挥着重要的作用。本文在分析东北林区森林资源现状的基础上,指出东北次生林生态系统目前存在的问题,指明东北次生林生态系统的发展方向;结合未来三十年全国森林经营规划与国家天然林保护工程等,提出东北次生林生态系统保护、恢复与利用技术及对策,探讨了"后天保时代"(天然林保护工程结束以后)的次生林经营与保护,为东北林区的可持续发展指明了方向。

北方地区3种蕨类孢子组培萌发率研究

为加强野生蕨类植物开发利用,实现其高效扩繁,丰富园林绿化植物种类,以北方地区3种蕨类植物:掌叶铁线蕨(Adiantum pedatum)、粗茎鳞毛蕨(Dryopteris crassirhizoma)、溪洞碗蕨(Dennstaedtia wilfordii)当年采集的孢子为试验材料,研究不同浓度赤霉素(100,300,500mg·L^-1)、不同浓度无机盐(MS,1/2MS,1/4MS)、不同浓度NAA生长素(0.1,0.5,1.0mg·L^-1)、不同浓度6-BA细胞分裂素(0.1,0.5,1.0mg·L^-1)以及光照[强度为(1200±100)lx对比暗培养]条件对孢子萌发率的影响。结果表明:低浓度(100mg·L^-1)赤霉素处理对提高当年采集的3种蕨类植物孢子萌发率无显著影响,高浓度(300mg·L^-1和500mg·L^-1)赤霉素处理会抑制孢子萌发,甚至使孢子无法萌发。掌叶铁线蕨孢子萌发最适培养基为MS+0.1mg·L^-1NAA+0.1mg·L^-16-BA,粗茎鳞毛蕨和溪洞碗蕨孢子萌发的最适培养基分别为MS和1/2MS培养基。低浓度NAA与6-BA(均为0.1mg·L^-1)搭配使用可提高掌叶铁线蕨孢子萌发率,但当NAA浓度升高到0.5mg·L^-1以上时,对掌叶铁线蕨孢子萌发起到抑制作用,粗茎鳞毛蕨和溪洞碗蕨对NAA浓度变化不敏感。当6-BA浓度高于0.5mg·L^-1时,会显著抑制3种蕨类植物孢子的萌发。3种蕨类孢子萌发均为需光型,在黑暗条件下不能萌发。3种蕨类在组织培养条件下,提供适宜浓度的无机盐和激素,在光照条件下,均可实现正常萌发。

通用风速廓线模型在山区森林的适用性

基于莫宁-奥布霍夫相似理论的解析方程(风速廓线模型)自20世纪70年代以来一直被用于平坦地形上的风速预测,成熟且准确,但在非平坦地形适用性尚不清楚。其适用性标志着对非平坦地形近地层空气动力学参数(如零平面位移高度及粗糙度)估计的准确性,将决定基于涡度协方差法计算碳水及痕量气体通量中频率修正及其源区分析的准确性。因此,风速廓线模型在非平坦地形的适用性评价是确认通量模型是否需要改进的前提。本研究利用辽东山区清原森林站科尔塔群测量三维风速数据,并与辽河平原盘锦农田站同类数据相比较,评估了以莫宁-奥布霍夫相似理论为基础建立的通用风速廓线模型在非平坦地形上的适用性。结果表明:通用风速廓线模型无法准确预测清原森林站3座通量塔所在地的风速,不适用于复杂地形。在非生长季和生长季,清原森林站3座通量塔实际观测与模型预测风速的决定系数(R2)为0.12~0.30,观测数据与预测值的标准误超过2 m·s^(-1),模型风速约为实际观测风速的2.0倍,显著高估。然而,该模型可准确预测盘锦农田站平坦农田景观的水平风速,实际观测风速与模型预测之间的R2为0.90~0.93,观测数据与预测值之间的标准误仅为0.5 m·s^(-1)。经F检验指出,非平坦地形风速观测值与预测值的均方根误差远大于平坦地形,其中,地形是影响通用风速廓线模型适用性的主要因素,其次是季节性(无/有叶期)因素。风速廓线模型在非平坦地形上不适用,原因是零平面位移被低估,或零平面位移和粗糙度均被低估,进而使空气动力高度估计不准。

辽东山区次生林木本植物空间分布

森林木本植物的空间格局有助于揭示群落结构的形成机制与潜在的生态学过程,且对林分经营具有一定指导意义。在0—50 m尺度范围内综合分析了辽东山区4 hm2温带次生林样地多度>10的树种空间格局。研究发现:(1)在完全随机零模型下,大部分树种呈现聚集格局,聚集格局树种的比例随尺度增加而降低;在>32 m的较大尺度下,随尺度增加,随机和规则格局成为树种分布的主要形式;(2)在异质性泊松过程零模型下,55.9%的树种呈现随机格局,其余大部分树种在<10 m的尺度下呈现聚集格局,且随尺度增加,规则格局成为主要形式;(3)在完全随机零模型下,树种属性(林层、径级和多度)显著地影响种群聚集度,而在异质性泊松过程零模型下,树种属性对种群聚集度不存在显著影响。综上,生境异质性、扩散限制和树种属性部分解释了辽东山区次生林木本植物空间分布格局,相对而言,生境异质性的效应更为突出。研究结果有助于揭示次生林群落生物多样性的维持机制。

浑河上游水源地不同林型水源涵养功能分析

为定量评价浑河上游水源地保护区内不同林型的水源涵养功能,对浑河上游5种林型（阔叶混交林、红松人工林、落叶松人工林、阔叶红松混交林和阔叶落叶松混交林）林下枯落物的现存量、持水能力、有效拦蓄量和土层的物理性质、土壤入渗性能等开展研究,并采用综合评价法对不同林型的水源涵养功能进行评价.结果表明：不同林型枯落物现存量为16.10～37.70 t/hm2,有效拦蓄量为36.31～83.39 t/hm2;针阔混交林枯落物有效拦蓄量高于阔叶混交林、人工针叶林,针阔混交林的半分解枯落物现存量及持水量（持水率）所占比例明显高于人工针叶林、阔叶混交林,枯落物未分解层和半分解层持水量与浸泡时间关系符合对数函数方程W=Aln t＋B;土壤入渗速率随着土层深度的增加而逐渐减小,各层土壤入渗速率和时间关系符合幂函数方程F=at-b;针阔混交林的土壤非毛管孔隙度、总孔隙度、非毛管蓄水量均高于阔叶混交林、人工针叶林;针阔混交林的总蓄水量（枯落物有效拦蓄量与土壤非毛管蓄水量）最高（1 025.28～1 341.59 t/hm2）,其次是阔叶混交林（823.36 t/hm2）,人工针叶林最低（422.41～609.06 t/hm2）.综上所述,浑河上游水源地保护区内针阔混交林具有较好的涵养水源能力,建议在水源涵养林培育过程中将针阔混交林作为培育目标林分,并采取适当的结构调控措施,将现有人工针叶水源涵养林调整为针阔混交林,以充分发挥森林的水源涵养功能.

蒙古栎叶面积的数字图像法测定

以方格法、称重法、系数法、回归方程法和Photoshop法等方法为对照,研究Digimizer数字图像法测定辽东山区蒙古栎叶面积。结果表明,Digimizer数字图像法和5种传统的叶面积测定方法的测定结果呈极显著线性相关关系,测定结果准确,稳定可靠,操作简单,可批量处理,不受分辨率、图片储存格式和扫描模式影响,还可测量叶片形态特征;建立了基于蒙古栎叶长宽乘积的叶面积幂函数模型(LA=0.805LW0.938),其R2高达0.979,检验精度在P=0.05和P=0.012水平分别为98.727%和98.181%,可作为辽东山区蒙古栎单叶面积估测模型。采用系数法时,辽东山区蒙古栎叶面积校正系数为0.584。

辽东山区长白落叶松枝叶生物量模型建立与评估

以辽东山区林龄为50年生的不同密度长白落叶松人工林为研究对象,枝条为单位,获取了枝基径(d)、枝长(L)与枝叶生物量(W)的相关关系来建立生物量模型,并将枝条材积(V)引入CAR模型。结果表明:引入枝条材积建立生物量模型获得了较常规CAR模型效果更好,预估精度和拟合效果均有明显提高,其中枝叶生物量Wbl=1 915.682d^(-0.315)V的决定系数(R2)提高至0.983,预估精度提高了2.73%;枝生物量W_b=1 793.800L^(-0.208)V的决定系数提高至0.994,预估精度提高了9.15%;叶生物量Wl=3 387.837(d2L)^(-0.427)V的决定系数提高至0.701,预估精度提高了1.61%。

干扰对动物传播森林植物种子有效性影响的研究进展

干扰在森林生态系统中普遍存在,并影响森林的更新和演替.动物传播种子是种子更新的必经阶段,其对森林干扰的响应在一定程度上能够预测未来的森林群落组成和结构变化,对于明确森林演替方向具有重要意义.本文论述了森林干扰对动物传播种子有效性(包括动物传播种子的数量和质量)影响研究的生态学意义,全面揭示了自然干扰(火干扰、林窗干扰等)和人为干扰(生境破碎化、狩猎、采伐等)对动物传播种子数量、传播距离以及传播后幼苗更新影响的研究进展,指出干扰通过影响动物种群动态,进而造成动物传播种子数量发生了改变,动物传播种子的距离对干扰的响应基本表现出轻微负相关;干扰对传播后幼苗更新的影响结果因干扰类型的不同而复杂多变,干扰迹地环境因子的变化也影响着传播后的种子萌发和幼苗更新.干扰对动物传播种子有效性影响研究中存在的问题,主要表现为火干扰迹地恢复过程、增益性的干扰(如抚育、间伐、林窗)等对种子传播有效性影响研究的匮乏,以及忽略了温带森林内的干扰对动物传播种子的影响等.今后,应开展干扰对种子传播有效性的长期研究;对于干扰多发地带的森林,应高度重视增益性干扰影响动物传播植物种子的研究.

浑河上游典型水源涵养林降雨再分配过程

为明确浑河上游典型水源涵养林的降雨再分配过程,以浑河上游地区5种典型水源涵养林(红松人工林、落叶松人工林、红松混交林、落叶松混交林、阔叶混交林)为研究对象,应用自记式观测记录仪,分析不同林型林冠层对降水再分配过程(穿透雨、树干茎流、林冠截留)的影响。结果表明:各林型穿透雨量(率)、树干茎流量(率)、林冠截留量均随林外降雨量增加而增大;穿透雨量、树干茎流量、林冠截留量均与林外降雨量呈显著的线性正相关;各林型穿透雨率、树干茎流率与林外降雨量呈显著的对数函数关系;红松混交林、落叶松混交林的树干茎流率(32.12%,15.44%)均高于阔叶混交林与红松、落叶松人工林,红松、落叶松人工林的林冠截留能力(80.66%,77.47%)高于阔叶混交林、针阔混交林。该结果为浑河上游地区水源涵养林的最优空间结构配置与经营管理提供科学依据。

辽东山区落叶松林枝条叶面积模型选择

本研究基于辽东山区实测落叶松特征因子,通过枝条解析法获得了254组枝条的叶面积、枝条基径、枝条长度等属性数据,在枝条水平上采用一元非线性方程和二元及多元非线性方程建立以枝条属性因子为自变量的枝条叶面积模型。结果表明:枝条基部断面积(d2)与枝条叶面积有最高的相关性,最优一元枝条叶面积模型为:y=8.967/(1+50.901e-0.084d),其R2达到0.719,测算精度为86.34%(α=0.05)。引入相对着枝深度(RDINC),使得二元及多元模型的决定系数显著提高,最优二元枝条叶面积模型为:y=0.002(d2)2.260e-1.701RDINC,其R2达到0.796,测算精度为88.57%(α=0.05)。

关于人工林可持续经营的思考

森林是支撑地球生命系统最重要的组成部分,我国天然林资源总量不足,需要大力发展人工林。然而,人工林面临着生产力低、地力衰退、生态效益差等问题。文章介绍了关于我国重要树种人工林结构优化、功能提升的研究和思路。

沙暴、尘暴和沙尘暴

“沙尘暴”已经成为近年来公众常见的词汇.到底什么是“沙尘暴”,它与“沙暴”和“尘暴”有何区别和联系？ 通过对沙粒与尘粒的粒径分析、比较,结合风力作用下沙粒和尘粒的运动特点,辨识了沙暴、尘暴和沙尘暴的区别与联系.结果表明沙暴指粒级0.05-2mm 的沙粒形成的风暴,尘暴指粒级0.002-0.0625mm 尘粒形成的风暴,沙尘暴指粒级0.002-2mm 沙粒和尘粒形成的风暴;它们发生的机制具有相似性,但运移形式和影响范围不同,因而其危害方式、程度和防治对策亦有所差异.由于沙暴（沙物质源中不可能没有小于0.05mm 的颗粒物）、尘暴和沙尘暴在理论上是按粒径大小来区分,只有专门监测机构才可以严格将三者分开,因此,对于普通公众,在不能明确是沙暴还是尘暴或是沙尘暴时,可统一称沙尘暴.

辽东山区春季极端低温时空分布特征及发生概率预测

利用辽宁省东部山区13个气象站1960—2014年春季(3-5月)逐日最低气温等观测资料,采用EOF和Morlet小波分析法分析研究区春季极端低温的时空分布特征,在此基础上用Gumble-I型分布、Weibull分布和正态分布对各站极端低温序列进行了概率分布模型拟合,并检验筛选出最佳模型计算了不同重现期的极端低温及其发生的概率和空间分布。结果表明:(1)辽东山区春季极端低温空间分布主要表现为全区一致分布型、南北相反分布型和东西相反分布型;(2)全区域极端低温存在明显的5年和10年左右的周期变化;(3)所选13个站的极端低温概率分布模型拟合结果显示:Weibull分布为最适宜的分布模型。不同重现期极端低温预测与实测值对比结果表明,所选模型预测结果误差较小(绝对值<1℃,R 2=0.98);(4)北部区和高海拔区容易遭受春季低温的灾害,低温灾害发生的概率及分布区域范围以轻度为最大,中度次之,重度最小。综上所述,该研究结果可为该区域极端低温预测及春季回暖后再次遇到低温灾害的防御提供科学参考依据。

北方防沙带东部区生态安全格局构建及优化

构建生态安全格局、优化生态空间结构是保障区域生态安全、维护地区生态系统稳定的重要途径,对于缓解生态保护与经济发展之间的矛盾具有积极意义。本文以北方防沙带东部为研究区域,通过生态脆弱性-生态服务功能重要性的生态评估方法识别生态源地,借助电路理论提取生态廊道和生态节点,构建了研究区2000和2015年生态安全格局并提出优化对策。结果表明:(1) 2000—2015年间,研究区强烈脆弱区面积减少,不脆弱面积增加;生境质量整体好转,水源涵养量显著增加,实际风蚀强度减弱,说明该阶段区域生态环境趋于好转,风沙治理成效较为显著。(2)生态源地面积、生态廊道和节点分别从2000年的3837.3 km;、38条和4个增加到2015年的11619.5 km;、96条和28个,表明15年间研究区生态安全格局网络体系趋于复杂完善,保障生态安全的能力得到提升。基于上述研究结果,提出增加生态源地空间分布数量和范围,加强人工绿地的建设和保护来设置缓冲区,避免人为活动切断生态廊道,加强原有节点生态功能保护和优化的建议和策略,保障生态廊道网络的完整性,以期促进区域社会经济与生态环境的协同互惠关系,实现可持续发展。

沈阳清墓木质葬具的树种鉴定及生态环境的指示潜力

古墓葬器所用木材是我们了解当时植被、气候以及社会状况的重要材料。本文利用木材解剖学和树木年代学方法,对沈阳浑南水家村墓葬群出土的木质葬具进行树种识别与树木年轮定年研究。结果表明:16个木质葬具样本中有7个为松科松属油松木材,有8个为松科落叶松属木材,很可能为长白落叶松,有1个为槭树科槭树属木材。这些树种至今在辽宁地区仍广泛分布,说明该地区森林结构(树种组成)相对稳定,在一定程度上反映了当时气候与现在相似。也表明清代盛京(今沈阳)地区平民墓葬木质葬具所用木材存在区域性的植物地理特征,并反映出当时的生产力发展水平,即均是低成本、易获得的乡土树种,且这些木材以针叶树为主,也有少量阔叶树。这些木材很可能来源于沈阳当地或辽东山区森林,浑河水道是木材运至沈阳的重要途径。部分油松和落叶松葬具木材可以较好地交叉定年,确定树木生长年代在1680s—1770s(清朝早期至中期)。这些样本的年轮宽度变化具有较好的一致性和较高的气候敏感度,反映出区域气候环境的一致性。这些木质葬具对清朝早期至中期的气候条件具有一定的指示潜力。