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华体会在线登录森林经营教师团队在温带森林经营基础理论上取得系列进展

  近日,我校华体会在线登录的全国高校黄大年式教师团队、国家林草局林业和草原科技创新团队——森林经营教师团队,以温带大面积森林监测样地为基础,在森林地下碳库的动态变化、森林群落空间结构的驱动机制、温带天然林树高预测、邻域相互作用与树木生长关系对采伐干扰的响应、局域和区域尺度下性状-环境关系研究上取得系列研究进展。

图1.采伐对森林地下碳库的动态影响

  森林土壤储存约70%的土壤有机碳,在陆地碳循环中发挥了重要作用。抚育采伐作为重要的森林经营措施,在调控森林结构、提高木材产量、降低火灾风险中发挥重要作用。然而,采伐过程对土壤呼吸和有机碳及其组分的影响机制仍知之甚少。团队发现在采伐后的6~8年,重度采伐使土壤呼吸明显下降,土壤呼吸的下降归因于重度采伐下自养呼吸和异养呼吸的下降,这主要是由于土壤养分、微生物生物量碳和细根生物量的变化所导致。研究强调了采伐对土壤呼吸的影响随时间的变化,在准确预测采伐对土壤呼吸的长期影响时,应考虑细根和微生物生物量的变化。此外,在采伐9年后,重度采伐使表层土壤有机碳含量明显下降,与凋落物产量、土壤养分和细根生物量的减少有关。同时重度采伐显著降低了颗粒态有机碳含量,这与土壤养分和微生物生物量氮的减少有关。此外,中度和重度采伐显著降低了烷基碳及烷基碳和氧烷基碳的比例。土壤有机碳化学组分的变化与植物生物量和土壤活性有机质的分解相关。总之,将有机碳组分、植物生物量和微生物分解结合起来,可以更加全面了解森林经营过程中土壤有机碳的动态变化。成果发表在Catena(IF=6.367,土壤科学Top)和Forest Ecology and Management(IF=4.384,农林科学Top)上,博士生杨璐为第一作者,张春雨和赵秀海教授分别为通讯作者。

  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.foreco.2022.120189

  https://doi.org/10.1016/j.catena.2021.106013

  

图2.群落空间结构的形成机制

  群落空间结构的形成机制是群落生态学研究的核心。以往研究主要从种面积关系和物种多度分布探讨群落空间结构的形成过程。这些研究只考虑物种数量而忽略物种多度信息,或只考虑物种相对多度在特定尺度上的变化,难以全面理解多样性是如何随尺度变化以及其潜在的生态学机制。团队利用基于Hill number构建的多样性面积关系和多重分形的方法,结合完全随机、扩散限制、环境过滤以及扩散限制与环境过滤共同作用的空间点过程模型,评估了生态位过程和中性过程对群落空间结构的相对贡献。研究发现,群落空间结构的形成机制强烈地依赖于多样性测度对物种频率的敏感性:q<1时,群落空间结构由扩散限制和生境过滤机制共同主导,q≥1时由扩散限制机制主导。多重分形可以成功区分物种丰富度的跨尺度变化而无法区分相对多度的跨尺度变化。在验证群落空间结构的构建机制时,应该同时考虑物种丰富度和相对多度的信息,以及多样性度量对稀有和常见物种的敏感程度。成果发表在Forest Ecology and management(IF=4.384,农林科学Top)。博士生胡兵和张育新研究员为共同第一作者,张春雨教授为通讯作者。

  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.foreco.2022.120462

  

图3.温带天然林物种群划分

  相较于胸径树高的测定十分困难,构建精准而简易的树高-胸径模型可极大降低野外工作成本。以往研究大多针对单树种、林分结构单一的林分建立模型,对于多树种、多层次的林分缺乏适用的建模方法。团队根据冠层分布和更新模式划分了四个物种群,以传统理论生长模型为基础,针对不同物种群建立树高-胸径模型,并考虑将竞争因子纳入基础模型中建立广义模型。结果表明,不同物种群具有其独特的树高-胸径关系,其对应的最优理论树高-胸径模型也不同。相比于统一建模,划分物种群后的模型精度更高,这种采用物种群划分的分类思路可以推广到天然混交林的其他建模领域。添加竞争因子后,所有物种群的基础模型优度都得到进一步提升。为了保证该模型可以更好应用于不同树种组成的其他林分,研究还提供了以树种为随机效应的混合效应模型。成果发表在Forest Ecology and Management(IF=4.384,农林科学Top)。博士生崔可达为第一作者,赵秀海教授为通讯作者。

  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.foreco.2022.120298

  

图4.邻域相互作用与树木生长关系对采伐干扰的响应

  采伐不仅直接影响着生物多样性和生态系统功能,同时也改变了森林的物理环境和资源的可利用性,这些变化反过来又会作用于生物多样性和生态系统功能。团队在传统邻域相互作用指数的基础上,考虑了不同物种间的功能生态位差异以及亲缘关系信息,并进一步量化了这种基于功能性状或系统发育差异性的邻域相互作用指数对采伐干扰的响应。基于功能性状和系统发育差异性的邻域相互作用随采伐干扰强度的升高而降低,表明采伐可通过调整邻域的空间结构及物种组成,有效地缓解邻域竞争。采伐干扰增加了基于叶片氮含量和最大树高等级性的邻域相互作用,却降低了基于木质密度等级性的邻域相互作用。结果表明,采伐干扰提升了保留木的光竞争能力,同时保留了邻域范围内具有缓生-保守型策略的物种。随着采伐强度的升高,邻域拥挤度对树木生长的作用由不显著转为显著相关,在中度-重度采伐下,邻域拥挤度对树木生长有显著负效应。因此,为了加速树木生长及森林系统功能恢复,采伐决策中应充分考虑邻域相互作用对树木生长的影响。成果发表在期刊Ecological Indicators(IF=6.263,生态学与环境科学2区)。博士生岳庆敏为第一作者,赵秀海教授为通讯作者。

  论文链接:https://doi.org/10.1016/j.ecolind.2022.108663

  

图5.局域及区域尺度下性状与环境关系

  森林在保护生物多样性、减缓气候变化和固碳等各类生态功能与服务中发挥着重要作用。探讨不同空间尺度上森林群落的功能组成如何随环境条件变化有助于更好理解环境在驱动群落结构和生态系统功能的作用。团队研究发现种内变异对群落水平性状变异具有较大的贡献,并且种内变异的相对贡献随着空间尺度的增加而减少。该发现支持了SVP假说,即随着空间尺度的增加种内变异相比于种间变异的程度会降低。因此,为了准确评估不同尺度的性状-环境关系,应当在分析中考虑种内变异的作用。此外,土壤和地形因素共同决定了局域尺度的群落功能组成,而气候因素则是区域尺度群落功能组成变异的主要驱动因素。结果表明局域非生物因素是小尺度森林群落功能性状组成的主要驱动因素,而除了环境因素外,其他因素(如生物相互作用和遗传变异)在驱动大尺度森林群落功能组成变异中也发挥重要作用。成果发表在期刊Frontiers in Plant Science(IF=6.627,生物学Top)。博士生达日罕为第一作者,赵秀海教授为通讯作者。

  论文链接:https://doi.org/10.3389/fpls.2022.907839

 

作者:张春雨;审核:黄华国

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