暖温带落叶阔叶混交林能量生态学研究

本文是首篇研究中国暖温带落叶阔叶混交林能量生态学的论文。在文中，笔者以详实的第一手资料从能量环境、能量流动、能量组合以及能量平衡几个方面，全面、系统地阐述、分析了辽东栎林——这一暖温带落叶阔叶混交林典型自然群落代表的能量生态学特征。 在能量环境一章中，笔者从能量流动，能量平衡的角度出发重点研究了辽东栎群落的辐射能量环境特征。笔者以1991-1993年的观测资料为基础，从乔木、灌木和草本三个层次分析了生长季总辐射、散射辐射、直射辐射、反射辐射、净辐射、先合有效辐射、透射辐射、吸收辐射以及乔木层和灌木层反射率的季节动态和日进程特征，并从天文因子、气象因子和群落自身发育特征几方面解释分析了辐射能量环境的这种时空动态特征，同时，分析了这种变化特征对群落能量流动、分配和平衡过程可能产生的影响。 另外，笔者也对群落湿度和风速环境的时空动态特征进行了分析。 在能量流动一章，笔者以1992-1993年的野外实验资料为依据，沿季节动态、月际变化和日进程的时间轴，从群落、乔木层、灌木层、草本层以及各乔、灌木种群的空间尺度详细分析、阐述了太阳辐射能在森林群落内的流动和转化特征，并从能量环境和群落发育的角度解释分析了能量在群落内的这种时空分布和转化特征。所讨论的能流对象包括群落、乔、灌、草各层及各乔、灌木种群的总能流固定量、叶片呼吸耗能量、剩余能流固定量以及沿枯枝落叶流出的能流量。 与分析能流过程同步，笔者从上述的时、空尺度分别以生长季内太阳总辐射和光合有效辐射为基础计算、分析了森林群落的光能转化率特征。 在这一章的最后，笔者概述性地介绍了辽东栎群落的能量平衡特征 在第四章，笔者从能值的角度出发，以能量密度为标准讨论了能量沿群落各层及各乔、灌木种群的积累、分配和组合特征，并讨论了能量流动和光能转化率与热值和能量密度的关系。 辽东栎群落能量生态学的研究不但为了解暖温带落叶阔叶林生态系统的结构和功能，为恢复和重建退化的森林生态系统提供了丰富详实的理论信息，而且，也为山区人工林优化模式的组建提供了理论依据和实践指南。

暖温带山地森林生态系统水分问题研究

本文的研究是中国科学院院重大项目“暖温带森林生态系统结构、功能及生产力持续发展”的主要内容之一。作者以详实的第一手资料，从森林小气候及环境特征、森林降水的水文学效应及降水化学、森林的热量平衡及蒸发散、树木个体的水分生理生态学几个方面阐述、分析了暖温带山地森林生态系统主要林分的水分及其相关生态学问题。 在森林小气候及环境特征一章，作者从不同季节的日变化和生长季的月际变化两个视角，以落叶阔叶混交林和油松林为研究对象，考察了林冠上和林下四个不同梯度的风速、气温、湿度、地温的时空动态。 在森林降水的水文学效应和降水化学一章，笔者以1993、1994年试验年度的83次降雨观测资料为基础，分析了暖温带落叶阔叶混交林、辽东栎林、油松林、落叶松林、次生灌丛降水总量与各降水分量的关系，建立了单次降雨与各降雨分量的经验模型，并给出了生长季林冠作用层和林地作用层的水量分配的月际动态。在探讨上述水量关系的同时，作者还分析了前四类林分大气降水及各降水分量中N、K、Ca、S、Mg、P、Al七种元素的浓度及含量变化，就不同树种对上述元素的选择性交换作了探讨，比较了不同林分的降水化学效应差异。 在第四章，作者以落叶阔叶混交林和油松林为研究对象，分析了两类林分在94试验年度生长季辐射平衡、显热通量、潜热通量、蒸发散以及土壤热通量的季节变化和日变化特征。 在树木个体的水分生理生态部分，作者应用压力室一容积技术测定了暖温带落叶阔叶林、油松林和次生灌丛10种主要树种的水分生理指标：日最低水势值、最大膨压时的渗透势、膨压为零时的渗透势、初始质壁分离时渗透水的相对含量、初始质壁分离时的相对含水量、质外体水的相对含量、细胞最大弹性模量，并比较了不同树种间上述指标与抗旱性的关系。此外，作者还应用Li-1600稳态气孔计测定了上述林分中主要树种的日均蒸腾强度的季节动态，并比较了上下两面叶片蒸腾特性的差异。最后，作者采用九种水分生理指标对10种主要树种的抗旱性作了主分量分析，给出了综合性抗旱指标。 在第六章，作者应用热脉冲技术系统地研究了暖温带山地森林主要乔木树种的树干液流的时空变化特征，并应用时序分析方法对上述树种的树液流量变化建立了自回归模型，在此基础上提出了生理惯性指标，给予了生理学解释。

中国暖温带森林群落多样性若干问题的研究

中国暖温带落叶阔叶林区维管植物共158科，931属，近4000种（含亚种，变种和变型），种子植物l3l科，877属，3770余种。暖温带植物区系有很强的温带性质，各类温带成分共548属，而各类热带成分仅226属，热带成分与温带成分(R/T)的比率为0．31。运用TWINSPAN和DCA对全国34个植物区系进行了数量分类排序，结果反映了一个地区的植物区系性质主要取决于其所在地的地理位置，同时也受山地海拔高度的强烈影响这一植物区系的基本特征。 根据暖温带森林植物的特点，修订了Raunkiear生活型系统。暖温带森林植物以地面芽植物(H)占较大的优势，占暖温带全部种类的33.9%;其次是地下芽(G)植物，占l 9.7%;全部高位芽植物占27.5%，绝大部分为落叶阔叶高位芽植物。主要由这些生活型组成的暖温带植物生活型总谱基本反映了暖温带夏季温暖多雨、冬季寒冷干旱的中纬度地区地面芽植物群落气候特征。 暖温带森林植被类型主要有7个植被亚型，约50个群系。辽东栎群落是典型的地带性森林群落。应用TWINSPAN和DCA程序将68块暖温带部分地区辽东栎群落样地和83块北京山区辽东栎群落样地分别划分为1 5个和14个群落类型。用物种丰富度指数、Simpson指数、多样性奇测法、Shannon-Wiene r指数、Pielou均匀度指数，Heip均匀度指数、AIatalo均匀度指数等常用的多样性测度方法，分别对暖温带和北京山区辽东栎群落的多样性进行了测度，结果发现，多样性作为一个整体与DCA第1轴有很大的相关关系：暖温带辽东栎群落多样性指数与DCA第1轴的复相关系数为0.7左右，北京山区较高，为0.8左右。多样性的空间特征为：随海拔的升高和纬度的降低，多样性指数呈上升趋势，反映了水热条件在辽东栎水平分布范围内、人类活动和水分因子在辽东栎垂直分布范围内对群落多样性的影响;不同群落之间多样性指数由低到高的顺序为：灌丛、辽东栎萌生丛、辽东栎林、辽东栎纯林、混交林，符合群落演替过程中多样性的动态规律。 对秦岭主峰太白山海拔1400-1600m之间植被类型和物种多样性进行了研究，在划分的1 5种群落类型中，以位于海拔1500-2300m之间的落叶阅叶混交林和栎类混交林的群落多样性最高，在海拔2300-3600m之间，群落多样性趋于单调下降，反映了热量的不足在这一海拔高度范围成为多样性的主要限制因子。

北京东灵山地区暖温带森林生态系统能量环境和能量固定的研究

水文研究了北京东灵山地区落叶阔叶林和人工油松林的能量环境和能量固定，以及相关的生态学过程。重点研究了落叶阔叶林林冠表面、灌木层表面和草本层表面的总辐射、直射辐射、散射辐射、反射辐射、净辐射和长波将辐射、分光谱辐射，强调了自然条件下斜坡对上述辐射分量的影响。上述分量随森林内层次的下降而剧减，光谱组成也发生变化，长波辐射和短波红外辐射所受的影响较小。天气对辐射通量的日进程和月际变化都有重大影响。 落叶阔叶林主要树种叶片净光合速率在7月底8月初达到最大值，以辽东栎的最高，五角枫最低。除大叶白蜡外，正午或稍后有明显的午休现象。油松小技的光合速率上层）中层）下层，7月底和8月全月都是光合速率高峰期。白天净光合速率在中午没有明显的“午休”现象 自然环境下油松不同年龄的针叶的光合速率与光强度的关系近似于一种抛物线关系，而不是人工控制条件下测定所出现的双曲线关系。 主要落叶阔叶乔灌木和油松树干的呼吸速率7月份最高，10月最低，24小时连续测定结果表明，乔木树种树干呼吸在下午或傍晚达到最大值，是因为树干温度落后于空气温度的变化节奏造成的。 以油松为例，研究了树木侧枝长的年增长规律，发现侧枝年增长量随着年份发生有规律的变化，与气候因子的关联分析与回归分析表明，枝长的年增长量与空气温度、年降水量和年蒸发量关系最为密切。最后利用光合生产潜力逐步修正的途径和Lieth-Box途径，估算了被研究森林的潜在生产力，并分析了造成估计值偏高或偏低的原因。

北京东灵山暖温带典型植被类型物种构成及物种多样性对氮素转化过程的影响

通过调查东灵山地区7个典型植被类型的物种多样性，并测定各林型中植物叶片养分特征，凋落物品质，土壤理化特性，豆科植物的生物固氮作用以及土壤有机质的净N矿化与硝化作用，研究了不同林型及其物种多样性对氮素转化过程的可能影响。结果表明： 1) 各林型乔灌草三层13个物种多样性指数之间都不同程度存在差异，且都表现基本一致的大小顺序，各样地乔灌草三层3个丰富度指数和5个多样性指数之间大都表现草本层>灌木层>乔木层的大小顺序。 2) 林型对植物叶片养分特征、叶片凋落物品质指标、土壤的大多数理化特性都有显著影响，其中，落叶阔叶林与针叶林之间的差异最为明显，优势种不同的针叶林之间也不同程度地存在差异。各林型物种多样性对植物叶片养分特征，凋落物品质和土壤理化特性也都不同程度存在显著影响，且乔灌草三层的物种多样性的影响不同。我们的结果支持物种多样性对生态系统过程存在显著影响的观点。 3) 胡枝子(Lespedeza bicolor)％FNDA值较低，在0～53.3％之间，与国外学者对某些木本豆科固氮植物的研究结果接近，但低于三叶草、野豌豆等草本豆科固氮植物。胡枝子生物固氮具有明显的季节差异，不同样地生境对胡枝子％FNDA值也存在显著影响，大都都表现铁塔辽东栎样地>重力点样地>站下灌丛样地>垭口样地的趋势。除胡枝子之外的其他豆科植物的％FNDA都高于胡枝子，且存在种间差异，以三籽两型豆(Amphicarpaea capillipes)最高(100％)，歪头菜(Vicia unijuga)最低(平均66.4％)，这些结果与国外相关研究接近。不同林型之间和同一林型不同样地之间也影响豆科植物的％FNDA。东灵山地区有相当数量的植物种具有和固氮植物相近的δ15N值和全N含量，具有潜在的生物固氮能力。6个林型中所有豆科植物的％FNDA平均值主要受乔木层和草本层物种多样性的影响，乔木层和草本层物种多样性提高，豆科植物的％FNDA将随之显著降低。 4) 气温、土壤温度和降水量显著影响各林型净氮硝化速率的季节动态，都表现为温度升高，降水量增加，净氮硝化速率也随之增大。 5) 在不同取样时间，不同林型在土壤NH4+、N03-含量，矿化、硝化速率以及年度总净矿化、硝化量之间均不同程度存在显著差异，其中，以辽东栎落叶阔叶林与针叶林之间，常绿针叶林与落叶针叶林之间，纯林与混交林之间的差异最为明显。 6) 土壤初始N0_3含量与年度总净硝化量，年度总净矿化量及其占TKN的百分比呈显著正相关关系;植物叶片全N浓度与净氮矿化、硝化作用呈显著负相关：植物叶片凋落物的品质指标与净氮矿化、硝化作用没有显著相关。 7) 胡枝子固氮作用(％FNDA值)越强，土壤有机氮的净硝化量就越大，胡枝子在从大气中获取大量N，的同时，很可能会增加氮素的淋溶损失量。胡枝子固氮作用(％FNDA值)与净氮矿化量不存在显著相关关系。 8) 只有乔木层和草本层部分种多样性指数对净氮矿化、硝化量存在显著影响。乔木层均匀度提高，土壤净氮碳化量将随之增大;而草本层物种多样性提高，均匀度提高，净氮矿化、硝化作用将随之降低，草本层植物对土壤氮素矿化作用具有显著抑制作用。 9) 落叶阔叶林与针叶林的供氮能力和维持无机氮素的能力之间存在比较明显的差异，而不同针叶林的矿化／硝化作用也有所差别。其中，辽东栎落叶阔叶林的供氮能力和维持氮素能力均高于针叶林和山杏灌丛;油松林的供氮能力与防止氮素损失的能力显然要强于落叶松林和山杏灌丛。 10) 尽管箭叶锦鸡儿灌丛植物叶片与凋落物中全N、全P浓度在大多数取样点上都低于硕桦(高于草甸)，但表层土中全N浓度高于硕桦和草甸，且其土壤有机质的供氮能力以及维持氮素能力都高于硕桦林和草甸，表明，锦鸡儿灌丛为侵入草甸和硕桦入侵提供了良好的养分条件，在该演替序列的发展过程中起了一定的推动作用。

东灵山地区辽东栎群中植物种群的时空格局研究

在北京东灵山地区以辽东栎（Quercus liaotungensis Koidz.）林群落为主要对象，研究了辽东栎种群和主要伴生种的空间格局、种间联结以及辽东栎种子雨的时间格局，井对空间格局的表达方法进行尝试性的探讨。 对辽东栎林群落中主要乔木树种辽东栎、大叶白蜡（Fraxinus thynchophylla）和五角枫（Acer mono）种群空间格局与动态的考察结果显示：各种群大多表现出聚集分布的趋势;辽东栎种群在各个龄级层均显示出较强优势，但种群内竞争激烈，龄级结构相对稳定;人叶白蜡的幼苗对环境适应能力较强，在成熟林中呈现出较五角枫种群更明显的增长型趋势：幼林中3个种群均呈衰退型趋势。 种间联结性的测定结果较好地反映了植物对环境的适应性，用关联分析法作出的树状图利用临界种将样方划分为若干组，体现出小生境之间的差异，反映了植物对其生境亦具有一定指示作用。 辽东栎种子雨的时间格局研究结果表明：种群种子雨密度随时间的变化呈正态分布趋势，种群水平利个体水平的种子雨累积随时间变化均符台Logistic曲线，具有很高的相关性。 空间格局表达方法的探讨显示：可以用集合论的方法对数学模型进行形象表达。