环境CO2浓度和群落密度对红桦(Betula albosinensis Burk.)幼苗碳氮吸收和分配的影响

当前大气CO2浓度升高是全球变化的主要趋势之一，CO2浓度升高还会引起全球变暖等其它环境问题，因而CO2浓度浓度升高对植物影响的研究已经成为全球变化领域的焦点。红桦是川西亚高山地区暗针叶林演替初期的先锋树种和演替后期的建群种，在群落演替过程中它对环境因子的响应决定红桦群落的演替进程。本文通过控制CO2浓度的气候室试验，研究了CO2浓度倍增环境下，不同密度水平红桦碳氮固定、分配可能发生的改变，并探讨了升高大气CO2浓度对群体内部竞争的影响。以期通过本研究明确川西亚高山地区代表性物种红桦对未来气候变化的响应，为今后采取措施应对气候变化、妥善进行森林管理提供理论依据和科学指导。主要研究结果如下： 1.升高CO2浓度对红桦幼苗生长的影响以及树皮、树干响应的不同 (1) CO2浓度升高显著促进红桦幼苗的生物量、株高、基茎的生长，同时也改变生物量在体内的分配格局，主要是增加根和主茎、减少叶在总生物量中的比重。(2)树皮和树干对升高CO2浓度的影响有差异，它们对CO2浓度升高的反应程度不同，但反应方向一致。 2.密度的副效应 (1) 增加种植密度对单株生物量、株高和基径的生长具有副效应，也降低升高CO2浓度对红桦生长的正效应。(2) 增加种植密度，显著增加红桦幼苗的群体生物量，从而使红桦群体固定更多的大气CO2气体。可见密度在决定红桦生物量及固碳能力方面具有重要意义。探索适合未来大气CO2浓度升高条件下植物生长的密度，对未来的森林经济生产、生态恢复具有重要意义。 3. 升高CO2浓度对红桦幼苗苗冠结构及冠层内部竞争的影响 (1) 冠幅、冠高、苗冠表面积和苗冠体积等树冠特征均受CO2浓度升高的影响而增加，但是受密度增加的影响而降低。(2) 单位苗冠投影面积叶片数(LDcpa)和单位苗冠体积叶片数(LDcv)均低于相应的现行CO2浓度处理，这主要是由于冠幅和冠高的快速生长所造成的。(3) LDcpa和LDcv的降低表明，红桦在升高CO2浓度的条件下，会作出积极的响应，从而缓解由于群体和个体生长的增加所引起的竞争压力的增加。 4. 升高CO2浓度对红桦幼苗养分元素吸收与分配的影响 (1) CO2浓度升高，植株各器官N、P含量降低，但单株N、P总吸收量均增加。红桦幼苗体内N、P浓度的下降是由于生物量迅速增加引起的稀释效应造成的。(2) CO2浓度升高，N、P向主茎和根的分配增加，向叶片的分配减少，主要是由于前者在总生物量中的比重增加，而后者减少了。(3) CO2浓度升高，氮磷利用效率(NUE和PUE)提高，氮磷累积速率(NAcR和PAcR)显著增加。而NUE和PUE的提高可以有效缓解CO2浓度升高后，亚高山和高山地区森林土壤中养分元素不足对森林生产力的限制。 5. 升高CO2浓度对红桦幼苗群体碳平衡的影响 (1) 升高CO2浓度对植物的光合作用、呼吸速率和生长均具有促进作用。(2) 土壤有机碳含量在实验前期迅速增加，后期积累速率下降。(3) 升高CO2浓度以后，土壤呼吸显著增强；土壤呼吸还具有明显的季节变化。(4) 红桦群体日固碳量受到升高CO2浓度的促进作用。结果(1)-(4)说明所研究群落的碳动态对现行的气候波动是敏感的；所研究群落在作为大气CO2气体的源-汇关系方面至少存在季节间的源汇飘移。(5)种植密度的升高显著增加了群体固碳量。 6. 升高CO2浓度对红桦幼苗生长后期叶片衰老的影响 升高CO2浓度有利于减缓红桦幼苗叶片生长季节末期的衰老。生长季节末期，随着CO2浓度的升高光合速率和可溶性蛋白含量均呈上升趋势，同时MDA（丙二醛）含量下降，保护酶SOD（超氧化物岐化酶）、CAT（过氧化氢酶）活性升高。由此说明，升高CO2浓度有利于减缓生长季节后期叶片的衰老，使叶片维持较高的光合速率，也从生理学的角度支持了本文及前人有关CO2浓度升高促进植物光合和生长的假说及结果。 The increased CO2 concentration is one of the most important problems among global changes. The increase of CO2 will also cause other environmental problems, such as global warming, etc. So the effects of elevated CO2 on plant have drawn sights of many scientists in the research field of global change. Red birch (Betula albosinensis) usually emerges as the pioneer species in initial stage and as constructive species in later stages of forest community succession of the dark coniferous forests in Western Sichuan, China. It’s response to elevated CO2 may determine the succession process of the community where it lives in. By controlling CO2 at the ambient and twice as the ambient level (ambient + 350 umol mol-1) using enclosed-top chambers (ETC), possible effects of elevated CO2 on carbon fixation and allocation under two plantation densities are investigated. The effects of elevated CO2 on competition within canopy of red birch seedlings are also observed in the present paper. We hope to make sure of the effects of elevated CO2 on the representative species, red birch. And so that, our results could provide a strong theoretical evidence and scientific direction for forest management and afforestation under a future, CO2 elevated world. The results are as fowllows: 1. The effects of elevated CO2 on growth and the different responses of wood and bark of red birch seedlings (1) Elevated CO2 increases the growth of seedling biomass, seedling height and basal diameter of red birch. It also changed the biomass allocation in red birch seedlings. The ratio of root and main stem to all biomass is increased and the ratio of leaf is decreased. (2) Tree bark and wood show different response degree but similar response direction to elevated CO2. 2. Negative effects of planting density (1) The increase of planting density showes negative effects on the individual growth of seedling biomass, seedling height and basal diameter of red birch. It also eliminates the positive effects of elevated CO2 on growth of red birch seedlings. (2) Community biomass is increased by the elevated planting density, which means that the high density red birch community could fix more CO2 than the low density one. These results show that planting density plays an important role in determining biomass and carbon fixation ability of red birch community. Thus, exploring proper planting density becomes economically important for the future, CO2 elevated word. 3. The effects of elevated CO2 on crown architecture and competition within canopy of red birch seedlings (1) Crown width, crown depth, crown surface area and crown volume are all increased under the influence of elevated CO2. (2) Leaf number per unit area of projected crown area (LDcpa) and per unit volume of crown volume (LDcv) are lower under elevated CO2. This is resulted from the stimulated growth of tree crown features. (3) The decrease of LDcpa and LDcv indicate that plants will respond forwardly to reduce the possible increase of competition resulted from stimulated growth of individual plant and collectives in conditions of elevated CO2. 4. The effects of elevated CO2 on nutrition accumulation and allocation of red birch seedlings (1) Contents of N and P decrease due to the prompt increase of biomass of plant organs caused by elevated CO2. However, their accumulations increase under elevated CO2. (2) Elevated CO2 increases the allocation of N, P to main stem but reduced its allocation to leaf for that dry weight of the former increased but the dry weight of the later decreased. (3) Using efficiencies of N, P (NUE and PUE) and their accumulation rates (NAcR and PAcR) are found to increase under elevated CO2. Soil nutrition contents are always the limiting factors for plant growth at subalpine and alpine region. The increased NUE and PUE are helpful to eliminate the nutrition limitation in this area in the future world, when CO2 concentration doubles the ambient. 5. The effects of elevated CO2 on carbon balance of red birch communities (1) Net photosynthetic rates (Pn), dark respiration rates (Rd) and growth are all stimulated by elevated CO2. (2) Content soil organic carbon increases sharply at the primary stage of experiments and then the increasing rates decrease to a low level at later stages. (3) Soil respiration rates increase significantly with the elevation of CO2 concentration. (4) The daily carbon fixations of whole community are heightened by elevated CO2. The results (1)-(4) suggest that, the community being studied are sensitive to current climate change; the studied community, as a sink of atmospheric CO2, is pool-sink alternative between seasons. (5) The carbon fixations are increased along the increase of planting densities. 6. The effects of elevated CO2 on physiological features of leaf senescences of red birch seedlings at the later stage of growing season Elevated CO2 helps to postpone the leaf senescences of red birch at the end of the growth season. CO2 enrichment increases the photosynthetic rates, contents of soluble proteins and photosynthetic pigments. And meanwhile contents of malondialdehyde (MDA) decreases and activities of superoxide dismutase (SOD) and catalase (CAT) are both increased. These results suggest that the senescences of red birch leaves are delayed by elevated CO2, which keep the photosynthetic rates at relatively high levels. Our results lend supports to hypothesis and results on stimulated photosynthetic rates and growth from both other researchers and the present paper.

桦木科植物的系统发育和地理分布

本文对桦木科植物的研究历史作了详细的总结;在钻研文献的基础上，补充了部分系统学资料，使得花序、花、花粉、叶表皮等各类性状能够在属间进行比较，根据外类群比较、和谐性分析等原则确定了性状的演化极性，利用最大同步法和最小平行演化法对桦木科植物进行了分支分析;对各属的现代分布和地史分布作了描述，在此基础上，讨论了桦木科植物的分布中心、起源地、起源的时间和散布的途径;在第四章，作者试图回到遥远的晚白垩纪和早第三纪，从描绘桦木科植物起源和早期分化的古地理和古气候背景入手，分析了在这种背景下桦木科植物所发生的空间辐射以及植物体本身所产生的形态进化，以求得对桦木科植物起源、散布和分化作出比较合理的解释;最后对桦木科组以上的等级作了分类处理。全文包括五个部分，主要的结论如下： 1、分支分析：广泛阅读桦木科、壳斗科和南青冈科的文献，详细研究中国科学院植物研究所标本馆所藏的桦木科植物的标本。首先以壳斗科和南青冈科作为外类群对各类性状进行了分析，得到一个由22个性状组成的数值矩阵;接着又对上述的22个性状作了和谐性分析，结果有7个性状的CN>O,2，其中3个性状在调整性状状态后被保留，有4个性状在颠倒极性和调整性状状态后仍不和谐被去除．最后得到由18个性状组成的矩阵，该矩阵和谐性检验的结果是：所有性状的KN值和CN值均为O，将此矩阵用最大同步法和最小平行演化法进行分支分析，得到一个相同的分支图。分支图用了19个演化步数，与矩阵的最小步数相同，较好地反映了桦木科植物的属间关系。分支图说明：桤木属是从桦木科植物的祖先中最早分出的一个分支，几乎保留了祖先所有的原始性状;桦木属和桤木属近缘，但并非姊妹群;榛届在桦木科中占有特殊的地位，是桦木科植物的原始类群向进化类群演化的中间纽带;虎棒子属是榛属向鹅耳枥属和铁木属进化过程中分化出的一支;铁木属和鹅耳枥属为姊妹群，在桦木科植物中演化水平最高。 2、地理分布：地理分布分析是以经典分类、系统发育和古植物学三方面的资料为基础，根据生物进化的时、序、空相互统一的观点来讨论的。 根据Takhtajan (1978)对世界植物系的分区，认为：东亚区分布6属、13组、77种，占桦木科植物全部种类的59%，为第一分布中心;大西洋一一北美区分布5属。8组、20种，为第二分布中心;环北方区分布5属、8组，35种，是桦木科植物分化的重要地区。在中国，根据吴征镒(1979)对中国植物区系的分区，认为：中国一一日本森林亚区和中国一一喜马拉雅亚区在种数，组数和属数的分布上分别位居第一和第二。四川及其毗邻省区分布6属、52种，占全部中国种类的70, 3%，是中国桦木科植物的分布中心。 桦木科最早的化石记录是具多个角萌发孔并有带状加厚的桤木粉，发现于日本桑托期．随之这类花粉和另外一种花粉类型：副桤木粉（有微弱带状加厚的三孔粉）在欧亚大陆和北美的地层中便开始普遍起来;可能的桤木属植物的叶子发现于白垩纪最晚期，而可辨认的果序的记录则开始于古新世． 8孔的具带状加厚的桦粉最早见于日本的坎佩尼期，而缺少带状加厚的拟桦粉最早发现于中国内蒙古的梅斯特利克蒂期，以上两类花粉均和现代桦木属植物的花粉相似;可归于同一个化石植物Betula leopoldae的叶子、雄花序，果序和果实的化石发现于加拿大大不列颠哥伦比亚的中始新世地层中。基于果实化石的榛属植物的最早记录发生在欧洲和北美古新世;被认为和榛属有亲缘关系的绝灭属——古鹅耳枥属的叶子，果序和雄花序的化石发现于古新世和始新世;开始见于中国梅斯特利克蒂期的拟榇粉和最早发现于苏格兰古新世的米勒三孔粉也均和榛属植物有关。基于可辨认的花粉和果苞的化石，鹅耳枥属和铁木属分别在晚始新世和早渐新世有了最早的化石记录． 最后根据化石证据和现代地理分布特征提出：以四川为中心的中国中部地区是桦木科植物起源和早期分化的中心;最早的桦木科植物生活在晚白垩纪桑托期，桤木属、榇属、桦木属可能在白垩纪最晚期或古新世时就已经出现了，而最迟不晚于中始新世;鹅耳枥属和铁木属的形成均不晚于晚始新世，到渐新世时，除虎榛子属外，桦木科其它各属均广泛分布在北半球。 3、进化分析：桦木科植物起源和早期演化的晚白垩纪和早第三纪在古地理和古环境方面主要有四个特点：(1)地球板块相对稳定;(2)气候相对一致，区带环流是大气环流的基本成份; (3)恐龙绝灭，哺乳动物作为传播媒介变得重要起来; (4)风媒和虫媒植物共荣。桦木科植物就是在上述背景下起源的。桤木属蒙自桤木组和桤木组最早从祖先类群中分化出来，接着一方面较缓慢地向欧洲散布，并在古新世到达欧洲;另一方面，向中国东北地区散布，然后迅速地扩散到了北极地区，通过白令陆桥在白垩纪最晚期到达了北美。从北美西北部和从欧洲通过大西洋北极陆桥散布到北美东部的桦木科植物在始新世时汇合，形成第二个分化中心。虎榛子属、鹅耳枥属和铁木属植物的大量分化很可能是从全球气候恶化的渐新世开始的，并在分化的同时伴随着其它的桦木科植物向南迁移。桤木属在渐新世时就散布到了当时位于中国东南部的加里曼丹岛;桤木属、鹅耳枥属和铁木属中新世时散布到了墨西哥和中美洲;第四纪冰期加速了桦木科植物的南移，桤木属到达非洲北部和南美洲，桤木属和鹅耳枥属到达台湾岛均发生在更新世。 在环境的选择压力下，桦木科植物经历了一系列的形态演化，作者将这些演化归纳成34个进化趋势。为了对桦木科植物可能祖先的大概轮廓有一个认识，我们又从34个进化趋势中总结出桦木科植物的11个原始特征，并且认为这些特征中的大多数应该是它的祖先拥有的。 (1)裸芽有柄。 (2)气孔器为轮列型或无规则型。 (3)木材具管胞，导管有螺旋加厚，为梯状穿孔。 (4)雌、雄花序共生成总状花序，雄花序位于上部。 (5)花序两性。 (6)雄花序有梗、裸露过冬。 (7)小聚伞花序由多个花组成，苞片多数。 (8)花两性，有花被，子房3室。 (9)花药药室木分离，花丝也不分叉。 (10)花粉粒4-5孔;孔具孔室;孔间有带状加厚;外壁较厚，在孔处翘起并加厚。 (11)具翅坚果小型。 本文提出桦术科植物不可能起源于现存的壳斗科植物，而两者有可能共祖，它们共同的祖先和正型粉类复合群有关，可能来源于正型粉类复合群的某些成员，那么‘正型粉类复合群是否就是金缕梅目和壳斗目进行的中间链环呢?’本文仅作为一个问题提出，而未作回答。 4、系统分类：根据分支分析和表征分类的结果，桦木科是非常自然的一个类群，科内表现出从原始到高级的演化次序并具有三条主要的演化路线。因此，将桦木科划分为三个族与科内的三条演化线相一致，比较符合其属间的系统发育关系。按照各属的变异程度，进一步在桦木族和鹅耳枥族之下分别设立两个亚族。此外在桦木科植物属之下共确立了13个组。桦木科组以上的系统排列为： Betulaceae S. F. Gray Trib. 1. Betuleae Subtrib. 1. Alninae Z. D. Chen subtrib. nov. Alnus Mill. Sect. 1. Clethropsis ( Spach ) Endl. Sect. 2. Alnus Sect. 3. Cremastogyne H. Winkl, Sect. 4. Alnobetula W. D. Koch Subtrib. 2. Betulinae Betula L. Sect. 1. Betulaster ( Spach ) Regel Sect. 2. Betula Sect. 3. Costatae Regel Sect. 4. Chinenses ( Nakai ) Z. D. Chen comb. et stat.nov. Sect. 5. Humiles W.D.Koch Trib. 2. Coryleae Aacheraon Corylus L. Sect. 1, Acanthochlamys Spach Sect. 2. Corylus Trib. 3. Carpineae A. DC. Subtrib. 1. Ostryopsinae Z. D. Chen subtrib. nov.Ostryopsis Dence. Subtrib. 2. Carpininae Ostrya Scop. Carpinus L. Sect. 1. Distegocarpus ( Sieb. et Zucc. ) Sarg. Sect. 2. Carpinus

黑龙江嘉荫地区古新世孢粉植物群及古植被、古气候研究

植物是环境变化的重要指示物之一。晚白垩至早第三纪时期，全球生态系统发生了剧烈变化，研究这一时期植物对了解地质历史时期环境变化趋势, 认识和保护当今环境有重要意义。我国黑龙江省嘉荫县有这一时期的地层发育，其中乌云煤矿和白山头是主要的露头剖面。前人曾从地质时代、孢粉及植物化石角度对这两个剖面进行过研究，但是仍有部分问题尚存争议。在本项工作中，我们对两个剖面的孢粉样品进行了系统采样，部分孢粉类型同时在光镜和电镜下进行了拍照。我们还对存在争议的这两个剖面的地质时代进行了讨论。同时，首次用共存分析法对这两个剖面的在沉积时期的气候进行了整体及分段的定量重建。另外，我们结合中其它地点的气候重建工作对不同时期的纬度温度梯度进行了研究。 乌云煤矿和白山头两个乌云组剖面的古新世孢粉植物群的研究结果表明：乌云煤矿孢粉植物群主要是与榛属（Corylus），桤木属（Alnus），桦木属（Betula），榆属（Ulmus）及松属（Pinus）有亲缘关系的植物；白山头剖面的孢粉植物类型与乌云煤矿基本一致，但是其中针叶类植物的花粉所占比重较大。 根据乌云煤矿与白山头剖面的孢粉类型在地层中的分布，以及与其它古新世地层的对比，我们认为乌云煤矿与白山头含孢粉段的地质时代为古新世。 用共存分析法得到乌云组古新世气候参数有两组。孢粉类型的共存结果为：年均温14.8-14.9℃，年降水量816-1389mm；植物化石类型的共存结果为：年均温16.3-16.8℃, 年降水：1124-1623mm。对乌云煤矿与白山头两个剖面孢粉带中的孢粉类型的气候参数分别进行共存，结果表明，除乌云煤矿孢粉第三带到第四带外，乌云地区的年均温在整个沉积时期均呈上升趋势；年均降水量的变化趋势与年均温基本一致。 根据从古新世到现代不同地点气候定量重建的年均温参数，我们计算得到了不同时期纬度温度梯度变化的值：<0.1℃/古纬度（古新世）、 0.1℃/古纬度（始新世）、0.45℃/纬度（中新世）、0.55℃/纬度（上新世）。结合当今全球的平均温度梯度值（0.7℃/纬度），我们得出纬度温度梯度的值从古新世以来呈不断上升的趋势。这一结果显示65Ma 以来赤道与极地间的温度差异逐渐增大，同时也提示了全球温度可能呈下降趋势。

中国北方花粉--气候走势面研究及内蒙中部全新世环境变迁

本文在对中国北方表土花粉研究的基础上，采用多项式函数回归方法建造了中国北方松属(Pinus)、桦属(Betula)、栎属(Quercus)、蒿属(Artemisia)、藜科(Chenopodiaceae)、菊科(Compositae)、云杉属(Picea)、麻黄属(Ephedra)、禾本科(Gramineae)等的花粉——气候趋势面，从而为利用化石花粉资料直接恢复古气候、古环境提供了一种方便易行的方法;采用多元分析方法对内蒙古中部草原区表土花粉进行了主成分分析，探讨了草原区表土花粉组合的规律及与植被类型的关系;本文还应用孢粉分析方法，结合14C测年技术，通过内蒙古中部察素齐泥炭剖面高分辨率的化石花粉数据，初步恢复了大青山山地南部及土默特平原地区分辨率为70年的全新世以来植被演替和环境变迁的状况，并与邻近地区的全新世古气候、古环境进行了对比研究，研究发现，本区域全新世古环境的变迁序列基本上可以与周围地区及华北地区进行对比，其环境变迁经历了凉干～温湿～暖湿～温干～凉干的变化，且气候最适宜期出现在5000～4100aB.P.期间;最后，对利用花粉——气候趋势面方法恢复古气候进行了尝试和探讨，经与常规方法对比，表明利用趋势面模型重建古气候是一种行之有效的新方法。

中国东北样带孢粉-植被的定量关系及古生物群区的反演

基于中国东北样带（NECT）30个植被样方调查和表土孢粉资料，从个体、群落水平研究了孢粉－植被关系，结果表明，孢粉类型与植被关系密切，在 ＝ 0．05的显著性水平上，相关系数大于0．5;表土孢粉组合与植物群落间有较大的相似性，相似系数大于50％。采用定量描述花粉与植物关系的参数：联合指数（association）A、超代表性指数（over-representation）O、低代表性指数（under-representation）U、相关系数（correlation coefficient）C和代表性系数（representation coefficient）R等值，应用TWINSPAN分类、PCA排序和回归分析，把表土花粉类型划分为4类：具代表性类群组Group1，它们能正确反映植被;超代表性类群组Group2，它们常具有高花粉值与植被不成比例;低代表性类群组Group3，它们的花粉很难分离提取;以及低代表性类群的Group4，其花粉在土壤地层中较常见;指出一些常见花粉类型：松（Pinus）、桦（Betula）、栎（Quercus）、椴（Tilia）、槭（Acer）、榆（Ulmus）、蒿（Artemisia）、藜（Chenopodiaceae）、禾本科（Gramineae）和莎草科（Cyperaceae）的回归参数在东部森林区和西部草原区是有变化的，因此回归参数在应用于古植被恢复中要注意适用范围。 以Biomization模型为基础，根据植物的生理生态特性，定义了NECT孢粉类型的植物功能型（PETs）各种生物群区（Biome）的PFTs组合，构建了经表土孢粉检验的适用于NECT的以孢粉数据为驱动的模型框架，该模型模拟的生物群区与其化指标（气候、植物生理、土壤等）模拟划分的BIOME（Holdrige, BIOME3）是可比的，与植被类型有较好的对应性。 根据29剖面（986个样品）的孢粉数据，重建了NECT 6 kaB.P以来的生物群区。从时空二方面阐述了NECT6kaB.P以来生物群区的分布特点： （1）6ka B. P是一暖湿期，气温比现在高1～4℃，降水比现在多50％。落叶阔叶林分最广，面积最大。森林草原、落叶阔叶林、针阔混交林向西延伸最远。 （2）5ka B. P 是一降温期，气温比现在低2℃，降水多30％。有苔原、寒温带针叶林分布。 （3）4ka B. P是一暖湿期，气温比现在高1～2℃，降水比现在多50％。针阔光林和森林草原有最大分布面积。 （4）3Ka－2kaBP的气温与现代相似，降水比现在多20％左右。与4Ka B. P相比，森林和森林草原过渡带都向东移动。 （5）1Ka B. P的气温与现代相似，降水比现在多10％左右。草原向东大幅度扩张，森林分布面积减小。 （6）东部森林，中部森林草原，西部草原的分布格局的3Ka B. P基本确定，此后随着气候的不断变干冷，草原向东扩张。 （7）森林向扩张最大距离的时期发生在6Ka B. P，此时也是森林草原向西扩张最远时期。落叶阔叶林、针阔混交林、森林草原向西移动最大距离的时间是6Ka B. P，草原向西移动最远距离的时期发生在3Ka B. P。

暖温带地区典型森林群落叶面积指数、生产力和树木年轮特征的分析

以辽东栎(Quercus liaotungensis)为主的落叶阔叶林、华北落叶松林(Larix principisrupprechtii)和油松(Pinus tabulaeformis)林是我国暖温带地区具有代表性的森林群落类型。本研究：1）应用国内外流行的半球图方法，通过对这三种森林群落叶面积指数和林冠开阔度的测定和综合比较，分析了叶面积指数和林冠开阔度的季节动态，揭示了暖温带地区不同类型森林群落叶面积指数和林冠开阔度的特征;2）基于野外调查的样地资料，利用维量分析法估算了中国科学院北京森林生态系统定位研究站三种森林群落乔木层的生物量和生产力，并揭示生产力和叶面积指数之间的相关关系;3）利用油松森林群落和落叶松森林群落采集树芯作为研究对象，用树木年轮学方法，建立相应的年表，联系气候资料进行相关分析，揭示树木生长的限制因子。 研究结果表明：1）落叶阔叶林(优势种为：辽东栎、棘皮桦(Betula dahurica)、五角枫(Acer mono))和华北落叶松林两种落叶森林群落的叶面积指数值均随生长季的到来而呈现增长的趋势，最大值出现在8月;林冠开阔度值随着生长季的到来而下降，最大值出现在11月。落叶阔叶林的叶面积指数和林冠开阔度的季节动态较之华北落叶松林明显。油松是常绿树种，其群落叶面积指数和林冠开阔度的变化程度均不明显，但林冠开阔度的变化趋势也是与叶面积指数的变化趋势相反。通过计算得出叶面积指数和林冠开阔度相关显著，并且呈现指数回归的关系。2） 油松、落叶松、落叶阔叶林三种森林群落乔木层的生物量和生产力分别为93.59 t•hm-2、119.36 t•hm-2 、169.94 t•hm-2和4.02 t•hm-2•a-1、5.58 t•hm-2•a-1、7.04 t•hm-2•a-1;三种森林群落乔木层生产力和叶面积指数回归曲线分析显示，生产力和叶面积指数呈现线性正相关关系。3）油松和落叶松生长与气候因子相关分析结果显示，两种群落树木的生长受当地降水和气温的影响，油松与5月份的温度显著负相关，落叶松与2月份和5月份的降水显著正相关。 以上研究结果为以遥感途径获取暖温带地区叶面积指数提供了地面校正依据，为研究该地区利用LAI估算生产力以及利用遥感途径得到的NDVI测定生产力、研究气候因子对树木年轮宽度形成的影响，以及进一步对该地区林分、景观和区域尺度上碳、水、通量等方面的模拟提供了基础数据。

新疆天山中段北部空中花粉数量的时空变化及其气候与植被指示意义

空中花粉是植被类型、气候状况与大气环境质量的指示物之一。空中花粉雨的取样实验对化石花粉谱的解释和古植被的恢复具有指导意义，因此空中花粉分析成为第四纪孢粉学和古生态学研究的有效辅助手段。本研究在新疆天山中段北坡进行了短期的空中花粉监测（2001年7月~2006年7月），目的是获得局域性和区域性植被所散发的花粉类型及其数量信息，并探讨花粉数量的植被与气候指示意义、花粉传播以及受环境条件影响的程度，同时分析和检测花粉浓度受气候条件的影响情况。空中花粉的收集使用Cour-type捕捉器，分别在3个不同海拔梯度进行5年连续的空中花粉收集（夏秋季节每周一个样品，冬春季节每两周一个样品）。取样地点分别是新疆天山中段北部的天池气象观测站（43°53'58.38"N, 88°07'15.75"E , 海拔1942.5m）、中科院阜康荒漠生态系统定位站（44°17'27.41"N, 87°55'52.65"E, 海拔477m）和准噶尔盆地古尔班通古特沙漠南缘的北沙窝试验站(44°22'40.74"N, 87°55'9.74"E, 海拔443m），取样点的植被带跨度天山北坡的森林草原到低海拔的典型荒漠。 光学显微镜鉴定的空中花粉主要有43种类型（24科30属），而蕨类、苔藓与真菌孢子数量较少。孢粉类型多样性指数为2.45（Shannon Index）。显然，从样品中所鉴定的空中花粉种类与所观察的植物种类有很大的差距。花粉类型与数量在三个不同海拔梯度的取样点上也有明显差异。天池取样点的花粉类型较丰富，与天山北坡垂直带植被分布以及丰富的植被成分相对应，花粉的优势种类为雪岭云杉(Picea schrenkiana)、蒿属(Artemisia)、藜科(Chenopodiaceae)、柽柳科(Tamaricaceae)和麻黄属(Ephedra)，高代表性的外源荒漠花粉类型“削弱了”本地花粉类型的代表性;阜康与北沙窝取样点的花粉类型主要来自荒漠成分的藜科、蒿属、麻黄属、蒺藜科(Zygophyllaceae, 白刺属Nitraria为主）、柽柳科（柽柳属为主）、蓼科(Polygonaceae, 沙拐枣属Calligonum为主）等耐旱植物。花粉数量与植被数量并非简单的线性关系。空中和表土花粉的数量分析表明，藜科、蒿属、麻黄属花粉具有超代表性;雪岭云杉花粉的代表性适中;禾本科(Gramineae)、榆属(Ulmus)、白刺属、柽柳科、沙拐枣属花粉代表性较差。 5年平均花粉浓度大小依次是阜康（81.668 grains/100m3）>天池（51.726 grains/100m3）>北沙窝（45.7685 grains/100m3）。蒿属花粉的峰值出现在秋季，并且出现双峰现象（可能与不同蒿类花期分布不均有关），而其它木本和草本类植物花粉浓度的峰值为单峰，具有明显的季节性，春夏之交开花的桦木属、榆属等类型较为明显。藜科花粉的峰值出现在夏季，麻黄和柽柳的峰值出现在盛夏，桦木属、柳属Salix、雪岭云杉等花粉浓度峰值出现在初夏，与其花期物候相对应。木本植物花粉以雪岭云杉为主，其次为桦木属(Betula)、榆属、柳属、胡颓子科(Elaeagnaceae)花粉，柳属花粉百分比在三个取样点分配比较均匀，桦木属花粉在空间分布上差异明显，与植物分布数量相关。胡颓子科的花粉出现时间短，数量也较少。榆属花粉出现的季节性明显，代表性也较差。因此解释地层中出现类似的低代表性和高代表性的花粉类型时，需要注意其百分比数量的适当校正。木本植物花粉百分比随海拔高度变化成正比关系，对植被的指示性较好。雪岭云杉的年平均花粉浓度在天池取样点明显高于其它两个取样点，5年的平均花粉浓度和百分比与海拔高度呈正比。天池取样点的百分比最高为28.85%，平均为21.15%，而北沙窝与阜康两地5年平均百分比含量分别为0.69%和1.57%，这种时空变化规律与植被数量的关系密切。藜科花粉百分比在阜康和北沙窝取样点占绝对优势，5年的平均花粉浓度与海拔高度呈反比。蒿属花粉年平均浓度与海拔高度关系微弱（R2=0.04，p =0.46），而花粉百分比与海拔高度有显著的线性正比关系（R2=0.72，p<0.0001）。但在低海拔的两个取样点之间差异不明显。 年平均花粉百分比和花粉浓度随海拔梯度而变化，主要花粉类型的变化规律存在差异。暗针叶林雪岭云杉花粉的年平均百分比在低海拔的阜康和北沙窝地区低于3%，在盛花期的6月初，低海拔的取样点也未见超过5%，雪岭云杉花粉的传播在研究区范围内数量分布变化较大，再次表明该类型的花粉在原地沉积效率很高。空中花粉数量能够较好地指示主要的植被带，盛花期内50%以上的雪岭云杉花粉含量则指示了雪岭云杉森林植被带，而高含量的蒿属植物花粉指示了天山山前冲积平原上的蒿类荒漠，相反，高含量的藜科花粉代表了低海拔地区的荒漠。雪岭云杉花粉百分比与浓度均与海拔高度呈显著的线性正比关系，表明雪岭云杉花粉传播的局限性。主要的非木本植物藜科花粉的浓度与海拔高度成反比，蒿属则相反，表明藜科与蒿属花粉在研究区具有很好的植被与气候指示意义。 花粉绝对数量、百分比、浓度具有明显的年际变化，其原因与气候状况的变化有关，年平均花粉浓度、主要类型的花粉浓度与气候参数（降水量、平均温度、最高和最低温度、相对湿度等）的相关分析表明，降水量和湿度与花粉浓度呈负相关程度较高，与其它气候参数则呈显著的正相关。干旱指数、花粉比值、花粉百分比（AP，NAP）与七月份平均气温，年平均降水量的相关系数（Pearson correlation），Ar/Ch与七月平均温度在0.01水平上呈显著的正相关（R2=0.894）, 与年平均降水量在0.01水平上呈显著的负相关（R2=0.874）。AP花粉百分比与七月份平均温度呈显著的负相关（R2=0.71, p<0.0001），与年降水量呈正相关（R2=0.43, p=0.01），而NAP花粉正相反。利用短期监测的空中花粉雨数据计算得到的花粉比值以及干旱指数在研究区具有明确的指示意义，尤其是干旱指数、Ar/Ch、Ar/Ep，这些都可为表土花粉、植被与气候关系模型的建立提供重要的参考信息。 气候参数在很大程度上影响大气花粉的浓度，而风速和风向对空中花粉的传播、散布影响较大，花粉的来源与传播受风向和风速的控制。不同取样点的空中花粉数量差异受地形条件影响很明显，这种差异也可利用地形空气动力学特征的差异来解释，天池监测站因“逆坡”（upslope）的气流促进了低海拔的花粉流向高海拔传播。 研究区的空中花粉数量信息是研究表土花粉、植被和气候关系以及第四纪古生态学的重要基础。本研究提高了对研究区空中孢粉的类型及其传播规律的认识和理解，增加了解空中花粉受环境影响的主要因素及其影响程度，对地层孢粉类型鉴定和花粉数据的解释提出指导性建议，对本地区的古植被与古环境研究增加现代孢粉学的参考依据和信息，并可为建立区域性的现代孢粉－植被－气候关系模型提供可靠依据。 同时，本报告也讨论了存在问题和不足，并提出了今后工作的可能完善方案。

暖温带典型森林生态系统未来碳平衡的LPJ-GUESS模型模拟与分析

森林作为陆地生态系统的主体，在全球陆地碳循环中起着决定性作用。实测和模型研究均表明北半球的森林是重要的大气CO2汇，在缓解全球碳收支失衡中发挥着关键作用。过去几十年北半球所经历的显著气候变化，已经很大地改变了陆地生态系统的碳平衡状况。随着未来100年气候变化继续增大，对未来气候变化下森林生态系统碳平衡的预测研究就尤为重要。 北京山区森林属于典型的暖温带森林生态系统，前人对本区森林的植被特征、生态系统结构和功能、养分循环以及长期动态变化等都进行了深入的研究。然而长期的人类活动已使本区原生的地带性植被破坏殆尽。因此，对该区域森林生态系统碳平衡的模拟研究可以帮助我们认识其生态系统碳平衡变化特点及未来气候变化对其潜在的影响。 本研究采用LPJ-GUESS植被动态机理模型，利用IPCC于2000年发布的《排放情景特别报告》(SRES)的A2和B2两种情景下不同气候模式对华北地区未来100年温度和降水预测的平均值以及相应大气CO2浓度变化情景进行驱动，模拟北京山区未来100年暖温带森林生态系统的净初级生产力和碳平衡，尽可能真实地反映未来百年的变化趋势。通过比较当前和未来气候情景下北京山区以辽东栎（Quercus liaotungensis）为优势种的落叶阔叶林、以白桦（Betula platyphylla）为主的落叶阔叶林和油松（Pinus tabulaeformis）为主的针阔混交林三种典型暖温带森林生态系统的碳平衡差异，了解未来北京山区这三种暖温带森林生态系统的碳源汇功能，认识气候变化和大气CO2浓度升高对净初级生产力（Net primary productivity, NPP）、净生态系统碳交换（Net ecosystem exchange, NEE）、土壤异养呼吸（Heterotrophic respiration, Rh）和碳储量（Carbon biomass, C biomass）的影响，以及不同生态系统碳平衡对气候变化响应的异质性。 结果表明，未来100年两种气候情景下三种森林生态系统的NPP和Rh均增加，并且A2情景下增加的程度更大。由于三种生态系统树种组成的不同，未来气候情景下各自NPP和Rh增加的比例不同，导致三者NEE的变化也相异：100年后辽东栎林由碳汇转变为弱碳源，白桦林仍保持为碳汇但功能减弱，油松林成为一个更大的碳汇。三种森林生态系统的碳生物量在未来气候情景下均增大，21世纪末与20世纪末相比：辽东栎林在A2情景下碳生物量增加的比例为27.6%，大于B2情景下的19.3%；白桦林和油松林在B2情景下碳生物量增加的比例分别为34.2%和52.2%，大于A2情景下的30.8%和28.4%。各森林类型碳平衡状况不同，原因除气候因素外，主要是由于树种组成的差异所导致。SRES A2和B2两种气候情景相比，相对较低的排放情景（B2）下，生态系统有更高的碳储量。

黄土高原子午岭林区6个典型群落优势种的热值和养分特征

能量流动、物质循环和信息传递共同构成了生态系统三大功能。能量是维持生态系统功能与过程的动力,Jordan(1971)认为能量比干物质更能反映出群落对自然资源(特别是太阳能)的利用情况。Long(1934)率先用热值来表示植物所含能量的多少,此后关于植物热值的研究工作逐渐展开。我国的植物热值研究始于20世纪80年代(杨福囤等,1983;祖元刚等,1986),主要集中在海南(林益明等,2000)、福建(林益明等,2004)、广东(任海等,1999)和浙江(郝朝运等,2006)等热带亚热带植物群落以及内蒙古羊草草原(鲍雅静等,2003),但有关黄土高原地区的植被热值研究尚未见报道。子午岭林区是黄土高原主要的天然次生林区,其植被主要是在弃耕地基础上逐渐恢复起来的(邹厚远等,2002)。由于自然因素与人为因素的影响,子午岭的植被在恢复时间上存在较大差异,形成了处于不同演替阶段的各种植被群落类型。本研究选取的6个代表性植被群落分别是沙棘(Hippophae rhamnoides)群落、山杨(Populus davidiana)群落、白桦(Betula platyphylla)群落、油松(Pinus tabulaeform...