生物因子和非生物因子对阔叶红松林地上生物量动态变化的影响

Biomass is the energy base and material source for the operation of forest ecosystem. It is one of hot topics in ecological research to reveal the potential factors influencing biomass dynamics change and their underlying mechanisms. This project will be conducted based on existing mixed broadleaved-Korean pine (Pinus koraiensis) forest plot and its early-succession birch secondary forest plot, which were established in Xiaoxing’an Mountains. Using long-term, continuous monitoring data, we plan to analyze demographic dynamic processes, i.e. tree growth, recruitment and mortality, quantify the biomass accumulated (or loss) of each process and evaluate their relative contribution to the change of biomass dynamics. By combining functional traits that are closely related to demographic dynamic processes, different dimensions of diversity indices (i.e., species diversity, functional diversity and stand structural diversity), community-weighted mean trait value, and initial biomass would be quantified. We will also measure abiotic factors, such as soil properties and topographic condition, and then use structural equation models to explore the direct or indirect relationships between biotic factors, abiotic factors and the processes of biomass dynamics change. Synthesizing the similarities and differences between the effects of biotic factors and abiotic factors on biomass dynamics change in different succession stages and different forest strata, we aim to reveal the internal biological factors and external ecological conditions that affect biomass dynamics change of the mixed broadleaved-Korean pine forest. In practice, this project could provide valuable scientific references for efficient utilization and scientific protection of natural forest resources.

生物量是森林生态系统运转的能量基础和物质来源，揭示影响森林生物量动态变化的潜在因素及其内在机制是当今生态学研究的热点之一。本项目拟依托小兴安岭地区已建立的阔叶红松林固定样地及其演替早期的白桦次生林固定样地，在对群落长期连续监测的基础上，通过分析群落内的种群动态过程，即树木生长、更新和死亡，量化每个过程积累(或损失)的生物量并评价其对生物量动态变化的相对贡献；结合与种群动态过程密切相关的功能性状，量化植物多样性(物种多样性、功能多样性和结构多样性)、群落加权功能性状和初始生物量等生物因子，同时测定土壤属性和地形条件等非生物因子，运用结构方程模型，分析生物因子和非生物因子与生物量动态变化过程的直接或间接关系；对比生物因子和非生物因子对生物量动态变化的影响在不同演替阶段和不同林层中的异同，揭示影响阔叶红松林生物量动态变化的内在生物学要素和外在生态条件，为天然林资源高效利用和科学保护提供科学依据。

固碳功能是森林生态系统服务功能最主要的表现形式。早期的大量研究多关注森林固碳能力对生物因子的响应，但森林中的非生物因子也会直接或间接地(通过影响物种组成和林分结构)影响生态系统功能，且各生态过程与其内在机制会随着不同林层高度发生变化。目前，生物因子和非生物因子如何共同影响森林固碳功能的机制尚不清楚。项目以小兴安岭原始阔叶红松林为研究对象，依托长期连续监测的固定样地，量化了群落内树木生长、更新和死亡三个过程积累(或损失)的碳储量，测定了多样性、群落性状组成和林分结构等生物因子以及土壤属性和光照可利用性等非生物因子；分析了生物和非生物因子与碳储量变化动态过程的直接或间接关系，并对比了其在不同林层中的异同。结果发现：阔叶红松林碳储量变化受树木死亡损失的碳储量的影响最大；高的土壤全磷含量增加了树木生长积累的碳储量，土壤含水量增加了树木更新积累的碳储量，光照可利用性对两者均有促进作用；结构多样性与树木生长积累的碳储量呈正相关，但与树木更新积累的碳储量和树木死亡损失的碳储量均无显著关系。性状组成与三个动态过程均显著相关；林分结构是树木生长和更新积累的碳储量的最佳预测因子。此外，林分结构也是不同林层碳储量变化的最强驱动因素；多样性和性状组成对林冠层碳储量变化均无显著影响；而在林下层，系统发育多样性与碳储量变化呈正相关；林冠层林分密度对林下层碳储量变化有负向影响；林冠层多样性增加了林下层的多样性、性状组成和林分结构；土壤全磷对林冠层和林下层碳储量变化分别有正向和负向影响。当具体分析林冠结构时发现，林冠结构复杂性对碳储量变化的影响高于物种多样性，其中林冠垂直分层是林冠结构复杂性影响碳储量变化的主要因素，而林冠可塑性无显著影响。本研究表明碳储量变化的每个动态过程是由不同的生物和非生物因子决定的，且每个因子对不同林层中碳储量变化的影响不同，研究揭示了林分结构在维持温带原始林固碳功能中的重要作用。