火干扰对北方针叶林林下植被结构与功能动态的调控及其机理

Forest fire is an important landscape process that determines the structure and functions of boreal forest's understory vegetation; while the dynamics of understory vegetation shortly after fire plays an important role in shaping overstory succession and ecosystem functions. The proposed research is going to systematically study how post-fire environmental resource quantity and heterogeneity, understory vegetation's composition and diversity, and its productivity interacts each other using field investigation and laboratory analysis methods. The goal of this research is to examine the patterns and mechanisms of fire effects on understory's structure and functions. This research will address the following three scientific questions: (1) how fire severity, topography, and pre-fire overstory composition affect the interaction between post-fire environmental resources and understory vegetation? And what are their relative importances? (2) Can the IDH (intermediate disturbance hypothesis) explain the diversity patterns of boreal forest's understory vegetation? If so, what are its mechanisms? (3) What is the relationship between productivity and diversity in the Chinese boreal forest? This study will further our understanding on how landscape processes such as fire affect ecosystem's structure and functions, and provide guidelines for post-fire vegetation recovery and diversity conservation.

林火干扰是决定北方针叶林林下植被结构与功能的一个重要景观过程，而火后初期林下植被的动态变化对于北方针叶林的演替和生态系统功能有着深远的影响。本研究将通过野外调查和实验分析，系统分析火后初期环境资源的数量水平和异质性、林下植被物种的组成和多样性、林下植被的生产力三者之间的相互关系，探讨林火干扰对林下植被结构与功能的调节作用及其机理。本研究拟解决以下三个科学问题：（1）林火烈度、地形条件、火前林冠组成对环境资源与林下植被的相互动态作用有何影响及其相对重要性如何？（2）中度干扰假说是否适用于北方针叶林林下植被的多样性格局？若是，其形成机制是什么？（3）中国北方针叶林生产力与多样性的关系是什么？本研究可以为深入理解景观过程对生态系统结构与功能的影响方面提供理论依据，为火后植被恢复，生物多样性保护等方面提供实践支持。

本项目严格按照申请书计划以及预算执行，实现了“对火后北方针叶林林下植被结构与功能动态进行探讨”的预期目标。通过对1）火干扰对土壤的物理化学和生物学性质的影响；2）火后演替初期、早期及晚期林下植被群落构建；3）火后林下植被物种多样性、功能多样性和系统发育多样性随演替序列的动态变化；4）林下植被生产力与多样性的关系等方面具体科学问题的研究，得出了以下结论：1）野火显著改变了土壤的物理化学和生物学性质。相较于对照区，在火后1年样地，野火显著减少了兴安落叶松林土壤的水分含量、有机层厚度、C/N；但却显著增加了土壤pH值、铵氮和硝氮；同时野火也显著减少了土壤微生物生物量碳氮。2）火后演替早期林下植被的alpha多样性高于演替初期和晚期。在演替初期，林下植被的优势物种为草本；在演替早期，林下植被的优势物种为常绿灌木、落叶灌木和禾本科草本；而在演替晚期，林下植被的优势物种为常绿灌木和落叶灌木。影响林下植被物种组成的因素包括火烧时间、地形、海拔高度和土壤有机质层厚度。3）通过分析系统发育多样性和功能多样性随演替序列的动态变化趋势，我们发现林下植被群落构建过程的相对重要性发生改变。在火后群落演替的早期阶段，由于环境过滤的作用，林下植被呈现系统发散与功能群集的群落结构。随着演替时间是推移，林下植被转变为系统聚集和功能发散的群落结构，这主要是因为竞争排斥作用的增强。此外，系统发育β多样性和功能β多样性随着演替时间的推移而增大，表明扩散限制作用的增强。4）在不同尺度下，林下植被生产力与多样性的关系存在差异，具体表现为：在立地水平上，林下植被物种丰富度与生产力之间无显著关系，而在在样方水平上，林下植被物种丰富度与生产力之间存在间接的正相关关系。