落叶松人工林长期生产力形成与维护机制的研究

Based on biomass production in Larch artificial forest ecosystem, comprehensive evaluation, formation and maintenance of the productivity in Larch plantation were systematically research. The accumulation and distribution of biomass and carbon in Larch plantation were analyzed. The physiological and ecological processes of productivity formation were studied based on photosynthesis and respiration, to reveal the physiological and biochemical basis of tree Photosynthetic products allocation and response mechanism of productivity on the environment. Developed the mechanism of nutrient allocation in stand, litter decomposition and soil quality transformation, to expound the rule of nutrient circulation in between the forest, soil, litter. The change of long-term productivity were researched in different silvicultural measures from the productivity formation mechanism and nutrient cycling rules, construct the model of productivity change mechanism, The silvicultural measures were added to the model, to optimize silvicultural measures, to determine the optimal cultivation measures so as to obtain the key technology to maintain long-term productivity of Larch plantations, formed a set of comprehensive technical system to promote and maintain the long-term productivity, healthy development of Larch plantation.

以落叶松人工林生态系统生物产量为基础，系统开展生产力综合评价、生产力形成与长期生产力维持的研究。主要论述落叶松人工林生态系统生物量、碳储量积累与分配格局；基于光合、呼吸作用研究落叶松人工林生产力形成的生理生态过程，揭示树木光合产物分配的生理生化基础以及生产力对环境的响应机制；开展林分养分分配机制、凋落物分解机制和土壤质量变化机制的研究，以揭示林木—土壤—凋落物间养分流转规律；从生产力形成机制和养分循环规律上分析系列培育措施对长期生产力的影响，构建生产力变化机理模型，并将培育措施与其进行有效耦合，应用模型开展培育作业定量优化分析，确定最优的培育措施从而得到维持落叶松人工林长期生产力和可持续经营的关键技术，形成一套提高和维持生产力的综合技术体系，促进落叶松人工林长期生产力的维持和可持续健康发展。

项目以揭示落叶松人工林生产力形成及其维护机制为目标，执行期内设置样地312块，伐取解析木442株，测定树木各组分、植被、土壤和凋落物样品7043份，观测了3年、8年和20年生单株树木冠层整个生长季的光合和呼吸作用。（1）基于地面生物量实测数据，应用贝叶斯分层法构建了单木—林分—区域尺度的相容性生物量预测模型，解决了小样本多区域生物量联合估计和预测准确性问题；基于“天空地”一体化观测手段，采用改进的随机森林和循环神经网络方法，提出了一套耦合机载雷达、地面调查和卫星遥感数据的预测经营单位级落叶松人工林各组分生物量的技术方案，预测精度达0.9以上，外推精度达0.7以上，实现了从经营单位—宏观区域水平的落叶松生物量大范围、准确获取。（2）基于连续测定的光合和呼吸数据，阐明了冠层针叶特征、光合特性和枝条呼吸速率的时空变异规律，明确了冠层生产力在相对冠高41%~52%达到最大的空间分布模式，从生理生态角度界定了“功能树冠”与“非功能树冠”，为人工整枝提供理论依据；阐明了树冠方向异质性和冠长动态变化对树木生长和分化的影响。（3）研究了落叶松纯林养分利用特征和凋落物分解过程中养分释放、酶活性和微生物特性，证实了在中、近熟林阶段养分循环慢、存在一定的地力退化，是由于林内植被单一使得微生物真菌群落结构失调、酶活性降低引起的；研究了日本落叶松—檫木混合凋落物分解过程中微生物结构和功能途径，揭示了混合凋落物通过调控β-变形杆菌和座囊菌的基因丰度，增加木质纤维素降解酶活性，促进了木质纤维素的降解；通过调控鞘氨醇单胞菌、马赛菌和紫色杆菌的基因丰度介导有机氮降解和同化硝酸盐还原的过程，促进了氮素代谢，从而加速混交林凋落物分解，对挖掘具有潜在应用价值的促进凋落物分解菌株和维护落叶松人工林长期生产力有重要意义。发表论文20篇，其中SCI论文7篇（Top期刊1篇，影响因子5.29），EI论文3篇；申请发明专利1件；撰写专著1本（完成初稿，准备出版）；培养博士研究生5名。