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基于机器学习算法的华中天然林土壤有机碳特征与关键影响因子

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林业科学 2024年第3期60卷 65-77页

作者：沈琛琛肖文发朱建华曾立雄陈吉臻黄志霖中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所国家林业和草原局森林生态环境重点实验室北京100091 南京林业大学南方现代林业协同创新中心南京210037

【目的】比较4种机器学习算法在模拟华中地区3种典型天然林土壤有机碳含量上的表现,筛选最优模型算法,明确影响该地区天然混交林土壤有机碳富集与空间分布的关键气候环境因子,为森林土壤有机碳分布格局研究提供技术参考。【方法】以华... 详细信息

【目的】比较4种机器学习算法在模拟华中地区3种典型天然林土壤有机碳含量上的表现,筛选最优模型算法,明确影响该地区天然混交林土壤有机碳富集与空间分布的关键气候环境因子,为森林土壤有机碳分布格局研究提供技术参考。【方法】以华中地区3种典型天然林(常绿针叶混交林、落叶阔叶混交林和常绿阔叶混交林)为研究对象,引入4种机器学习算法(支持向量机、人工神经网络中的多层感知器、随机森林和分位数回归森林),模拟0~60 cm土层土壤有机碳含量,比较模型解释量及表现稳定性,筛选最优模型算法。【结果】4种机器学习算法均能成功模拟天然林0~60 cm土层土壤有机碳含量,多层感知器、随机森林、分位数回归森林模拟结果明显优于支持向量机,其中随机森林模型表现最稳定,决定系数最高达0.620。母质、土壤密度、孔隙度、地理位置、海拔、植被和水分亏损情况等共同影响华中地区天然林0~60 cm土层土壤有机碳含量,但显著影响表层(0~20 cm)、中层(20~40 cm)与深层(40~60 cm)土壤有机碳含量的因子并不一致且影响机制不同。在0~20 cm土层,显著影响因子最复杂,除土壤密度以外,土壤孔隙度、地形、植被和气候均产生显著影响(P森林的水分不足会限制各层土壤有机碳富集。森林土壤有机碳含量随土层加深显著下降,常绿针叶混交林土壤有机碳含量在各土层均最高,落叶阔叶混交林居中,常绿阔叶混交林最低。【结论】华中地区天然林土壤有机碳含量分布呈现明显差异,常绿针叶混交林土壤有机碳贡献最大,成土母质和土壤物理属性对土壤有机碳富集与分布起决定性作用;适宜天然林生长的地理立地条件和气候环境,共同造就该地区天然林土壤有机碳富集。在营林和管理时可加大本地树种混交比重,提升森林土壤碳汇功能。

关键词：森林土壤有机碳空间分布天然林机器学习华中地区

碳中和目标下中国森林碳储量、碳汇变化预估与潜力提升途径

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林业科学 2024年第4期60卷 157-172页

作者：刘世荣王晖李海奎余振栾军伟中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所国家林业和草原局森林生态环境重点实验室北京100091 中国林业科学研究院资源信息研究所国家林业和草原局森林经营与生长模拟重点实验室北京100091 南京信息工程大学应用气象学院南京210044 国际竹藤中心竹藤资源与环境研究所国家林业和草原局/北京市共建竹藤科学与技术重点实验室北京100102

增强森林固碳增汇功能是减缓大气二氧化碳浓度上升和全球气候变暖的重要手段,也是实现碳中和国家战略目标的有效途径。本研究基于文献分析法和模型模拟,系统阐述中国森林碳储量和碳汇现状、动态变化与潜力提升途径。根据国家森林资源连... 详细信息

增强森林固碳增汇功能是减缓大气二氧化碳浓度上升和全球气候变暖的重要手段,也是实现碳中和国家战略目标的有效途径。本研究基于文献分析法和模型模拟,系统阐述中国森林碳储量和碳汇现状、动态变化与潜力提升途径。根据国家森林资源连续清查数据测算的森林植被碳储量近5年平均年增长0.152 Pg(以C计),2000s—2010s中国陆地生态系统碳汇量约229.7 Tg·a^(-1)(以C计),其中森林植被(指乔木林)碳储量约增加150.6 Tg·a^(-1)(以C计),约占整个陆地生态系统植被碳汇量的65.6%。过去70年,中国森林已从碳源转变为逐渐增强的碳汇。在森林面积保持不变的情景下,相比2000s—2010s时段,2030年后现有乔木林的生物量碳汇将有所下降;如果森林面积未来持续增加,2030—2050年中国新增乔木林的碳汇量仍将呈增加趋势。在全球变化背景下,气候变化及其引发的风险(极端干旱与热浪事件、森林火灾、病虫害等)可能会削弱森林碳汇功能。为维持并提升森林碳储量和碳汇潜力,需要采取森林碳储与碳汇双增以及森林碳汇与木质林产品碳库协同提升的策略,从保碳、增碳、扩碳和碳资源化利用的汇转移4个途径对森林资源实施保护修复、精准绿化、科学经营与合理利用以及多时空尺度的优化布局,同时重视森林土壤碳库增汇的长期效应。在林业减缓和适应气候变化框架下,森林碳汇潜力提升未来研究重点是科学推进国土绿化适宜造林地和树种选择,森林经营增汇技术,森林碳储、碳汇协同提升与木质产品库的碳汇转移与存续的时空配置优化模式,森林土壤固碳增汇机制以及潜力研究,准确评估森林碳汇对实现国家碳中和目标的贡献及其时间表和路线图。

关键词：森林碳储量碳汇森林面积固碳潜力碳增汇技术

污泥生物质炭对杨树人工林土壤环境质量的影响

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土壤 2024年第2期56卷 433-438页

作者：白莉萍徐国庆中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所国家林业和草原局森林生态环境重点实验室北京100091

通过田间试验,研究了污泥生物质炭(SSBC)施用对杨树人工林土壤理化性质、重金属含量、土壤微生物生物量碳氮以及土壤酶活性的影响。试验设置4个处理:不施生物质炭对照(0t/hm^(2))、低量生物质炭(15t/hm^(2))、中量生物质炭(30t/hm^(2))... 详细信息

通过田间试验,研究了污泥生物质炭(SSBC)施用对杨树人工林土壤理化性质、重金属含量、土壤微生物生物量碳氮以及土壤酶活性的影响。试验设置4个处理:不施生物质炭对照(0t/hm^(2))、低量生物质炭(15t/hm^(2))、中量生物质炭(30t/hm^(2))及高量生物质炭(60 t/hm^(2))。结果表明:SSBC的施用可降低土壤pH,增加土壤电导率;随着SSBC用量的增加,土壤营养成分和重金属含量均呈现增加趋势,其中土壤有机碳增加18.4%~47.9%,全氮增加20.4%~46.5%,全磷增加27.9%~74.9%,有效氮增加4.2%~23.1%,有效磷增加16.3%~28.3%,且重金属污染可控。SSBC提高微生物生物量碳氮含量,并使土壤β-葡糖苷酶、N-乙酰-葡糖苷酶和蛋白酶活性分别显著增加17.1%~35.3%、18.1%~36.8%和29.3%~70.3%,其中中量生物质炭处理的增幅最大。总之,SSBC的应用不仅显著增加土壤营养成分,而且改善部分微生物环境,致使土壤环境质量一定程度上有所改善。

关键词：污泥生物质炭土壤养分重金属微生物生物量酶活性

南亚热带人工林树种配置对根际土壤生物有效磷的影响

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应用生态学报 2024年第6期35卷 1492-1500页

作者：李金凤王晖尤业明王健童秀丽胡佳佳明安刚陈琳刘世荣广西大学林学院广西森林生态与保育重点实验室南宁530004 中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所国家林业和草原局森林生态环境重点实验室北京100091 中国林业科学研究院热带林业实验中心/广西友谊关森林生态系统国家定位观测研究站广西凭祥532600

通过树种选择与配置优化提高土壤磷有效性进而促进树木生长是值得关注的问题。本研究在南亚热带人工林树种多样性平台开展研究,采用随机区组的试验设计方法,选取马尾松、米老排、格木、红椎、火力楠、灰木莲、土沉香、降香黄檀8个乡土树... 详细信息

通过树种选择与配置优化提高土壤磷有效性进而促进树木生长是值得关注的问题。本研究在南亚热带人工林树种多样性平台开展研究,采用随机区组的试验设计方法,选取马尾松、米老排、格木、红椎、火力楠、灰木莲、土沉香、降香黄檀8个乡土树种,建立了1、2、4和6个树种丰富度梯度的混交造林试验,测定了根际土壤生物有效磷组分(氯化钙磷、柠檬酸磷、酶磷和盐酸磷),探究不同树种配置对根际土壤生物有效磷组分的影响。结果表明:对比非固氮树种,固氮树种(格木和降香黄檀)的混交有效增加了土壤含水率、全氮含量、全磷含量和微生物生物量磷,树种合理配置有利于土壤生物有效磷的生成积累。固氮树种混交条件下,土壤氯化钙磷含量显著增加了46.2%~160.3%,微生物矿化产生的酶磷提高了69.3%~688.2%,盐酸磷增加了31.5%~81.3%;土壤微生物生物量磷提高了81.8%~149.4%,土壤微生物量氮增加了88.1%~160.6%。冗余和相关分析显示,土壤微生物生物量磷、速效磷、全磷、蛋白酶、纤维二糖水解酶、酸性磷酸酶、微生物生物量氮和有机碳是驱动根际土壤生物磷组分差异的关键因子;固氮树种混交提高了酶磷和柠檬酸磷含量,这两种生物有效磷组分含量与林分树木胸高断面积呈显著正相关。固氮树种(格木)混交有效提升了根际土壤生物有效磷含量,有利于促进林分树木生长。

关键词：南亚热带人工林生物有效磷树种配置林分生长

华山松切梢小蠹伴生真菌新种Geosmithia armandii及其对华山松的致病性

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菌物学报 2024年第6期43卷 14-28页

作者：梁玲瑜王慧敏刘福吕全中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所、国家林业和草原局森林保护学重点实验室北京100091

Geosmithia(子囊菌门,肉座菌目)是常见的小蠹虫伴生真菌,其中部分类群能够入侵寄主并引起严重的植物病害。本研究通过真菌的分离培养,鉴定中国西南地区华山松切梢小蠹Tomicus armandii伴生真菌新种,并通过有伤接种实验对其致病性进行评... 详细信息

Geosmithia(子囊菌门,肉座菌目)是常见的小蠹虫伴生真菌,其中部分类群能够入侵寄主并引起严重的植物病害。本研究通过真菌的分离培养,鉴定中国西南地区华山松切梢小蠹Tomicus armandii伴生真菌新种,并通过有伤接种实验对其致病性进行评估。对来自云南省玉溪市和富源县的45只华山松切梢小蠹成虫及64个坑道进行分离,获得387株Geosmithia属菌株,选取10株代表性菌株比较形态、生理特征并进行系统发育(ITS、TUB2和TEF1-α序列片段)分析。其中90个菌株用于构建ITS树,66个菌株用于TUB树,TEF树包含77个菌株。研究发现387株菌株代表1个新种,命名为Geosmithia armandii,***是第一个报道与华山松切梢小蠹伴生的Geosmithia属真菌。选取两株菌株接种至3年生华山松幼苗进行致病性测定,接种1个月后发现处理组接种处坏死病斑长度与对照组相似,结果表明该新种为弱致病菌。本研究为今后Geosmithia与华山松切梢小蠹伴生关系的研究奠定基础,为防治华山松切梢小蠹提供新思路。

关键词： Geosmithia 形态学系统学分析致病性新种

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不同天气下华北落叶松树干液流对环境的响应

应用生态学报 2024年第8期35卷 2063-2072页

作者：林雪雯郭建斌韩炎穆付高冉于澎涛北京林业大学水土保持学院北京100083 中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所国家林业和草原局森林生态环境重点实验室北京100091

本研究依托国家林草局六盘山森林生态定位站,于2019年生长季(5月17日-10月12日)对香水河小流域华北落叶松人工林树干液流进行连续观测,并同步监测气象条件与土壤环境(土壤温度和土壤水分),分析不同天气下华北落叶松树干液流的综合环境... 详细信息

本研究依托国家林草局六盘山森林生态定位站,于2019年生长季(5月17日-10月12日)对香水河小流域华北落叶松人工林树干液流进行连续观测,并同步监测气象条件与土壤环境(土壤温度和土壤水分),分析不同天气下华北落叶松树干液流的综合环境响应。结果表明:在日尺度上,华北落叶松树干液流速率呈先升后降的变化趋势,液流速率大小表现为:晴天>阴天>雨天;树干液流速率在晴天呈单峰变化趋势,在阴、雨天均呈多峰变化趋势。晴天的液流启动时间和峰值时间早于阴、雨天,持续时间多于阴、雨天。不同天气树干液流的主导因子存在明显差异,饱和水汽压差是晴天和阴天树干液流的主导因子,其贡献率分别为31.1%和27.4%,而雨天液流的主导因子为太阳辐射,贡献率为40.1%。主成分分析表明,晴天树干液流的综合影响因子为水热复合因子(大气温度、土壤温度、土壤体积含水量)、水汽蒸腾因子(相对湿度、饱和水汽压差)和辐射因子(太阳辐射);阴、雨天树干液流的综合影响因子为蒸腾驱动因子(相对湿度、太阳辐射、饱和水汽压差)、综合热量因子(大气温度、土壤温度)和土壤水分因子(土壤体积含水量)。晴天液流分别滞后于水热复合因子、水汽蒸腾因子和辐射因子110、80和70min到达峰值;阴天和雨天液流分别提前于蒸腾驱动因子、综合热量因子和土壤水分因子10、20、30min和140.60、150min到达峰值。

关键词：天气树干液流环境影响时滞效应

松材线虫入侵对湖北三峡地区马尾松林水源涵养能力的影响

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林业科学研究 2024年第1期37卷 10-20页

作者：宋学雨简尊吉王少博党英侨魏可王小艺肖文发中国林业科学研究院森林生态环境与自然保护研究所国家林业和草原局森林保护学重点实验室北京100091

[目的]为了探讨松材线虫入侵后松林枯落物层和土壤层水源涵养能力的变化趋势。[方法]以湖北三峡地区松材线虫入侵不同年限(0 a(未入侵)、6 a、10 a和16 a)的马尾松林为对象,采用环刀法、烘干法与室内浸泡法对林分地表枯落物和土壤层水... 详细信息

[目的]为了探讨松材线虫入侵后松林枯落物层和土壤层水源涵养能力的变化趋势。[方法]以湖北三峡地区松材线虫入侵不同年限(0 a(未入侵)、6 a、10 a和16 a)的马尾松林为对象,采用环刀法、烘干法与室内浸泡法对林分地表枯落物和土壤层水源涵养能力进行了测定,并结合枯落物有效拦蓄量和土壤有效蓄水量定量比较林分枯落物层和土壤层的水源涵养能力在松材线虫入侵不同年限间的变化趋势。[结果]表明:(1)松材线虫入侵不同年限间马尾松林枯落物蓄积量、有效拦蓄量和最大持水量均无显著差异(P>0.05),枯落物总厚度为3.47~5.34 cm,总蓄积量为6.11~9.62 t·hm^(−2),枯落物有效拦蓄量为9.71~14.77 t·hm^(−2)。(2)松材线虫入侵不同年限间马尾松林土壤含水量、土壤密度、非毛管孔隙度存在显著差异(P未入侵(191.85 t·hm^(−2))>入侵16 a(182.64 t·hm^(−2))>入侵6 a(121.86 t·hm^(−2)),入侵6 a林分综合蓄水量显著低于其他林分。[结论]湖北三峡地区马尾松林受松材线虫入侵的持续危害后,短期内枯落物层和土壤层持水能力下降,随年限增加林分水源涵养能力逐渐恢复。因此,今后应加强松材线虫入侵的防控力度,以维持和尽快恢复三峡地区马尾松林水源涵养功能。

关键词：松材线虫枯落物土壤水源涵养马尾松

雅长保护区老龄林不同林层功能性状多样性及其影响因素分析

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南京林业大学学报(自然科学版) 2024年第5期48卷 28-38页

作者：王耀仪王宏翔王永强曾文豪叶绍明广西大学林学院广西森林生态与保育重点实验室

【目的】功能性状多样性对森林生物多样性保护及生态系统功能稳定性的维持具有重要意义。探究不同林层的功能多样性特征及其形成原因，有助于深入理解生物多样性维持机制和植物群落构建过程。【方法】以广西雅长兰科植物国家级自然保护... 详细信息

【目的】功能性状多样性对森林生物多样性保护及生态系统功能稳定性的维持具有重要意义。探究不同林层的功能多样性特征及其形成原因，有助于深入理解生物多样性维持机制和植物群落构建过程。【方法】以广西雅长兰科植物国家级自然保护区1.6 hm2常绿阔叶天然老龄林监测样地植被调查数据为基础，运用K-means非层次聚类与高斯核密度估计方法划分林层，采集植物叶片性状和环境因子数据，通过结构方程模型揭示不同林层物种多样性与环境因子（地形、土壤和光照）对功能多样性的直接、间接影响。【结果】（1）林下层多样性指数显著高于林冠层（P环境变化的响应，拓展了以往对于林分垂直分层多样性的认识，为天然林生物多样性保护提供更进一步的参考依据。

关键词：老龄林林冠层林下层功能性状多样性结构方程模型(SEM)

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基于Mask R-CNN和迁移学习的无人机遥感影像杉木单木树冠提取

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北京林业大学学报 2024年第3期46卷 153-166页

作者：谢运鸿孙钊丁志丹罗蜜李芸孙玉军北京林业大学森林资源和环境管理国家林业和草原局重点实验室北京100083

【目的】利用无人机遥感影像对树冠进行自动化提取,获取高精度树冠信息。【方法】该研究提出一种基于Mask RCNN和迁移学习的无人机影像单木树冠提取方法。首先,选用在Faster R-CNN基础上改进优化的Mask R-CNN实例分割模型,特征提取网络... 详细信息

【目的】利用无人机遥感影像对树冠进行自动化提取,获取高精度树冠信息。【方法】该研究提出一种基于Mask RCNN和迁移学习的无人机影像单木树冠提取方法。首先,选用在Faster R-CNN基础上改进优化的Mask R-CNN实例分割模型,特征提取网络在ResNet50残差网络和ResNet101残差网络二者间选取最优。其次,引入迁移学习与Mask RCNN一起训练,联合迁移学习的导向作用降低训练时间,提高训练精度。【结果】Mask R-CNN模型的总体精度为93.59%,用户精度为65.46%,F1分数为76.05%,平均精度均值为0.31;载入迁移学习后的Mask R-CNN模型在同等训练条件下比原模型的用户精度提升29.53%,F1分数提升19.63%,平均精度均值提升0.21;分别以ResNet50和ResNet101为特征提取网络的Mask R-CNN模型中,ResNet50+Mask R-CNN模型的总体精度、用户精度、F1分数、平均精度均值各为96.94%、95.57%、96.17%、0.54,ResNet101+Mask R-CNN模型的总体精度、用户精度、F1分数、平均精度均值各为96.20%、94.41%、95.19%、0.49;其中载入迁移学习的ResNet50+Mask R-CNN模型在预测东西冠幅、南北冠幅、树冠面积与样方郁闭度的预测决定系数分别为0.87、0.84、0.93和0.83。【结论】本研究提出的基于Mask R-CNN和迁移学习的方法得到了较为精准的树冠参数结果,为无人机遥感影像评估树木资源提供了一种快速高效的解决方案。

关键词：无人机遥感影像深度学习 Mask R-CNN 迁移学习树冠提取