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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

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周期性羽化昆虫形成机制

生态学报 2024年第11期44卷 4478-4488页

作者：张宇凡王小艺佛山市林业科学研究所佛山528222 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

当昆虫类群表现为长生命周期k(k>1)年时,成虫的羽化表现为非周期性、周期性和过渡周期性3种形式。非周期性即为成虫每年均羽化,周期性即为成虫每k年才羽化1次,过渡周期性为非周期昆虫逐渐进化为羽化周期性的必经阶段,不同年份羽化的同... 详细信息

当昆虫类群表现为长生命周期k(k>1)年时,成虫的羽化表现为非周期性、周期性和过渡周期性3种形式。非周期性即为成虫每年均羽化,周期性即为成虫每k年才羽化1次,过渡周期性为非周期昆虫逐渐进化为羽化周期性的必经阶段,不同年份羽化的同生群在密度上产生了显著差异,形成了小同生群和优势同生群。自然界中表现出完全羽化周期性的昆虫种类是较少的,但由于其高种群密度的成虫同步性羽化现象,对比非周期性昆虫更易暴发成灾。为明确周期性昆虫演化进程并为林区虫害防控提供理论指导,总结了周期性昆虫的种类和生活特性,不同年间的气候异质性、自然灾害、扩散到未分布区域、天敌、种间和种内竞争等因素均有可能成为过渡周期现象形成的最初驱动力,生活史延长、寄主-天敌互作、低温驱动效应、天敌不敏感-捕食者饱足效应、种间和种内竞争等是促使昆虫羽化周期性形成的可能机制。在林区管理实践中,应提前评估害虫羽化周期性产生的趋势和程度。当成虫表现出完全羽化周期性,应在集中羽化年份内采取见效快的综合防控策略,降低唯一同生群密度至经济阈值以下。当成虫表现出过渡周期性,应加大优势同生群防治力度、降低小同生群防治频率,以及采取天敌林间释放和保育技术以平衡天敌对目标害虫的不同发育阶段种群的控制作用大小,遏制或减缓天敌-寄主互作驱动下的周期性演化进程,逐渐实现由过渡周期阶段向非周期性的逆转。当成虫表现出非周期性,应减少专化性天敌的释放和针对害虫特定阶段的防治措施使用频率,优先选择作用于所有发育阶段且致死率不存在显著差异的防治手段,避免因人为干扰产生的周期性演化和进一步的成灾。

关键词：周期性昆虫进化假说过渡周期现象成灾林区管理

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

干旱和遮荫对马尾松幼苗瞬时水分利用效率及δ^(13)C的影响

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生态学杂志 2024年第1期43卷 140-145页

作者：邓秀秀施征曾立雄雷蕾裴顺祥吴莎肖文发中国林业科学研究院华北林业实验中心北京九龙山暖温带森林国家长期科研基地北京102300 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

水分利用是植物光合固碳的关键过程,其效率反映植物对胁迫环境的适应能力,δ^(13)C作为反映植物长期水分利用效率的关键指标,对于揭示植物与环境长期作用的关系具有重要意义。本研究以马尾松幼苗为对象,通过土壤水分和光照条件控制,设... 详细信息

水分利用是植物光合固碳的关键过程,其效率反映植物对胁迫环境的适应能力,δ^(13)C作为反映植物长期水分利用效率的关键指标,对于揭示植物与环境长期作用的关系具有重要意义。本研究以马尾松幼苗为对象,通过土壤水分和光照条件控制,设置干旱(土壤水分为30%饱和含水量)、遮荫(光照强度为全光照的30%)及干旱+遮荫(土壤水分为30%饱和含水量和光照强度为全光照的30%)3种胁迫方式和对照(CK,土壤水分为70%饱和含水量和全光照),研究干旱和遮荫对马尾松瞬时水分利用效率和δ^(13)C的影响。结果表明:干旱和干旱+遮荫处理分别使马尾松当年生叶的瞬时水分利用效率显著增加了67.96%和60.78%,遮荫对瞬时水分利用效率的影响不显著;当年生叶的δ^(13)C在干旱处理下显著增加了14.35%,但在遮荫和干旱+遮荫处理下未发生明显改变;各处理对1年生叶δ^(13)C的影响均不显著;表明瞬时和长期水分利用效率的变化不同步,且马尾松的水分利用效率对干旱的响应较早;在各处理下,各库器官中的δ^(13)C均大于源叶,茎干和根中的δ^(13)C与源叶δ^(13)C的相关系数较大,且与1年生叶呈极显著正相关,各库器官的δ^(13)C主要受源叶δ^(13)C供应的影响。表明环境变化导致水分利用效率的变化将引起各库器官δ^(13)C发生改变。研究结果可为揭示马尾松幼苗对气候变化的响应机制提供参考。

关键词：干旱遮荫水分利用效率 δ^(13)C 马尾松幼苗

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

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

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

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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

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落叶松枯梢病罹病叶及病梢真菌多样性

林业科学 2024年

作者：谢宪邓勋宋丽文梁军聊城大学农学与农业工程学院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黑龙江省森林保护研究所吉林省林业科学研究院

【目的】探明落叶松针叶和梢的内生真菌多样性和群落结构的差异与落叶松枯梢病发病的关系，为落叶松枯梢病的防控提供参考。【方法】基于高通量测序技术，通过OTU数量、鉴定类群、多样性指数及FUNGuild营养型预测等方法，分析无病斑和... 详细信息

【目的】探明落叶松针叶和梢的内生真菌多样性和群落结构的差异与落叶松枯梢病发病的关系，为落叶松枯梢病的防控提供参考。【方法】基于高通量测序技术，通过OTU数量、鉴定类群、多样性指数及FUNGuild营养型预测等方法，分析无病斑和染病的针叶和松梢的内生真菌群落结构、多样性和功能营养型的差异。【结果】针叶样品中共计1 091个OTU，梢样品中共计1 083个OTU；针叶样本间差异显著（P＜0.05），全无病斑的针叶内生真菌多样性显著高于染病最重的针叶，无病斑梢与感病梢内生真菌多样性无显著差异；针叶和梢中的优势菌门为子囊菌门（Ascomycota），无病斑的针叶内生真菌优势菌目和属为刺盾炱目Chaetothyriales和Arthrocatena，染病后针叶优势真菌为葡萄座腔菌目（Botryosphaeriales）和新壳梭孢属（Neofusicoccum），梢中优势真菌目和属为煤炱目（Capnodiales）和小叠孢属（Microcyclosporella）；LefSe分析表明在针叶和梢中真菌群落中共54个显著性差异类群；PCoA分析进一步证实无病斑与染病针叶的内生真菌群落差异显著（anosim R=0.695，P＜0.05）；针叶真菌营养型以病理-腐生营养型真菌为主，染病后病理营养型真菌占优势，梢中真菌营养型以病理-腐生营养型真菌为主。【结论】相较于落叶松梢，针叶内生真菌群落结构变化更显著，病原菌在针叶中富集，进而促进落叶松枯梢病的发展。

关键词：落叶松枯梢病针叶梢内生真菌群落结构