基于根系竞争的森林幼苗更新机理研究：以寒温性针叶林为例

Forest regeneration is the basis of ecosystem material recycling and energy flow. It had been generally believed that the shoot competition for light was essential to survive and develop of forest regeneration seedlings. As yet, we have known little about if and how root competition has effects on seedling regeneration. Simulated root competition test was conducted with one year old seedlings of aspen (Populus davidiana) and birch (Betula platyphylla), spruce (Picea meyeri) and larch (Larix principis-rupprechtii), the early-successional, late-successional dominant trees in the cold temperate coniferous forest at Guandi mountain in Shanxi province, respectively, competed with carex (Carex lanceolata), representative herb in the forest, to explore the effect of root competition on seedling regeneration under the conditions of heterogeneity and homogeneity of soil nutrients using structural equation modeling. The coupling relations between underground and aboveground growth of seedlings was analyzed in order to clarify the main way that seedling regeneration was affected by root competition, and reveal the direct and indirect mechanism of the impact of root competition on seedling regeneration at the aspect of roots and leaves physiological activity, and its morphology. Direct experimental evidence that root competition have a significant ecological effect on forest regeneration will be provided, and it will push forward the process of belowground ecology with the understanding of the relationship between forest regeneration and root competition, and further enrich and improve forest regeneration theory, and also provide a theoretical basis for forest management.

森林更新是生态系统结构与功能得以持续的基础。学术界普遍认为植物地上部分对于光能的竞争在森林更新幼苗的成活、生长中具有决定意义。然而，我们至今未能理解植物根系竞争在森林幼苗早期更新过程中扮演的角色及其作用机制。本项目以山西省关帝山林区寒温性针叶林主要树种山杨、白桦、白杄和华北落叶松幼苗为研究对象，选取林中具代表性的草本植物披针叶苔草模拟根系竞争试验，采用结构方程模型分别量化表达均质、异质土壤养分条件下根系竞争对幼苗地上部分非对称性竞争形成、发展过程影响的重要性，揭示其直接和间接作用途径，并从幼苗根系和叶片的形态、生理角度，基于幼苗地下部分同地上部分生长的耦合关系，深入探讨根系竞争对幼苗更新的直接和间接作用机制。本研究为探讨森林更新过程中根系竞争的生态学效应提供了直接实验证据，对于推进地下生态学过程同森林更新关系的认识具有重要意义，进一步丰富和完善了森林更新理论，为森林经营管理提供理论依据。

森林更新是生态系统结构与功能得以持续的基础。学术界普遍认为植物地上部分对于光能的竞争在森林更新幼苗的成活、生长中具有决定意义。然而，我们至今未能理解植物根系竞争在森林幼苗早期更新过程中扮演的角色和作用机制。本项目以山西省关帝山林区寒温性针叶林早期演替树种白桦和油松，晚期演替树种五角枫和云杉幼苗为研究对象，选取草本植物早熟禾模拟根系竞争试验，采用结构方程模型分别量化表达均质、异质土壤养分条件下根系竞争对幼苗地上部分非对称性竞争形成、发展过程影响的重要性，揭示其直接和间接作用途径，并深入探讨其生态学机制。结果表明，同树冠竞争强度相似，根系竞争强度对森林更新幼苗苗高生长量具有显著的影响，即根系竞争在森林幼苗早期更新阶段发挥着不可忽视、无法替代、相当重要的作用。根系竞争通过改变更新幼苗细根内部三个亚径级根系的相对含量，影响到植物对水分及养分的吸收利用，从而作用于幼苗的更新生长，最终实现对森林更新过程的影响。植物根系养分吸收能力对苗高生长量的作用主要是通过影响叶片光合能力，在经由叶片光合能力对幼苗苗高生长的影响这一间接作用途径实现的，这一间接作用途径的效应值可占根系养分吸收能力对苗高生长量影响总效应值的66.9%，而与此相应的直接作用途径，即根系养分吸收能力直接对苗高生长量产生影响的途径，仅能贡献总效应值的33.1%。土壤养分异质性进一步强化了根系竞争对森林幼苗更新过程的影响；此时根系竞争具有更强更重要的生态意义。同早期演替树种相比，晚期演替树种更倾向于通过间接作用途径实现根系竞争的森林更新效应。而针叶、阔叶树种的对比分析结果也表现出相同的趋势。此外，本研究初步探讨了根系竞争可以显著改变植物根际土壤微生物群落结构的可能性。野外天然油松林样地分析结果表明，同温度生态因子相比，降水量生态因子对天然油松林表层土壤细根密度的影响更为显著，且这种效果随着降水量的增加而增加。本研究从控制试验至野外原位调查试验两个层次由浅入深地为探讨森林更新过程中根系竞争的生态学效应提供了直接实验证据，对于推进地下生态学过程同森林更新关系的认识具有重要意义，进一步丰富和完善了森林更新理论，为森林经营管理提供理论依据。