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落叶松(Larix spp.)是东北林区人工造林面积最大的树种。落叶松人工林的建设目标是以提供木材为主,同时兼顾涵养水源等生态功能。但是,由于不合理的经营利用,导致落叶松人工林出现林分结构单一、生物多样性降低、地力衰退以及水源涵养功能下降等问题,严重影响了落叶松人工林木材生产和生态功能的正常发挥。而将落叶松人工纯林诱导形成落叶松-阔叶混交林是解决这些问题的重要途径之一。如何促进阔叶树种在落叶松人工林内的天然更新(尤其是对干扰和环境最为敏感的早期天然更新过程)是决定成功诱导的关键。已有研究表明,调控人工林林分结构(间伐)是加速落叶松人工纯林形成针阔混交林的可行途径;但是,由于受技术手段和研究方法所限,间伐到底是如何影响阔叶树种在落叶松人工林内的早期更新过程,一直是该研究领域未解的难题。为此,本研究以东北次生林主要阔叶树种(花曲柳(Fraxinus rhynchophylla)和色木槭(Acer mono),均为风力传播种子类型)为对象,以森林更新过程的早期且敏感阶段(种子雨、土壤种子库和幼苗生长)为重点,在林分结构调控(间伐)后的落叶松人工纯林内,采用野外15N同位素喷施试验和室内15N同位素浸泡模拟实验相结合的技术手段,探讨阔叶树种在间伐落叶松林人工林内的种子雨和土壤种子库密度及种子传播距离,明确种子和幼苗对15N同位素的富集响应,为实现落叶松人工林可持续经营提供科学参考。 野外试验选择有阔叶树种种源(即,与阔叶次生林毗邻)的落叶松人工林,对人工林设置三种间伐强度处理(对照、25%和50%强度;林冠开阔度分别为21.3±0.7%、26.3±0.3%和31.6±0.9%),并对选择的毗邻次生林中的成熟花曲柳和色木槭母树喷施NH415NO3。室内模拟实验以CO(15NH2)浸泡种子,设置4个种子浸泡浓度(0g/L(去离子水)、0.05g/L、0.1g/L和0.2g/L)、3个种子浸泡时间(4d、8d和12d)和6个幼苗叶期(2叶、4叶、6叶、8叶、10叶和12叶)处理。主要结果如下: (1)间伐对落叶松人工林下阔叶树种种子雨和土壤种子库的影响:1)种子雨:花曲柳种子在三个间伐强度人工林样地内均能传播至距离人工林-次生林边界的24m处,其中,对照、25%和50%间伐强度样地在24m处的同位素标记种源的贡献率分别为34.2%、34.1%和69.2%;25%间伐强度更有利于色木槭种子的传播,最远传播距离能达到24m处,且同位素标记种源的贡献率为24.8%。花曲柳和色木槭种子雨密度分别集中在距离人工林-次生林边界的0~6m(50%间伐强度和对照样地内的同位素标记种源的平均贡献率分别为42.9%和24.3%)和0~2m处(对照和25%间伐强度样地内的同位素标记种源的平均贡献率分别为25.0%和20.5%),总体上随离边界的距离增加而逐渐减小。2)土壤种子库:只有花曲柳种子在人工林内形成土壤种子库,其中,25%和50%间伐强度更有利于形成土壤种子库;对照和50%间伐强度的人工林内的花曲柳种子雨对土壤种子库的贡献率较大,分别为9.52%和4.51%。这可能与林分结构(林冠开阔度)、气象条件(风速风向)、母树多度、结实量、微地形等因素有关。 (2)阔叶树种种子和幼苗对15N同位素的富集响应:1)15N溶液的浸泡浓度和浸泡时间对两树种种子δ15N值均有显著影响(P<0.001),高浓度和长时间(0.2g/L+12d)更有利于种子15N总量的富集,但花曲柳和色木槭种子最大倍数的浸泡浓度和浸泡时间组合分别为0.1g/L+(4d、8d)和0.05g/L+(4d、8d),两者之间的差异可能是种子大小、质量和成分不同造成的。2)浸泡种子萌发形成的幼苗叶片δ15N值与种子浸泡浓度、浸泡时间和种子δ15N值呈极显著正相关(P<0.001);幼苗叶片δ15N值从8叶开始降低,且δ15N值稀释率随叶期(株高)的增加先急剧减少(2~6叶)后趋于稳定(8~12叶)。同时,土壤基质、植株器官、叶片位置等也可能影响幼苗对15N的响应效果。 综上所述,15N同位素标记法能够用于野外追踪高大乔木(花曲柳和色木槭)的种子扩散和幼苗生长。花曲柳与色木槭的种子雨和土壤种子库的数量和传播距离并未与落叶松人工林林冠开阔度(间伐强度)显著正相关,但是一定程度的间伐可以促进阔叶树种种子在落叶松人工林内的传播(种子雨)和形成土壤种子库;6叶期幼苗(花曲柳和色木槭幼苗高度分别为9.34±0.09cm和10.0±0.13cm)的δ1N值更适合追踪幼苗来源。鉴于风力传播的阔叶树种种子的早期更新过程与诸多因素有关,因此需要长期监测(至少五年)才能比较全面的揭示间伐对阔叶树种在落叶松人工林内的早期更新过程的影响机制。