南京林业大学学报(自然科学版)杂志

南京林业大学学报(自然科学版)杂志2023年第3期

• 融合Swin Transformer的虫害图像实例分割优化方法研究

  高家军,张旭,郭颖,刘昱坤,郭安琪,石蒙蒙,王鹏,袁莹

  【目的】为了实现对虫害的精准监测,提出了一种融合Swin Transformer的图像实例分割优化方法,以期有效解决复杂真实场景下多幼虫个体图像识别分割困难的问题。【方法】选用Swin Transformer模型,改进Mask R-CNN实例分割模型的主干网部分,对黄野螟幼虫虫害图像进行识别分割。针对不同结构参数的Swin Transformer模型与ResNet模型,调整各层的输入输出维度,将其分别设置为Mask R-CNN的主干网进行对比实验,从定量与定性两个角度分析不同主干网的Mask R-CNN模型对黄野螟幼虫的识别分割精度与效果,确定最佳模型结构。【结果】①该方法在虫害识别框选方面的测度(F1)分数可达89.7%,平均精度(AP)可达88.0%;在虫害识别分割方面的F1分数可达84.3%,AP可达82.2%。相较于Mask R-CNN,在目标框选与目标分割方面分别提升8.75%与8.40%。②对于小目标虫害识别分割任务,该方法在虫害识别框选方面的F1分数可达88.4%,AP可达86.3%;在虫害识别分割方面的F1分数可达84.0%,AP可达81.7%。相较于Mask R-CNN,在目标框选与目标分割方面分别提升9.30%与9.45%。【结论】对于复杂真实场景下的图像实例分割任务,其识别分割效果极大地依赖于模型对图像特征的提取能力,而融合了Swin Transformer的Mask R-CNN实例分割模型,在主干网的特征提取能力更强,模型整体的识别分割效果更好,可为虫害的识别监测提供技术支撑,同时为保护农、林、牧等产业资源提供解决方案。

• 基于视觉加强注意力模型的植物病虫害检测

  杨堃,范习健,薄维昊,刘婕,王俊玲

  【目的】植物病虫害准确检测是病虫害精准化防治的关键,笔者构建准确高效的植物病虫害监测模型,为病虫害的早期诊断与预警提供重要依据。【方法】针对现有植物病虫害检测模型泛化能力弱、小目标漏检率高等问题,提出一种基于视觉加强注意力改进的植物病虫害检测模型--YOLOv 5-VE(vision enhancement)。为方便检测实验样本中的小目标采用Mosaic 9数据增强方法;设计出基于视觉注意力的特征加强模块CBAM(convolutional block attention module);为确定不同目标重叠在一起和被遮挡的定位损失引入边界框定位损失函数DIoU。【结果】YOLOv 5-VE模型在实验数据集上的识别精度和检测平均准确率达到65.87%和73.49%,比原模型提高了1.07%和8.25%,在型号为1 080 Ti的GPU上检测速度可达35帧/s。【结论】该方法可以在背景复杂的野外场景快速有效地检测和识别种类多样的病害和虫害,可以提高检测的鲁棒性能,提升模型对病虫害目标的特征提取能力,降低野外复杂场景对检测带来的干扰,表现出良好的应用潜力,可广泛运用于大规模的植物病虫害检测。

• 基于多图像特征的幼龄沉香全氮估测

  袁莹,王雪峰,王甜,陈飞飞,黄川腾,林玲,董晓娜

  【目的】应用计算机视觉技术提取幼龄沉香的多图像特征,对沉香叶片全氮含量进行估测,为实现沉香氮营养状态的快速无损估测提供新方法。【方法】采用基于色调-亮度-饱和度(HIS)颜色空间的最佳直方图(KSW)熵法和形态学处理对幼龄沉香图像进行分割,并提取了图像的颜色、形状和纹理特征。然后利用偏最小二乘法(PLS)对多图像特征进行有监督降维,提取图像特征主成分。最后构建了天牛须搜索算法(BAS)优化后的Elman神经网络(Elman neural network,ElmanNN)模型对幼龄沉香叶片全氮量进行估测,并将模型验证结果与其他常用模型进行对比。【结果】以幼龄沉香可见光图像为研究对象,应用的基于HIS空间的分割算法效果优于常用的RGB和Lab颜色空间分割;PLS算法对图像特征提取了6个主成分,快速降低了图像特征的维数,并有效消除了特征变量间的多重共线性;提出的PLS-BAS-ElmanNN模型能实现模型参数的自适应选取,且估测效果较好,决定系数R2为0.740 7,均方根误差(RMSE)为1.265 3 g/kg,估测精度略高于偏最小二乘回归(PLSR)模型和偏最小二乘-广义可加模型(GAM)。【结论】提出以幼龄沉香为研究对象的图像处理方法,构建了能够稳定处理高维图像数据的PLS-BAS-ElmanNN估测模型,为幼龄沉香氮营养状态的监测及沉香培育的精准作业提供了新思路。

• 深度学习在基于叶片的油茶品种识别中的研究

  尹显明,棘玉,张日清,莫登奎,彭邵锋,韦维

  【目的】 采用深度学习方法开展基于叶片的油茶品种识别研究,开发油茶品系图像识别技术,为油茶品种鉴别提供科学依据。【方法】选择自然光照条件下生长的11个油茶品种叶片作为研究对象,采集完整、无明显病虫害的叶片,以白色硬纸板为背景,利用智能手机对叶片的正、背面进行图像采集,通过可用性筛选去除无效图像,构建图像数量为2 791张的油茶叶片品种数据集,采用深度学习网络(GoogLeNet、ResNet)对11个油茶品种的叶片图像进行识别研究。【结果】GoogLeNet和ResNet网络均能满足基于叶片的油茶品种识别要求,总体识别准确率、召回率的调和平均值(F1)分别达94.0%和80.7%;其中GoogLeNet网络识别效果更好,平均准确率、召回率、多分类模型指标宏观F1(Macro F1)和微观F1(Micro F1)分别为94.1%、94.0%、94.0%和96.9%,其对油茶品种编号1和编号8的识别召回率高达100%。【结论】深度学习网络(GoogLeNet、ResNet)能够实现基于叶片的油茶品种识别,可为基于其他作物的品种识别提供参考。

• 基于BOVW和SVM的城市土地类型遥感变化监测研究

  黄靖舒,高心丹,景维鹏

  【目的】研究城市土地类型的变化,分析城市进化过程对环境气候、城市发展以及政府决策产生的影响。【方法】以15~30 m分辨率的NWPU-RESISC45标准数据集和哈尔滨城区Landsat 8遥感影像为实验数据,制作了包含城市建筑及道路、水体、植被、裸地4种土地类型的遥感影像数据集。在实验数据中加入纹理信息,提取SIFT(scale-invariant feature transform, SIFT)特征点。通过K-means聚类算法获取包含大量语义信息的视觉词典,从而构造视觉词袋模型(bag of visual words, BOVW)。然后将BOVW提取的特征点与支持向量机(support vector machine, SVM)分类器结合,对制作的数据集进行分类。最后,利用2013年、2019年同一季节Landsat 8影像,以哈尔滨市松北区为例计算各土地类型的位置及面积变化信息。【结果】基于BOVW和SVM的分类结果与5种单一分类模型和3种“特征提取+分类器”模型对比,发现使用尺寸为550个词汇的视觉词典时,本研究模型的分类与变化监测精确度分别为79.40%、79.29%。结合哈尔滨城市具体数据的监测结果表明,在2013-2019年间,哈尔滨市松北区城市建筑及道路与植被类型的覆盖面积减少明显,水体与裸地类型的覆盖面积增加,这一变化情况符合近年来哈尔滨市政府陆续推出的环境保护五年规划,以及其总体规划中合理控制城市规模的相关政策要求。【结论】对于时间跨度长、分辨率不高的Landsat遥感影像,BOVW和SVM的变化监测模型在土地类型变化监测方面效果良好,在一定程度上可提高分类与变化监测的精度,为土地类型变化监测提供借鉴。

• 牡丹野生种根际土壤细菌群落特征分析

  郭丽丽,张晨洁,王菲,沈佳佳,张凯月,何丽霞,郭琪,侯小改

  【目的】植物根际微生物群落由土壤环境和根系代谢活动共同作用产生,在植物生长发育过程中发挥重要功能。解析牡丹野生种在引种地根际土壤细菌群落特征,对有效利用微生物资源和保护野生植物种质资源具有重要的理论意义,为改良牡丹野生种的土壤环境、实现优质种质资源广谱性种植奠定基础。【方法】应用MiSeq高通量测序技术对大花黄牡丹(Paeonia ludlowii)、狭叶牡丹(P. potaninii)、紫牡丹(P. delavayi)、黄牡丹(P. lutea)、紫斑牡丹(P. rockii)、杨山牡丹(P. ostii)、四川牡丹(P. decomposita)、稷山牡丹(P. jishanensis)和卵叶牡丹(P. qiui)9个牡丹野生种根际土壤样品进行16S rRNA基因测序,并分析其与理化指标的相关性。【结果】高通量测序共获得606 536条序列和99个OTU聚类,隶属于24门、84纲、154目、280科和603属。Alpha多样性分析表明杨山牡丹根际微生物群落包含的物种数目最高,Beta分析发现四川牡丹、紫斑牡丹、黄牡丹、杨山牡丹、紫牡丹和大花黄牡丹根际土壤中细菌群落结构更为相似。细菌群落组成分析结果表明:根际土壤样本的核心优势细菌群落主要由变形菌门(Proteobatteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)组成。酸杆菌门、绿弯菌门、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和假单胞菌属(Pseudomonas)等有益菌种在不同野生种中存在显著差异。根际细菌群落功能预测多集中在代谢、遗传信息处理和环境信息处理方面。牡丹野生种根际细菌群落受土壤有机质和速效钾含量影响较大。【结论】不同野生种根际土壤细菌群落结构不同,细菌群落的形成与牡丹种类存在显著相关性,有益菌门/属的富集,对植株生长具有促进作用。今后可有效利用根际微生物资源以改良牡丹野生种的土壤环境,实现优质种质资源广谱性种植,为野生种质资源的保护奠定基础。

• ‘凤丹’PoERF4基因的克隆及表达分析

  魏祯祯,宋程威,郭丽丽,郭琪,侯小改

  【目的】牡丹(Paeonia×suffruticosa)是传统的观赏名花,由于其花期短暂极大限制了牡丹的观赏价值。克隆牡丹品种‘凤丹’(Paeonia ostii ‘Feng Dan’)PoERF4基因,研究其序列特征及在不同花期、组织、品种和激素处理下的表达特性,为进一步研究PoERF4基因对牡丹花期和生长发育的调控作用提供理论参考。【方法】以‘凤丹’为研究材料,基于‘凤丹’3代全长转录组测序结果,筛选出同源性高的序列,采用RT-PCR技术克隆PoERF4基因,并进行生物信息学和表达模式分析。【结果】PoERF4基因的开放阅读框(ORF)为747 bp,编码248个氨基酸。PoERF4蛋白分子式为C2 217H3 689N747O933S174,为亲水蛋白,含有保守的AP2超家族结构域,无跨膜结构,二级结构中α-螺旋中包含28个氨基酸,延伸链中包含48个氨基酸, β-转角中包含6个氨基酸。荧光定量分析发现,PoERF4基因在‘凤丹’不同花期的花瓣中,半开期的表达量最高;在不同组织中均有表达,但其在叶片中表达量最高,花瓣次之,根中表达量最低;在3个不同品种中,晚花品种‘莲鹤’‘Lianhe’中表达量最高;在生长素处理下,PoERF4基因能够对其产生应答。【结论】从‘凤丹’中成功分离出PoERF4基因,推测其在花和叶片发育进程中起重要调控作用,参与‘凤丹’生长素信号转导过程。

• 3种牡丹花器官不同部位挥发性成分分析

  徐慧,姚霞珍,佟珂珂,邢震,李垚

  【目的】对3种野生牡丹花器官的挥发性成分进行研究与分析,明确关键挥发性成分及释香部位,为指导牡丹花香育种、探索花香遗传规律等后续研究和开发相关产品提供参考。【方法】采用顶空-气相色谱质谱联用(HS-GC-MS)技术对大花黄牡丹(Paeonia ludlowii)、黄牡丹(P. lutea)、杨山牡丹(P. ostii)花器官不同部位(整花、花瓣、雄蕊)的挥发性成分进行测定,并对3种牡丹检测出的挥发性成分进行主成分分析(PCA)和偏最小二乘法判别分析(PLS-DA)。【结果】在3种牡丹花器官中共检测出147种挥发性物质。大花黄牡丹花器官中的化合物主要为酮类、醇类、烯烃类和醛类,整花中的挥发性成分以苯乙酮、6,6-二甲基双环[3.1.1]庚烷-2-甲醛和芳樟醇为主;花瓣中的挥发性成分以β-古巴烯、苯乙酮和芳樟醇为主;雄蕊中的挥发性成分以苯乙酮和芳樟醇为主。黄牡丹花器官中的化合物主要为烯烃、烷烃和醇类,整花和花瓣部位的挥发性物质主要是α-蒎烯、β-古巴烯、芳樟醇;雄蕊部位以辛烷、β-古巴烯和α-蒎烯为主。杨山牡丹花器官中的挥发性物质以烯烃和烷烃类为主,整花部位中的挥发性成分主要为α-蒎烯、罗勒烯、十五烷;花瓣的主要挥发性成分为罗勒烯,相对含量高达81.58%;雄蕊中的挥发性成分以罗勒烯、十五烷为主。依据检出的挥发性成分构建的PCA和PLS-DA模型,可实现将3种牡丹有效分类,并筛选出了15种差异性成分,变量投影重要性(VVIP)>1(P<0.05)。【结论】3种牡丹之间以及同种牡丹不同部位之间的挥发性化合物种类和相对含量存在较大差异。大花黄牡丹的主要香气成分为苯乙酮和芳樟醇,黄牡丹的主要香气成分为α-蒎烯、 β-古巴烯和芳樟醇,杨山牡丹的主要香气成分为罗勒烯、α-蒎烯、十五烷。3种牡丹雄蕊中烷烃类化合物的相对含量均远高于整花与花瓣,雄蕊可能是烷烃类化合物的重要合成部位。不同挥发性物质构成了3种牡丹各自独特的香气特征,大花黄牡丹和黄牡丹散发出浓烈的花香,杨山牡丹表现为草香和蜡香。

• 白蜡花粉最佳离体萌发培养基筛选

  刘蓉,吴德军,王因花,任飞,李丽,燕丽萍,周晓锋

  【目的】筛选白蜡(Fraxinus sp.)花粉最适离体培养基,能够为后续的授粉受精和育种工作提供一定的参考依据。【方法】通过收集绒毛白蜡‘金箭’(F. velutina ‘Jinjian’)和美国红梣‘鲁蜡5号’(F. pennsylvanica ‘Lula 5’)的花粉,比较固体培养基和液体培养基上花粉的萌发情况,选用适宜的离体培养法观察培养时间对花粉萌发情况的影响,设计正交试验,筛选最佳离体萌发培养基。【结果】①固体培养基上‘金箭’的花粉萌发率均显著高于液体培养基,02和03号固体培养基上‘鲁蜡5号’的花粉萌发率显著高于液体培养基。②培养2.5 h左右的花粉适宜进行生活力的观测。③正交试验表明:‘金箭’花粉的最适萌发培养基为150 g/L蔗糖+20 mg/L硼酸+30 mg/L氯化钙,‘鲁蜡5号’花粉的最适萌发培养基为150 g/L蔗糖+40 mg/L硼酸+30 mg/L氯化钙。【结论】采用150 g/L蔗糖+20 mg/L硼酸+30 mg/L氯化钙的固体培养基培养2.5 h后适宜统计两种白蜡花粉的萌发情况,但不同种的花粉萌发率与花粉管长度的相关性有差异。

• 花楸属直脉组7种/变种基因组大小及叶表皮微形态特征的分类学意义

  邱靖,李嘉宝,朱大海,陈昕

  【目的】通过对花楸属直脉组(Sorbus Sect. Alnifoliae)5种及具有分类争议的2变种的基因组大小和叶表皮微形态研究,探讨其分类学意义以及基因组大小和细胞大小之间的相关性。【方法】基于流式细胞术、光学和电子显微镜分别对研究对象的基因组大小、叶表皮细胞和气孔的质量和数量性状进行测定、分析。【结果】基因组大小测定显示所有分类群均为极小基因组,大小介于神农架花楸(S. yuana)的1.348 pg至长果花楸(S. zahlbruckneri)的1.586 pg之间;虽均为二倍体,但分类群间基因组大小差异显著。光学显微镜下叶表皮细胞形状兼有多边形和无规则形,或者仅无规则形,垂周壁式样有平直状、弧状和波状;扫描电镜下表皮纹饰有近光滑、局部加厚、脊状、网纹、褶皱等类型,蜡质纹饰有壳状、颗粒状、线状、片状等;4个分类群的下表皮具带状单毛。气孔器均为无规则型,分布于下表皮脉间区;保卫细胞具明显的环形外缘或无。表皮细胞面积、气孔宽度及面积、气孔密度、气孔指数等指标在分类群间差异显著,基因组大小同表皮细胞面积、气孔长宽及面积呈正相关,同气孔密度和气孔指数呈负相关。【结论】基因组大小、叶表皮微形态质量和数量性状可为7个分类群的鉴定提供依据,不支持将棱果花楸(S. alnifolia var. angulata)和裂叶水榆花楸(S. japonica)作为日本花楸(S. alnifolia var. lobulata)的异名处理,建议恢复棱果花楸和裂叶水榆花楸的名称。

• 109份丰产核桃单株坚果表型多样性分析及性状评价

  张赟齐,董宁光,郝艳宾,陈永浩,张俊佩,侯智霞,苏淑钗,吴佳庆,齐建勋

  【目的】 果实表型分析和评价是良种选育的基础,分析核桃(Julans regia)坚果表型多样性并开展性状综合评价,可筛选出具有优良坚果性状的核桃品系。【方法】以北京农林科学院核桃选种圃109份丰产性较好的核桃单株为研究对象,测定其18个坚果表型性状,分析各性状的变异系数和遗传多样性,并进行方差、相关性、主成分、聚类和综合评价分析。【结果】①109份核桃坚果的18个表型性状变异均达到极显著水平,变异系数范围为4.70%~25.00%,遗传多样性指数范围为2.849~3.023,表征坚果大小和干质量的指标在个体间具有较高的离散程度,而坚果形状指标的个体间变异较小;②坚果各部分的干质量指标与反映坚果大小的指标均呈极显著正相关,坚果形状指标与坚果三径关系密切,种壳厚度和种壳干质量会显著影响坚果出仁率;③坚果大小、形状和外在品质指标能反映坚果表型性状的绝大部分信息,这3个主成分的累计贡献率达91.596%,以这3个主成分共筛选出几何平均直径、坚果体积、单果干质量、核仁干质量、球形度、壳厚、出仁率和体积出仁率等8个重要性状;④在欧氏距离9.0处将109份种质资源聚为4大类群,可用于亲本材料的选育;⑤根据坚果性状综合得分,并结合理想核桃坚果的一般特征筛选出XJ45、A068、E030、XJ59和W27优系。【结论】北京农林科学院核桃选种圃中109份丰产核桃单株的坚果表型性状显示出较高的遗传多样性,且各表型性状间的关系较为密切;种质资源分为4个不同用途的育种类群; 8个重要的坚果表型性状可用于初步构建核桃种质资源的评价标准,以及京津冀地区核桃新品种的选育和创制。

• 江西省维管植物区系新资料

  徐国良,黄明辉,曾晓辉

  【目的】对我国亚热带东部森林生态系统保存较完整的典型地区九连山的植物多样性进行调查,补充该区域维管植物区系新资料。【方法】以南岭山地东段九连山为研究区域,通过植物摄影、标本采集、参考有关文献和资料,对该区植物区系进行分析,并讨论了它们的地理区系和濒危状况。【结果】与以往记录对照,新增10个江西省维管植物新记录种(含2个变种),即无盖耳蕨(Polystichum gymnocarpium Ching ex W. M. Chu & Z. R. He)、倒卵伏石蕨[Lemmaphyllum microphyllum var. obovatum (Harr.) C. Chr.]、广西长筒蕨[Abrodictyum obscurum var. siamense (Christ) K. Iwats.]、剑叶石斛(Dendrobium spatella Rchb.f.)、圆叶匙唇兰[Schoenorchis tixieri (Guillaumin) Seidenf.]、红秆凤尾蕨(Pteris amoena Blume)、高鳞毛蕨[Dryopteris simasakii (H. Itô) Kurata]、美丽毛蕨[Cyclosorus molliusculus (Wall. ex Kuhn) Ching]、粉叶蕨[Pityrogramma calomelanos (L.) Link]、弯花叉柱花(Staurogyne chapaensis Benoist)。新增4个江西省维管植物新记录属,即长片蕨属(Abrodictyum C. Presl)、匙唇兰属(Schoenorchis Blume)、叉柱花属(Staurogyne Wall.)和粉叶蕨属(Pityrogramma Link)。【结论】4个新记录属在江西省的被发现对研究该类植物的起源与扩散机制有重要的参考意义;广西长筒蕨和剑叶石斛分别被《中国生物多样性红色名录-高等植物卷》收录为近危种(NT)和易危种(VU),剑叶石斛还被列为国家二级重点保护野生植物,建议当地管理机构加强对这些珍稀濒危植物的保护;这些新记录在九连山地区的被发现补充了其在中国的地理区系成分分布,进一步丰富了江西省的维管植物多样性。

• 白榆在我国的潜在分布格局及未来变化

  韩淑敏,闫伟,杨雪栋,胡博,于凤强,高润红

  【目的】研究影响白榆(Ulmus pumila)在我国分布的气候条件、分布范围及未来变化,为白榆的科学保护和合理开发提供理论依据。【方法】采用MaxEnt和ArcGIS软件对当代、2050s和2070s(RCP2.6和RCP6.0)3个时期气候情景下白榆的潜在分布区进行预测。【结果】MaxEnt模型对白榆潜在分布区的预测具有很高的准确度,其训练集和测试集的AUC值分别为0.921和0.911。其中温度季节性变化(Bio4)、年降水量(Bio12)和降水量季节性变化(Bio15)对白榆的影响贡献率累计高达88.4%。依托气候环境变量,对白榆当前时期潜在分布区进行预测,中适生区主要集中在我国新疆、内蒙古中部、甘肃等西北地区,吉林、辽宁和内蒙古呼伦贝尔市等东北地区有少量分布;高适生区主要集中在我国河北、陕西、山西、山东等华北地区。未来2050s和2070s时期RCP2.6和RCP6.0气候情景下,白榆高适生区面积减小,中低适生区面积增大且会出现新的潜在适生区。【结论】以年为单位的温度和降水是白榆分布的主要因子,当前白榆的适生区主要集中在我国华北、西北和东北地区,未来其分布有向高纬度、高海拔区域迁移的趋势。

• 近30年千岛湖流域产水量时空变化及其影响因子分析

  朱志洪,周本智,王懿祥,祁军,李爱博,黄润霞

  【目的】千岛湖流域是长江三角洲重要的水源地和生态屏障区,研究其水源供给服务对长江三角洲生态保护和社会经济高质量可持续发展有着重要的意义。【方法】基于InVEST模型对千岛湖流域近30年的产水量进行量化,并通过情景分析法和地理探测器探究其时空变化特征以及空间分异的主要影响因子。【结果】1995-2019年,千岛湖流域产水量与降水量的年际变化具有一致性,表现为前期大幅度减小后明显增大再略微减小的波动变化趋势,空间分布格局变化不大, 产水高值区主要集中在流域西部,低值区则集中在流域东部湖区范围内;不同土地利用类型中,建筑用地的平均产水量最高,草地次之,林地和水体的平均产水量最低;气候变化对产水量的影响较为显著,土地利用变化对产水量的影响较低;实际蒸散量是产水量空间分布格局的主要驱动因子,土地利用类型次之,实际蒸散量与降水的交互作用最为显著。【结论】流域产水量是气候、土地利用类型等多种因子共同作用的结果,在未来的生态建设和环境保护中,需要综合考虑地形、气候和人类活动的变化对千岛湖流域产水服务的影响。

• 气候变化对落叶松人工林生物量生长的影响模拟

  何潇,雷相东,段光爽,丰庆荣,张逸如,冯林艳

  【目的】研究气候变化对落叶松人工林生物量及其生长的影响,为落叶松人工林碳估测和适应性经营决策提供依据。【方法】利用华北和东北地区第6~8次森林资源连续清查落叶松人工纯林固定样地数据,基于理论生长方程建立林分生物量生长模型。并将不同种落叶松作为哑变量,建立了气候敏感的林分生物量生长模型,气候因子为年湿热指数(AHM)。模拟未来气候不变、两种温室气体代表性浓度路径(RCPs)(包括RCP 4.5和RCP 8.5)3种气候变化情景下的林分生物量及其连年生长量,采用两种RCP气候情景与当前情景生物量估计结果的相对差值量化气候变化对林分生物量及其生长的影响。【结果】林分生物量的基础模型、含哑变量的模型、含气候变量和哑变量生长模型的决定系数R2分别为0.938 2、0.947 0和0.950 7,采用哑变量和考虑气候因子能够明显改善模型表现。模型模拟结果表明,与当前情景比较,各树种的林分生物量及其连年生长量在RCP 4.5和RCP 8.5气候变化情景下既有增加也有减少的趋势。对于林分生物量,RCP 4.5和RCP 8.5情景下的相对差值的均值区间分别为-3.02%~2.69%和-4.72%~3.41%;对于林分生物量连年生长量,RCP 4.5和RCP 8.5情景下的相对差值的均值区间分别为-1.92%~0.30%和-2.66%~0.72%。【结论】建立的林分生物量生长模型可用于模拟气候变化下落叶松人工林的林分生物量生长过程。在气候变化的背景下,不同种落叶松人工林生物量及其生长量既有增加也有减少。未来气候变化对不同种的林分生物量及生长量的影响存在差异。总体来看,2011-2060年气候变化对华北落叶松和日本落叶松林分生物量的影响为正,其余树种为负;对华北落叶松的林分生物量连年生长量的影响为正,其余为负。

• 基于林分及地形因子的落叶松人工林林分生物量模型构建

  孙宇,李凤日,谢龙飞,董利虎

  【目的】落叶松在我国东北地区广泛分布,是重要的造林和用材树种,具有生长速度快、耐寒等优点。为了准确地估算落叶松人工林林分生物量,构建了落叶松林分可加性生物量模型。【方法】以落叶松人工林为研究对象,基于黑龙江省的304块人工落叶松固定样地数据,采用非线性似乎不相关回归的方法建立了可加性生物量模型系统,使用留一交叉验证法对建立的模型进行检验。【结果】林分断面积和林分平均高对树干、树枝、树叶和树根生物量模型有显著影响,林龄和海拔也显著影响林分树干、树叶、树根生物量;坡率和坡向对树枝生物量有显著影响。树叶生物量与林分平均高、林龄和海拔呈显著负相关,树干与树根生物量则与之呈显著正相关,树枝生物量与林分平均高呈显著正相关。在所建立的可加性生物量模型中,调整后决定系数( R a d j 2)均在0.94以上,均方根误差(RMSE)较小。检验指标平均误差(MPE)和平均误差百分比(MPE%)均接近0,拟合指数(IF)均大于0.93,平均绝对误差(MAE)较小,且平均绝对误差百分比(MAE%)均小于11%。【结论】建立的落叶松人工林可加性生物量模型的拟合与预测效果均较好,可以进行黑龙江省林分尺度的落叶松人工林生物量预测。

• 长期结实和不结实红松针叶光合生理参数的差异

  林强,陆天宇,沈海龙,王元兴,张鹏

  【目的】选择营养生长基本一致而结实状况差异很大的红松(Pinus koraiensis)个体,分析其光合生理指标差异情况,为红松果材兼用培育提供科学依据。【方法】以吉林省露水河林业局种子园内30年生红松为研究对象,通过对不同结实特性及环境差异下红松个体光合指标进行连续观测,分析其生长季内叶绿素含量、比叶面积(SLA)、光响应参数、非结构性碳水化合物(NSC)含量等指标的变化情况。【结果】①不同结实状况红松叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)、类胡萝卜素(Car)和总叶绿素(Chl T)含量存在显著差异。在生长季期间,不结实红松中的Chl a、Chl b、Car和Chl T含量显著高于结实红松,而叶绿素a与b质量比(Chl a/b)相反,除7月外SLA均表现为结实红松>不结实红松。两种结实特性红松各指标在不同月份之间差异显著。两种结实特性红松叶绿素含量和比叶面积变化趋势一致,Chl a、Chl b、Car和Chl T含量呈下降趋势,而SLA则上升,Chl a/b先下降后上升;②两种结实特性的红松只有光饱和点(LSP)存在显著差异,表观量子效率(AQY)、光补偿点(LCP)、最大净光合速率(Pn,max)、暗呼吸速率(Rd)等均不显著。在整个生长季,除LCP外,两种结实特性红松各指标变化趋势基本一致,AQY和Rd表现为上升趋势,Pn,max、LCP、LSP则表现为下降趋势。除5月外,其他月份两种结实特性红松针叶AQY均为结实红松<不结实红松,Rd则相反,Pn,max和LSP表现为结实红松>不结实红松,LCP在5、7月份中为结实红松<不结实红松,6、8月份为结实红松>不结实红松,9月份趋于持平。同时,LCP和LSP随冠层升高而逐渐增大,且各指标在月份之间差异显著;③两种结实特性的红松个体针叶中可溶性糖、淀粉和NSC含量之间差异不显著,在生长季均表现为下降趋势且月份之间差异显著,可溶性糖和淀粉含量在不同生境下差异显著,针叶可溶性糖和NSC含量除4、8月外,均表现为结实红松>不结实红松,淀粉含量除6月外均表现为结实红松<不结实红松。【结论】吉林省红松林区的结实红松具有更高的光合潜力和物质消耗能力,因此在光照条件下会同化更多的碳,并提高了能量转换效率,以便在生长季存储更多的淀粉和NSC为果实发育提供营养支撑。

• 土壤含水率对蓝莓叶片生理及果实品质的影响

  宋泽君,李培培,袁斓方,郭小兰,王德炉

  【目的】了解土壤含水率对蓝莓(Vaccinium corymbosum)叶片生理及果实品质的影响特征和规律。【方法】以5年生兔眼蓝莓(V. ashei)为试材,通过人工控制设置不同土壤含水率梯度,分析不同土壤含水率对蓝莓植株生理及果实品质的影响。【结果】随着土壤含水率增加,蓝莓叶片中丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)和可溶性糖含量先降低后升高,超氧化物歧化酶(SOD)活性呈“M”形变化趋势,叶绿素含量先升高后下降;蓝莓果实单果质量呈“S”形变化趋势,果实中花青素和维生素C(VC)含量先升高后下降,可溶性固形物(SSC)含量先降低后增加。当土壤相对含水率低于35%~40%或高于95%时,蓝莓叶片生理和果实品质都会受到显著影响,叶片中MDA、Pro和可溶性糖含量均显著升高;叶绿素含量和SOD活性均出现下降趋势,其中叶绿素含量显著降低。果实中花青素和VC积累显著降低,SSC含量升高,蓝莓果实的质量随着土壤含水率的升高而增加,当土壤含水率达到65%~70%后,果实的质量不再显著增加。采用隶属函数计算得出,土壤含水率处于65%~70%时适合蓝莓生长。4个蓝莓品种中,‘园蓝’(‘Gardenblue’)和‘巴尔德温’(‘Baldwin’)在土壤相对含水率65%~70% (T3处理)正常生长的梯度与土壤相对含水率35%~40%(T1处理)、95%~100%(T5处理)强逆境条件下的差异性大于‘灿烂’(‘Brightwell’)和‘S13’,‘园蓝’和‘巴尔德温’对土壤水分过多的抗性略差,‘灿烂’和‘S13’抗性略好。在果实生长期,适度增加土壤含水率有利于‘园蓝’和‘灿烂’果实品质的提高。综合分析,在T3梯度下,各品种植株处于最适水分环境。【结论】过高或过低土壤含水率均能影响蓝莓叶片生理生化及果实品质,综合高产及果实品质的要求,蓝莓生长最适宜土壤含水率为65%~70%。

• 紫金山南麓枫香种群结构与动态特征

  邹朋峻,关庆伟,袁在翔,谷雨晴,吴茜,牛莹莹,陈霞,金雪梅

  【目的】明晰自然演替下枫香(Liquidambar formosana)种群的数量动态特征,为南京紫金山地区森林的可持续经营提供参考。【方法】以南京紫金山南麓受人为干扰较小的固定样地中枫香种群为研究对象,记录样地内所有枫香个体的胸径、树高、冠幅等指标;根据调查样地内枫香个体胸径的大小,划分为9个径级(以0~7.5 cm径阶为径级Ⅰ,后每间隔5 cm划分径级直至径级Ⅸ),用径级来对应种群个体的龄级,绘制枫香种群年龄结构图,并用结构动态指数定量描述种群数量动态。通过编制植物种群静态生命表,绘制种群存活率、死亡率和消失率曲线,利用生存分析函数和线性平稳时间序列对该种群的结构特征现状及未来变化趋势进行分析和预测。【结果】①枫香种群个体年龄结构为“金字塔”型,在干扰下种群整体的龄级结构数量变化指数为0.02,表明种群个体数量在当前演替阶段能够维持正增长。②种群存活曲线趋于Deevey-Ⅰ型,种群个体生存率逐渐下降,死亡率、消失率、累积死亡率和危险率总体上逐渐上升,死亡密度则趋于稳定。③时间序列模型的预测结果表明枫香种群能够在未来较长的演替时间内仍呈增长趋势。④枫香树在胸径达到≥32.5~37.5 cm后可能逐渐进入寿命后期阶段,抗外界环境干扰能力较差。【结论】作为北亚热带、暖温带区域地带性树种,枫香种群在南京紫金山地区能够保持较多的个体数量以及完整的年龄结构,具有较强的天然更新能力,这使得枫香种群在未来演替阶段有占据先锋树种马尾松(Pinus massoniana)种群生态位的可能。但是枫香种群个体在胸径达到Ⅶ龄级(≥32.5~37.5 cm)后逐渐进入生理寿命,抗外界环境干扰能力较差。因此,为进一步发挥紫金山地区景观功能,建议加强对胸径达到32.5 cm的枫香个体的保护力度,增加该种群的抵抗力稳定性和生态空间扩展潜力,促进森林群落的进展性演替。

• 上海市行道树土壤肥力特征及其空间分布

  贺坤,王俊洁,王本耀,朱海军,奉树成

  【目的】科学管理城市行道树健康和促进行道树精确施肥,提升城市不同区域的行道树土壤质量,保证城市绿地生态系统可持续发展。【方法】以上海市16个行政区136条道路的行道树土壤为对象,测定土壤容重、pH以及主要养分含量等指标,结合单因子分析、综合评价法和GIS空间分布研究等方法对行道树土壤肥力特征进行综合评价。【结果】上海市行道树土壤多为粉砂壤土,土壤平均容重大且pH普遍较高。除速效钾外,土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷等主要养分含量偏低且空间分布差异较大,行道树土壤有效钙含量普遍远高于上海市绿化种植标准最高水平。研究区行道树土壤综合肥力指数较低,空间分布整体表现出中间低、周边高的趋势。土壤肥力指数与土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和有效硫含量呈极显著正相关,与pH和有效钙含量呈极显著负相关。【结论】上海市行道树土壤综合肥力普遍较低,各区域土壤肥力差异显著且关联不明显,土壤肥力分布的随机性较强。行道树土壤管理和改良需要结合空间分布特征,因地制宜地采取降低土壤pH、增加有机质等措施提高城市行道树土壤肥力。

• 南水北调水源区不同植被恢复模式的土壤化学计量特征

  徐子涵,王磊,崔明,刘玉国,赵紫晴,李嘉豪

  【目的】探究南水北调中线工程水源区内岩溶地貌背景下,不同植被恢复模式土壤养分与化学计量特征,评价南方岩溶连片分布区北缘林地生境土壤养分供给状况,以期为南水北调中线工程水源涵养区林分经营管理、退化生态系统恢复重建和石漠化治理提供理论依据。【方法】以河南淅川县岩溶区栓皮栎天然次生林、侧柏人工林和杉木人工林下土壤为研究对象,通过室内实验对土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、碱解氮(AN)、速效磷(AP)和速效钾(AK)含量进行测定,并计算土壤各元素的化学计量比,分析不同恢复模式林地生境土壤养分变异状况。【结果】岩溶区不同植被恢复模式下土壤SOC、TN、TP含量分别为10.23~28.99、0.89~2.42、0.43~0.77 g/kg;土壤碳氮质量比(C∶N)、碳磷质量比(C∶P)、氮磷质量比(N∶P)均值分别为10.41~11.89、13.69~80.00、0.18~6.61。土壤养分含量与化学计量比受植被类型与土层深度的影响,表现为表层土壤(0~10 cm)高于下层土壤(>10~20 cm、>20~30 cm)。除TP含量外,两种植被恢复模式土壤养分含量表现为天然次生林高于人工林。相关分析表明,不同植被恢复模式下土壤SOC、TN、TP含量间存在显著相关关系,说明三者空间分布有较一致的变化规律。【结论】在南水北调水源区,自然恢复的栓皮栎次生林是较为理想的植被恢复模式,而3种林分在生长过程中均受到氮或磷元素的限制。在日后的林分经营管理中,针对天然林可适度施用磷肥补给,对人工林添加氮肥,并通过抚育间伐等措施,提高植被对养分的吸收效率,从而促进植被土壤间的协调发展。

• 颐和园绿地表层土壤肥力质量评价

  戈悦,刘悦秋,丛一蓬,胡振园,冯佳宁

  【目的】颐和园是著名的皇家园林及世界文化遗产,监测评价其土壤质量,为提升颐和园管理水平,实现世界文化遗产地及其生态环境的科学保护与管理提供参考。【方法】采集颐和园代表性植被覆盖区域的表层(0~20 cm)土壤样品,检测土壤容重、pH、电导率、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾含量和细菌Shannon多样性指数共11项评价指标,进行主成分分析筛选建立最小数据集,利用隶属函数值及权重赋值法进行土壤质量指数(soil quality index,SQI)计算,通过对全数据集及最小数据集的土壤质量指数进行拟合分析,对不同植被覆盖区的土壤肥力质量进行分析和评价。【结果】最终进入最小数据集的指标为全磷含量、电导率、容重和Shannon多样性指数4个指标,全量数据集和最小数据集分别计算的土壤质量指数之间存在显著正相关关系,R2为0.877。颐和园土壤质量指数(SQI)分3个等级,牡丹种植区的土壤质量较好(SQI≥0.80),落叶阔叶林区、宿根花卉区和野生灌草丛区土壤质量属于中等(0.40≤SQI<0.80),践踏草坪区和针阔叶混交林区土壤质量较差(0.20<SQI<0.40)。园区土壤总体呈现中性至碱性(pH为6.83~8.71),有机质含量普遍低(均值在8.83~17.06 g/kg)。速效磷空间分布极不平衡,变异系数为161.55%,76.00%的样点处于极度匮乏状态。【结论】人为干扰对颐和园土壤质量产生显著影响,牡丹种植区因施用有机肥,土壤质量指数高,其他区域土壤质量中等偏下。全园土壤有机质含量除牡丹种植区外普遍含量较低,有效态氮、磷空间分布不平衡,建议通过保留枯枝落叶、合理施用有机肥及磷肥等措施,改善土壤质量。

• 社区生活圈视角下城市公园绿地暴露水平测度

  张金光,宋安琪,夏天禹,赵兵

  【目的】社区生活圈是居民日常生活接触最密切的空间单元。评估生活圈内公园绿地的暴露水平,能够精准刻画居民与公共绿色资源日常交互场景,识别公园绿地服务盲点。【方法】选取南京市中心城区为实证案例,首先通过Isochrone 应用程序编程接口(API)计算居住小区15 min步行等时圈,以此作为社区生活圈的划定依据;其次构建了一个涵盖数量、面积、距离和质量的系统性暴露水平测度体系来评估圈内公园绿地暴露度;最后,采用区位熵指数和Getis-Ord G i *指数分析公园绿地暴露度和人口之间的供需空间匹配度,以及公园绿地暴露冷点-热点居住小区的空间聚类分布。【结果】①南京城区居住小区的公园绿地暴露度存在空间分布不均衡性,城区内近一半的居住小区分布在公园绿地暴露的盲点(20.12%)和冷点(25.63%)区域;②区位熵指数表明研究区域内公园绿地暴露度与人口之间的空间匹配度失衡;③公园绿地暴露度呈现了显著的“圈层”结构聚类状态。【结论】研究成果可为细化城市绿地系统规划、促进公园绿地科学合理的配置提供理论和实践支撑。

• 南京市都市区声景观的城乡梯度演变分析

  崔志华,吕言洁,杨昕雨

  【目的】探讨南京市都市区声景观在城乡梯度变化下的空间特征,为声景观综合利用与科学规划提供参考。【方法】以南京市都市区为研究范围,对其进行城乡梯度的量化并设置研究样带,通过客观声级的测量,利用GIS软件对不同梯度下声景观进行分析评价。【结果】研究范围内声景观呈现明显的都市中心-城乡过渡带-乡村的城乡梯度分异与南北空间分异。声级以新街口为圆心向四周降低,呈先缓慢下降、后快速下降、最后趋于平缓的趋势,从市中心向东声级降幅最大而向西南方向最小。【结论】在城乡梯度视角下对声景观特征及演变分析可为研究区域声景观演变机制及空间规划设计提供参考。

• 基于居民感知的乡村景观价值空间特征分析

  谈石柱,黄莹莹,郑叶静,申亚梅,吴晓华,陶一舟,徐斌,严少君

  【目的】从居民态度与价值认知分析乡村景观问题,为乡村景观适宜性评价和管理决策提供参考。【方法】以杭州市百丈镇为例,采用半封闭结构问卷、半结构访谈与参与式制图相结合的方法对468位居民进行乡村景观价值感知调查,采用SPSS相关性分析探索人口学特征变量和乡村景观价值的相关性,以及PPGIS识别8种乡村景观价值空间格局,并构建敏感度和相容度模型进一步揭示景观空间特征。【结果】①居民年龄、收入、受教育程度、职业、居住时间这5项人口学特征变量与部分乡村景观价值具有相关性;居民性别与乡村景观价值不具备相关性;②8种乡村景观价值在空间上呈斑状分布,主要围绕居住村落、文化价值高的景点以及活动集中区域向外扩散;③敏感度高值区为村庄聚落和生产区域,与景观资源分布、生产生活需求和环境心理因素相联系;④相容度分析识别出4种景观态度类型区域,受乡村景观价值空间分布和居民态度的影响。【结论】居民感知的景观价值在空间布局上与居民日常生活、生产活动密不可分,具有一定的规律性;区域内,正负向景观价值混合更替,也表明了多种价值空间复合对利用意愿竞争的指示作用具有复杂性;PPGIS可提供一种有效的途径,从居民视角揭示乡村景观感知价值的空间特征和潜在问题。

• 引入反哺机制的林纸绿色供应链多主体利益分配的动力学仿真研究

  岳庆如,张智光

  【目的】引入供应链的反哺机制,考虑造纸主体、营销主体对营林主体进行利益反哺,探索林纸绿色供应链利益有效分配和稳定共生发展的新路径。【方法】基于系统动力学理论构建林纸绿色供应链合作联盟,绘制因果关系图,提取相关变量绘制系统流图,测算相关变量值并设计变量方程式。设计多个利益反哺方案,通过动力学模型仿真分析林纸绿色供应链整体与个体效益变化趋势。【结果】利益反哺方案下,林纸绿色供应链整体经济效益、生态效益与个体效益均高于未反哺方案。从个体效益角度出发,倾向选择造纸等主体对营林主体逐年10%共生收益的持续要素反哺固定比例Ⅰ方案,以及造纸等主体对营林主体反哺比例逐年变化反哺比例偏低的变动比例Ⅰ(变动比例分别为20%、16%、12%、8%、4%)方案;从整体效益角度出发,倾向选择造纸等主体对营林主体反哺比例逐年变化反哺比例偏高的变动比例Ⅱ(变动比例分别为30%、25%、20%、15%、10%)方案。【结论】反哺方案总体优于不反哺方案。从林纸绿色供应链整体效益角度出发,反哺比例越高,效益越高。从林纸绿色供应链个体效益角度出发,反哺比例相接近时,变动比例方案优于固定比例方案。从林纸绿色供应链个体效益角度出发,反哺比例不宜过高。在选择方案过程中,应由核心企业牵头,多主体共同参与商讨,选定一个多方满意的方案。

• 林业碳汇对人工林最优轮伐期的影响--以杉木和落叶松为例

  储安婷,宁卓,杨红强

  【目的】在我国禁伐天然林的背景下,人工林的碳汇功能因为减缓气候变化方面的重要作用而备受关注。分析林业碳汇对我国人工林最优轮伐期的影响,为人工林碳汇经营的管理决策提供理论基础。【方法】以我国南方林区的杉木人工林和北方林区的落叶松人工林为研究对象,基于修正的Faustmann-Hartman模型,借助林木的生长模型和林业碳汇供给的计算模型,计算并比较不同经营目标下人工林的最优轮伐期和林地期望值。【结果】①无论树种和立地条件,将碳汇收益纳入经营目标都会增加林地期望值;②在碳价为35元/t、利率为5%时,将碳汇收益纳入林地经营目标,最优轮伐期有小于1 a的延长;只考虑碳汇收益时,人工林的碳汇收益随轮伐期的延长而增大;③碳价格在0~125元/t范围内变动时,杉木最优轮伐期有2~3 a的变动,落叶松最优轮伐期基本没有变化,最大林地期望值的变动均不明显。【结论】开展人工林的碳汇经营有利于林地投资。现有的经营强度和碳价格下,由于碳价格远远低于木材价格,将碳汇收益纳入林地经营目标时,林地经营者考虑的最优轮伐期不会有很大变化;只考虑碳汇收益时,以不砍伐森林的收益最大。碳价格在较低水平变动时,对人工林最优轮伐期的影响不显著。

• 观赏海棠新品种‘赞春’

  鲍嵚,许涛,史锋厚,沈永宝

  【目的】丰富我国城乡绿化应用的观赏海棠品种资源,选育观赏价值较高的海棠新品种。【方法】从‘红缨’海棠(Malus‘Hongying’)自由授粉种子实生子代苗中选育出观赏海棠新品种‘赞春’(M.‘Zanchun’)。【结果】‘赞春’海棠为优良的红花绿叶型观赏海棠品种,花量大且密集,花色由初期紫红色变为末期淡粉色,包含花苞观赏期整株观花期可达20 d;梨形果,果实初为青绿色,果熟后为黄色。【结论】‘赞春’海棠适应性强,生长迅速,具有较高的观赏价值和应用前景。

• 近红外光谱技术在林业领域的应用

  王珏,李彦杰,陈益存,高暝,赵耘霄,吴立文,黄世清,张永志,朱康烁,汪阳东

  近红外光谱技术是一种快速、准确、无损、高通量、低成本的分析技术,广泛应用于林业领域。在木材性质检测方面,近红外光谱技术对于木材力学特征及化学成分含量等检测都有较高的准确性;在经济林产品品质分析方面,则主要用于反映林业产品的化学组分及含量、口感及硬度等直接和间接性状,对经济林产品品质及林木遗传育种的研究有较好应用前景;在林木分类鉴别应用方面,近红外光谱能够鉴别不同树种及种源,乃至反映树龄信息,在多物种模型中应用效果更好;近红外光谱还能够有效区分多物种的正常植物体与染病植物体,可在林木病虫害研究及生物检疫方面发挥作用。此外,近红外光谱还能应用于预测森林凋落物分解速率、预测土壤成分含量等。笔者分析了近红外光谱在林业科研和生产实际应用中的影响因素,包括样品状态、样本集特征等内在因素,以及预处理、波长选择、建模方式、硬件条件等外在因素对最终模型稳定性和准确度产生的影响。总结认为,近红外光谱技术引入林业研究后大大提高了林业样品检测效率,实现了绿色无损的高通量检测,对林地现场快速测量及林木遗传育种有极好的适应性,对促进林业产业的发展意义重大。