祁连山区气候呈大陆性高寒半干旱、半湿润特点,分布在其阴坡、半阴坡的森林植被除了受恶劣的气候影响外,还受地形、土壤、干扰和生物学特性的综合影响,森林生态系统环境较为脆弱,生态系统的稳定性和抗干扰性差。加上人类活动的长期干扰,该区森林生态系统退化严重,服务功能降低,逆向演化显著,进程加快,给区域生态环境建设和经济发展带来了负面影响。通过对祁连山森林结构特性和养分特征进行研究,有助于了解恢复和重建受损的森林生态系统,对森林植被恢复的合理调控具有一定的科学意义,从而更好的发挥其在生态服务功能中的作用。本文以分布在祁连山大野口流域的青海云杉林群落为研究对象,以森林生态学、土壤学、化学计量学等学科理论为指导,通过对祁连山森林生态站建立的祁连山青海云杉林动态观测大样地和设在不同海拔梯度固定样地的植被调查,叶片和枯落物及土壤养分的室内测定,应用经典数理统计分析方法,研究揭示了青海云杉林林分结构特点、群落结构的空间异质性、土壤养分的空间异质性和变化规律、土壤有机碳与养分之间的关系,进而分析了青海云杉林生态系统内碳、氮、磷在叶片—枯落物—土壤间的相互作用规律与机制。主要结论如下:(1)祁连山青海云杉林动态观测大样地高等植物共有30科63属88种,主要以菊科、蔷薇科、唇形科、龙胆科、玄参科、豆科、毛茛科等为主。森林垂直结构明显,分乔木层、灌木层、草本层和苔藓层。青海云杉林径级结构呈倒“J”型,无明显断层现象,林木更新良好。小树空间分布格局表现为明显的聚集分布,中树空间分布呈轻微的聚集分布,而大树分布表现为明显的随机分布,同时不同径级的青海云杉林个体之间具有空间分布互补性。(2)祁连山青海云杉林动态观测大样地青海云杉林5个结构属性的变异程度大小依次为密度>平均冠幅>显著度>盖度>平均树高,变异系数为43.7%~79.6%。Moran′s系数表明各个结构属性均有不同程度的空间自相关性,自相关大小顺序为密度>平均树高>盖度>平均冠幅>显著度,变化范围为-0.047~0.382。指数理论变异函数模型能很好地拟合不同结构属性的空间变异,变程为24.6~68.1 m,各属性变量的结构比除盖度表现为中等空间相关,其他指标均为强烈空间相关,各属性指标分维数接近2,空间依赖性较小。植被密度和盖度空间分布呈带状结构和斑块结构叠加的特点,其他指标呈较强的斑块状空间结构,密度和盖度对平均冠幅、显著度和平均树高有一定的空间依赖性。青海云杉林群落结构空间异质性适宜的采样间隔和采样面积分别为10m和0.5hm2。(3)祁连山青海云杉林动态观测大样地土壤ph、水解氮和全磷为弱变异性,有机碳、全氮、速效磷、全钾和速效钾为中等变异性,它们的大小依次为速效钾>有机碳>速效磷>全氮>全钾>水解氮>全磷>ph。半方差最优模型拟合分析表明,ph、全氮、水解氮、全磷、速效磷和速效钾均符合球状模型,有机碳和全钾均符合指数模型;ph、有机碳、全氮、水解氮、全磷、速效磷、全钾和速效钾的变程依次为108.8m、88.5m、112.8m、131.9m、143.3m、73.3m、73.2m和134.7m。从空间结构特征看,ph具有中等强度的空间自相关,而养分表现出强烈的空间自相关。ph和养分均呈斑块状分布,有机碳和氮素具有相似的空间分布格局,全磷和速效钾分布变化较为明显,速效磷和全钾分布变化较为平缓。上述研究结果可为祁连山青海云杉林土壤ph和养分的取样设计和空间分布图制作等提供参考。(4)祁连山青海云杉林动态观测大样地不同土层有效微量元素锌、锰、铜、铁、硼的平均含量大小顺序均为:铁>锰>铜>硼>锌,有效微量元素均具有明显的“表聚效应”。0~60cm土层有效锌、锰、铜、铁、硼均值大小分别为:0.52±0.27mg·kg-1、6.26±1.76mg·kg-1、2.44±0.98mg·kg-1、94.69±25.48mg·kg-1、2.19±0.70mg·kg-1。0~60cm土层中,锌、锰、铜、铁、硼密度大小分别为:2.21±1.27mg·m-2、26.24±7.64mg·m-2、11.50±6.41mg·m-2、447.78±178.04mg·m-2、9.76±3.32mg·m-2,有效性指数大小为:铁>硼>铜>锰>锌,其中:铁、硼、铜有效性指数大于1,而锌、锰有效性指数小于1。不同土层有机质与锌、锰、铜、铁、硼等均呈显著或极显著正相关,ph值与锌、锰、铜、铁、硼等均呈显著或极显著负相关,速效磷仅与硼呈极显著正相关,有机质和ph值均对有效微量元素含量具有重要影响。(5)祁连山青海云杉林动态观测大样地随土层深度不断增加,土壤有机碳含量逐渐减小,到20~30cm以下趋于稳定(p>0.05);土壤ph值不断增大,仅在0~10cm与10~20cm差异显著(p<0.05);土壤全氮、速效氮、全磷和阳离子交换量不断减小,全氮含量到30~40 cm以下趋于稳定(p>0.05),速效氮含量变化剧烈(p<0.05),全磷含量差异性不显著(p>0.05),阳离子交换量与有机碳含量变化规律相同;土壤速效磷、全钾和速效钾含量没有明显的变化规律,速效磷和全钾含量差异性不显著(p>0.05),速效钾含量仅在0~10 cm与10~20 cm差异显著(p<0.05)。土壤有机碳与全氮、速效氮、全磷、速效磷、速效钾和阳离子交换量之间呈极显著和显著正相关,与土壤pH值和全钾含量之间呈极显著和显著负相关。土壤有机碳与其他基本化学性质的回归方程具有较高精度(R2=0.793),影响土壤有机碳含量主要化学因子依次为:土壤阳离子交换量、速效钾和全磷含量。(6)在不同海拔梯度上,青海云杉林叶片、枯落物和土壤C:N比的变化范围分别为22.95~36.72、21.41~41.61、12.41~20.70,均值大小依次为枯落物>叶片>土壤,C:P和N:P比的变化范围分别为510.2~739.8、398.6~698.1、134.1~219.7和18.13~26.86、6.71~26.28、7.96~16.56,均值大小依次均为叶片>枯落物>土壤。随海拔梯度的增加,除土壤C:N比差异性不显著外(p>0.05),叶片和枯落物的碳、氮、磷化学计量比在不同海拔间的差异显著性各不相同。叶片、枯落物和土壤C:N比两两均具有显著正相关(p<0.05),叶片与枯落物及土壤与枯落物C:P比均具有显著负相关(p<0.05),叶片与土壤C:P比及不同组分N:P比之间相关性均不显著(p>0.05)。该研究结果有助于进一步了解青海云杉林碳、氮、磷在不同组分间的相互作用规律与机制。