塔里木沙漠公路防護林地表凋落物分解對施肥的響應

張雪梅, 王永東, 徐新文,*, 雷加強, 孫景鑫

1 中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊 830011 2 新疆大學資源與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830046 3 中國科學院大學,北京 100049 4 國家荒漠-綠洲生態(tài)建設工程技術研究中心,烏魯木齊 830011

塔里木沙漠公路防護林地表凋落物分解對施肥的響應

張雪梅1,2,3,4, 王永東1,4, 徐新文1,4,*, 雷加強1,4, 孫景鑫1,3,4

1 中國科學院新疆生態(tài)與地理研究所,烏魯木齊 830011 2 新疆大學資源與環(huán)境科學學院,烏魯木齊 830046 3 中國科學院大學,北京 100049 4 國家荒漠-綠洲生態(tài)建設工程技術研究中心,烏魯木齊 830011

為探討沙漠公路防護林地表凋落物的分解速率和養(yǎng)分釋放動態(tài)對施肥的響應,采用凋落物分解袋法,對塔里木沙漠公路防護林地喬木狀沙拐棗(Calligonumarborescens)同化枝、梭梭(Haloxylonammodendron)同化枝和多枝檉柳(Tamarixramosissima)枝凋落物在施肥處理下的分解及養(yǎng)分釋放特征進行研究。結果表明：經(jīng)過420d的分解,3種凋落物質量殘留率在對照(不施肥)、施用氮肥、施用磷鉀復合肥處理間存在顯著性差異(P<0.05)。喬木狀沙拐棗同化枝、梭梭同化枝和多枝檉柳枝在對照處理下的質量殘留率分別為56.95%、31.32%和50.24%。施肥處理下3種凋落物均呈現(xiàn)出梭梭同化枝分解速率最快,多枝檉柳枝次之,喬木狀沙拐棗同化枝分解最慢。施用磷鉀復合肥極顯著提高了3種凋落物的分解速率(P<0.01)；施用氮肥則促進多枝檉柳枝的分解,抑制喬木狀沙拐棗和梭梭同化枝的分解。凋落物分解過程中,對照組3種植物凋落物的C、N、P和K元素均呈現(xiàn)凈釋放狀態(tài)；施肥后凋落物的N、P和K元素呈現(xiàn)出富集-釋放的模式。凋落物初始P含量和C/N、C/P比值是分解初期的主導因素,初始K、木質素、纖維素含量和C/N、木質素/N比值是分解后期的主要控制因素。研究表明,施肥顯著影響沙漠公路防護林地表凋落物的分解,增加防護林地表凋落物的養(yǎng)分歸還量,延后養(yǎng)分釋放的時間,改善塔里木沙漠公路防護林地的土壤肥力。凋落物初始C/N比值是預測塔里木沙漠凋落物分解的重要因素,且不同分解時期影響凋落物分解的初始化學組成有所差異。

質量殘留率；分解速率；養(yǎng)分；施肥；沙漠公路防護林

凋落物的分解及轉化是生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分和碳循環(huán)的關鍵環(huán)節(jié)之一,是土壤有機質的主要來源[1],是植物與土壤營養(yǎng)元素的主要補給者[2],是土壤碳庫的主要輸入者[3],在維持土壤肥力、促進森林生態(tài)系統(tǒng)正常的物質生物循環(huán)和養(yǎng)分平衡等方面起著重要的作用[4-6]。凋落物分解所歸還的養(yǎng)分是森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的主要來源,它可滿足植物生長所需總量的69%—87%[7]。森林每年通過調落物分解歸還給土壤的總氮、磷和鉀量分別占植物生長所需總氮量的70%—80%,總磷量的65%—80%和總鉀量的30%—40%[8]。在干旱半干旱的沙漠地區(qū),相對貧乏的土壤養(yǎng)分限制其初級生產力[9],外來養(yǎng)分的輸入?yún)T乏,凋落物分解在維持生態(tài)系統(tǒng)的物質平衡、植物資源利用和改善土壤肥力等方面有著更加重要的意義[10]。國內外諸多學者對干旱半干旱地區(qū)凋落物分解的研究主要集中在非生物因素(溫度、降水、光輻射、氮沉降等)和生物因素(凋落物質量、土壤微生物、土壤動物、土壤酶活性、種群組成和群落結構等)對凋落物分解的影響方面[10-13]。

塔里木沙漠公路南北貫穿塔克拉瑪干沙漠,全長526 km,穿越流動沙漠區(qū)436 km,是世界上穿越流動沙漠最長的二級公路。為防治塔里木沙漠公路的風沙危害,保障沙漠公路的安全運行,于2005年建成的防護林帶(寬72—78 m),總面積31.28 km2,種植林木達2000萬株。受環(huán)境和氣候條件的制約,防護林地凋落物自然分解非常緩慢,限制了林地內的養(yǎng)分歸還量,不利于土壤肥力改善。防護林沿線采用地下水滴灌的管護模式,以施用氮肥為主、磷鉀復合肥為輔來提高防護林體系的養(yǎng)分(氮、磷、鉀)。施肥不僅改變防護林地內植物和土壤的養(yǎng)分狀況,同時也影響著林地內凋落物的分解。因生態(tài)系統(tǒng)類型、植物種類、研究區(qū)、研究方法和觀測時間等的不同,外源元素添加對凋落物分解的影響可分為3種情況：一是促進凋落物的分解,外源元素的添加使得凋落物中相應元素的含量增加,有助于加速凋落物的分解[14-15]；二是抑制凋落物的分解,外源元素的添加通過改變參與分解的微生物組成及酶活性等,從而延緩凋落物分解的速率[16-17]；三是無影響,外源元素對凋落物的分解無促進或抑制作用,或受到其他因素的限制[18-19]。為探討沙漠公路防護林地表主要凋落物的分解和養(yǎng)分釋放對施肥的響應,設計了凋落物分解的施肥控制實驗。本研究有助于理解咸水滴灌下塔里木沙漠公路防護林地表凋落物分解和養(yǎng)分歸還特征,闡明特殊生境下凋落物分解及轉化的規(guī)律,揭示人類活動在分解過程中起到的調控作用,為沙漠公路防護林土壤肥力和養(yǎng)分循環(huán)特征研究提供理論和基礎數(shù)據(jù)支持,對于準確認識和估計該區(qū)域內的物質循環(huán)與能量流動有著重要生態(tài)學意義。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于塔里木沙漠腹地,地理坐標為39°01′ N,83°36′ E,海拔1100 m。屬暖溫帶極端干旱的大陸氣候,氣候特征表現(xiàn)為氣溫年較差和日較差大、日照時間長、風沙活動強烈。降水全年分布不均,主要集中在6—7月,年降水量11—50 mm,潛在蒸散量高達3638.6 mm[20-21]。塔里木沙漠地面景觀以流動性高大復合沙壟為主,土壤類型絕大部分為流動風沙土。沙漠公路沿線缺乏地表徑流,但地下水儲存量較大,水質差,礦化度2.6—30 g/L,其中90%以上地段大于4 g/L[21]。塔里木沙漠公路防護林特殊的地理環(huán)境以及灌溉水資源的限制決定了極其匱乏的植物資源,防護林帶內主要以沙拐棗屬(CalligonumL.)、梭梭屬(HaloxylonBunge)、檉柳屬(TamarixLinn.)等防風固沙、抗旱抗鹽的高抗逆灌木和小喬木樹種為主[20-21]。

1.2 實驗設計及樣品采集

實驗在塔里木沙漠腹地的塔克拉瑪干沙漠研究站進行,設置3個施肥處理：施用氮肥、施用磷鉀復合肥和對照,每個處理設置3個重復,共設置了9個1 m×1.5 m的實驗樣地。在3種植物的生長季結束時(10—11月),選擇與沙漠公路防護林同年定植的未破壞、有代表性的防護林地,收集當年自然凋落的喬木狀沙拐棗同化枝、梭梭同化枝和多枝檉柳枝樣品,同一植物的樣品去除雜質混合均勻后,自然風干。

3種凋落物樣品各稱取20.00 g分別裝入大小為20 cm×20 cm,網(wǎng)眼直徑為1 mm的尼龍網(wǎng)分解袋中。同時,每種凋落物各稱取5個樣品于70℃烘48 h后稱重,計算凋落物樣品的初始干重,部分烘干樣品粉碎用以凋落物初始化學組成的測定。于2013年3月底,將稱量好的162袋凋落物樣品平鋪放置于相應樣地的地表,每個樣地放置18袋(每種凋落物樣品在每個樣地中放置6袋)。根據(jù)塔里木沙漠公路的灌溉制度和施肥管理,實驗期間(2013年3月—2014年5月)各樣地每年3月至11月份每15 d灌水1次,每次灌水量30 L/m2,11月至翌年2月份免灌,灌溉用水為就地取用地下水,礦化度為4.04 g/L。施用氮肥處理(NF)是將尿素(CO(NH2)2)溶解于灌溉水中,施用磷鉀復合肥處理(PK)是將磷酸二氫鉀(KH2PO4)溶于灌溉水中,每次施肥量均為5 g/L；對照處理(CK)不施肥。用噴壺將配好的水均勻的添加至各處理樣地的凋落物分解袋上。

實驗期間每隔60 d收集一次凋落物分解袋,分6次(2013年5月、7月、9月、11月,2014年3月、5月)取回凋落物分解袋(每次每個樣地每種凋落物分解袋各取回1袋,每次共取回27袋凋落物)。收回的分解袋去除雜物后,用蒸餾水對凋落物樣品進行快速沖洗(凋落物表面不存在殘留物),裝入信封風干后于65℃下烘干至恒量并稱量,獲得凋落物干物質殘留量。將一部分烘干樣品粉碎并過0.25 mm篩,用于凋落物全C、全N、全P、全K含量的測定。其中,全C采用燃燒法測定,全N采用三酸消化凱氏定氮法測定,全P采用三酸消化鉬藍比色法測定,全K采用三酸消化原子吸收法測定,木質素和纖維素采用范氏(Van Soest)洗滌纖維分析法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

凋落物的分解動態(tài)常用Olson指數(shù)衰減模型[22]來描述和預測：Mt/M0=e-kt,式中M0為凋落物初始重量(g),Mt為經(jīng)時間t后的凋落物殘留量(g),k為凋落物分解系數(shù),t為分解時間。凋落物分解50%時所需時間(半衰期t0.5)和分解95%時所需時間(t0.95)計算公式為：t0.5=ln0.5/(-k),t0.95=ln0.05/(-k)。

分解過程中凋落物元素殘留率表示為[23]：NR=MtXt/M0X0×100,式中M0為凋落物初始干物質質量(g),X0為凋落物中元素初始濃度(mg/g),Mt為凋落物分解t時刻干物質殘留量(g),Xt為分解t時刻凋落物中元素濃度(mg/g)。當NR<100%,凋落物分解過程中元素發(fā)生了凈釋放,當NR>100%,凋落物分解過程中元素發(fā)生了凈富集。

運用Origin 8.0作圖,用SPSS 16.0對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。凋落物的分解時間、物種、處理及其交互作用對凋落物質量殘留率、分解速率和元素殘留率的顯著性影響采用多因子方差分析(ANOVA)和最小顯著差異法(LSD),顯著性水平α=0.05；運用相關分析方法研究各物種凋落物分解速率與初始含量之間的相關關系,同時應用指數(shù)回歸擬合凋落物質量殘留率的Olson負指數(shù)回歸方程。

2 結果與分析

2.1 凋落物的初始化學特性

由表1可知,塔里木沙漠公路防護林地3種凋落物初始化學性質的總體差異顯著(P<0.05)。其中,喬木狀沙拐棗同化枝初始C、P、木質素、纖維素含量和C/N、木質素/N比值最高,N含量最低；梭梭同化枝初始N含量最高,C、木質素、纖維素含量和C/N、木質素/N比值最低；多枝檉柳枝初始P和K含量最低。凋落物初始總養(yǎng)分濃度在物種間表現(xiàn)出梭梭同化枝>多枝檉柳枝>喬木狀沙拐棗同化枝；難分解物質(木質素和纖維素)含量在物種間則呈現(xiàn)與之相反的變化規(guī)律,即喬木狀沙拐棗同化枝最高,梭梭同化枝最低。3種凋落物初始化學組成之間的顯著性差異是由喬木狀沙拐棗、梭梭和多枝檉柳自身的生態(tài)學特性及凋落物的性質所決定的[7]。

表1 凋落物的初始化學組成(平均值±標準偏差)

同行不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著

2.2 施肥對凋落物分解的影響

施肥處理下3種凋落物干物質殘留率在分解前期(0—120 d)隨時間的推移迅速下降,隨后逐漸趨于平緩。分解前期(0—120 d)凋落物干物質損失量占整個分解周期(0—420 d)內凋落物干物質總損失量的31.78%—82.93%,此時間段內凋落物質量殘留率降低的幅度明顯高于其它分解時段。不同物種間凋落物存在顯著性差異(P<0.05),梭梭同化枝殘留率最低,其次是多枝檉柳枝,喬木狀沙拐棗同化枝殘留率最高。經(jīng)過420 d的分解后,CK凋落物質量殘留率為31.32%—56.95%,平均分解速率為0.69a-1；NF凋落物質量殘留率為39.38%—61.72%,平均分解速率為0.64a-1；PK凋落物質量殘留率為20.28%—52.37%,平均分解速率為0.86a-1(圖1)。施肥極顯著降低了梭梭同化枝的質量殘留率(P<0.01),顯著降低了多枝檉柳枝的質量殘留率(P<0.05),而對喬木狀沙拐棗同化枝的質量殘留率無顯著影響(P>0.05)。凋落物分解時間、時間和處理的交互作用對質量殘留率有極顯著影響(P<0.01)。

圖1 施肥對凋落物質量殘留率的影響Fig.1 Effects of fertilization on litter mass remainingCK,對照處理 control treatment; NF, 施用氮肥處理 addition of nitrogen fertilizer; PK, 施用磷鉀復合肥處理 addition of phosphorus and potassium compound fertilizer. *和ns, 顯著性差異 significance level (ns：P>0.05,*P<0.05,**P<0.01)

施肥處理對3種凋落物分解速率有顯著影響,各處理間以PK的分解速率最快,NF的分解速率最慢(表2)。分解420 d后,PK的喬木狀沙拐棗、梭梭和多枝檉柳凋落分解速率分別比CK高13.21%、32.98%和3.64%,凋落物分解所需時間分別縮短11.19%、24.84%和3.11%；NF多枝檉柳枝的分解速率比CK提高10.91%,凋落物分解所需時間減少10.60%。而NF的喬木狀沙拐棗和梭梭凋落物分解速率則分別比CK降低20.45%和16.05%,凋落物分解所需時間分別增加19.72%和16.67%。凋落物分解速率在物種間存在極顯著差異(P<0.01),梭梭同化枝分解速率最大,多枝檉柳枝分解速率高于喬木狀沙拐棗同化枝。

表2 凋落物分解的負指數(shù)衰減方程

CK: 對照處理 control treatment; NF: 施用氮肥處理 addition of nitrogen fertilizer; PK: 施用磷鉀復合肥處理 addition of phosphorus and potassium compound fertilizer

凋落物基質質量(物理結構、化學組成等)與凋落物分解速率密切相關,因此凋落物基質質量常用來預測凋落物分解速率[22]。學者研究發(fā)現(xiàn)C、P含量和木質素/N比值能夠較好地預測森林凋落物的分解[24]；也有學者表明N含量是凋落物分解初期的主要控制因素,而木質素則是分解后期的主導因子[25]；趙紅梅等對干旱區(qū)沙漠短命植物凋落物分解的研究認為凋落物C/N比值是分解速率的一個重要影響因素[10]。本研究中,凋落物在不同時期的分解速率與初始化學組成的相關分析表明(表3),凋落物前期(0—120 d)分解速率與凋落物初始P含量和C/N比值呈極顯著負相關關系(P<0.01),與初始C/P比值呈顯著正相關關系(P<0.05)；凋落物后期(240—420 d)分解速率與凋落物初始C、木質素、纖維素含量和C/N、木質素/N比值呈極顯著負相關關系(P<0.01),與初始N含量和K含量呈極顯著正相關關系(P<0.01)。

表3 凋落物初始化學組成與分解速率的相關分析

CK: 對照處理 control treatment; NF: 施用氮肥處理 addition of nitrogen fertilizer; PK: 施用磷鉀復合肥處理 addition of phosphorus and potassium compound fertilizer; *顯著性差異 significance level (*P< 0.05, **P< 0.01)

2.3 凋落物分解的養(yǎng)分釋放模式

凋落物分解過程中的養(yǎng)分遷移主要有3種模式,即淋溶-釋放、富集-釋放和淋溶-富集-釋放模式[2]。由圖2可知,在凋落物分解過程中,施肥處理的3種凋落物C殘留率均隨分解時間的推移而降低,分解前期(0—120 d)迅速下降隨后緩慢降低,呈現(xiàn)淋溶-釋放模式。不同處理的3種凋落物N殘留率變化有所差異,CK的喬木狀沙拐棗、梭梭和多枝檉柳凋落物N殘留率呈下降趨勢,呈現(xiàn)凈釋放狀態(tài)。NF的喬木狀沙拐棗凋落物N殘留率呈波動上升趨勢,表現(xiàn)為富集模式；梭梭凋落物N殘留率呈緩慢下降趨勢,表現(xiàn)出凈釋放模式；多枝檉柳凋落物N殘留率呈先上升后下降趨勢,分解末期(360—420 d)N殘留率低于100%,呈現(xiàn)富集-釋放模式。PK的喬木狀沙拐棗凋落物N殘留率呈先升高后降低趨勢,分解后期(240—420 d)N殘留率低于100%,呈現(xiàn)出富集-釋放規(guī)律；梭梭和多枝檉柳凋落物呈波動下降趨勢,呈現(xiàn)凈釋放狀態(tài)。

施肥處理下3種凋落物P和K殘留率變化規(guī)律基本一致。CK和NF的多枝檉柳凋落物P殘留率呈降低-升高-降低的變化趨勢,在分解初期(0—60 d)和末期(360—420 d)P殘留率均低于100%,呈現(xiàn)出淋溶-富集-釋放模式。CK和NF的喬木狀沙拐棗和梭梭凋落物P和K殘留率以及多枝檉柳凋落物K殘留率均呈緩慢下降趨勢,一直處于凈釋放狀態(tài)。PK的3種凋落物P和K殘留率呈先升高后降低趨勢,在分解末期(360—420 d)P和K殘留率低于100%,呈現(xiàn)富集-釋放模式。喬木狀沙拐棗和多枝檉柳凋落物分解在240 d時,梭梭凋落物分解在180 d時P和K殘留率出現(xiàn)拐點,轉為下降趨勢。

凋落物C殘留率在物種和處理間皆無顯著性差異(P>0.05),凋落物N和P殘留率在物種間存在極顯著差異(P<0.01),凋落物K殘留率在物種間無顯著性差異(P>0.05)。凋落物分解時間、處理及其交互作用對凋落物N、P和K殘留率存在極顯著影響(P<0.01)。

圖2 施肥對凋落物分解過程中元素殘留率的影響Fig.2 Effects of fertilization on element remaining during decomposition processCK: 對照處理 control treatment; NF: 施用氮肥處理 addition of nitrogen fertilizer; PK: 施用磷鉀復合肥處理 addition of phosphorus and potassium compound fertilizer; *和ns, 顯著性差異 significance level (ns：P>0.05,*P<0.05,**P<0.01)

3 討論與結論

不同施肥處理下3種凋落物的質量殘留率均呈現(xiàn)出分解前期(0—120 d)迅速下降,隨后逐漸趨于平緩的趨勢。分析原因,一方面,凋落物分解的初始階段(0—120 d),凋落物質量損失主要來源于凋落物中可溶性物質的淋溶損失以及易分解物質的快速分解作用[11]；而且,分解試驗的初始階段(3—5月),研究區(qū)日平均氣溫為20℃左右,夜間氣溫在0℃以下,較大的晝夜溫差形成的凍融交替作用加快了凋落物的分解[10]。另一方面,塔里木沙漠公路防護林的3種植物是灌木及小喬木樹種,其凋落物內木質素和纖維素含量相對較高,分解后期凋落物內高濃度的木質素和纖維素限制凋落物的分解；此外,研究區(qū)夏季最高平均溫度28.2℃,水分蒸發(fā)較快,高溫抑制微生物等的分解,冬季最低平均氣溫-8.1℃,土壤出現(xiàn)結凍現(xiàn)象,環(huán)境條件限制凋落物的分解。

施肥影響著凋落物分解的化學過程,改變凋落物的分解速率[26]。施肥對塔里木沙漠公路防護林地表的喬木狀沙拐棗同化枝、梭梭同化枝和多枝檉柳枝凋落物分解速率的影響有所差異,這不僅和凋落物本身基質質量有關,而且間接表明不同物種在分解過程中所需要的主要養(yǎng)分元素的異質性。有研究表明,外源養(yǎng)分元素的添加,改變了微生物生長所需的營養(yǎng)元素之間的平衡[27]和微生物的生長環(huán)境[9],影響微生物組成及數(shù)量,微生物生物量和土壤酶活性等,從而對凋落物的分解產生不同的效應[28-29]。本研究發(fā)現(xiàn),施用磷鉀復合肥后凋落物中的P和K元素出現(xiàn)富集,P和K元素含量的增加對微生物體系產生的影響,加速了沙漠公路防護林地表3種凋落物的分解；施用氮肥改變凋落物中N元素的含量,微生物系統(tǒng)發(fā)生的改變,有利于提高多枝檉柳枝的分解速率,卻抑制喬木狀沙拐棗和梭梭同化枝的分解。咸水滴灌下的塔里木沙漠公路防護林地,施用氮肥僅促進了多枝檉柳枝凋落物的分解；施用磷鉀復合肥對土壤微生物體系的改變,有助于提高3種凋落物的分解速率,縮短分解周期。

3種凋落物本身所含的營養(yǎng)物質不同,不同施肥處理下,分解過程中養(yǎng)分元素的釋放模式有所差異。學者們研究發(fā)現(xiàn),在凋落物分解過程中,凋落物初始N濃度和凋落物N固持或釋放的格局密切相關,即凋落物養(yǎng)分元素的初始濃度越小,越容易發(fā)生富集[25]。凋落物N元素的首先富集是由于微生物對N的固持作用,當C/N比值高于25后N元素開始呈現(xiàn)釋放狀態(tài),且C/N值較低的凋落物首先結束富集[30]。本研究中,3種凋落物初始C/N比值均高于25,對照處理凋落物分解過程中養(yǎng)分元素均表現(xiàn)出凈釋放狀態(tài),但當施肥降低了凋落物中C/N比值后出現(xiàn)N富集現(xiàn)象,且施肥后凋落物的N、P和K元素均呈現(xiàn)富集-釋放模式。3種凋落物中梭梭同化枝初始總養(yǎng)分和N含量最高,在施氮肥處理下一直呈現(xiàn)凈N釋放模式,這是由于養(yǎng)分含量高的凋落物,自身的養(yǎng)分即可滿足微生物分解者的需求,直接釋放養(yǎng)分[25]。另外,施肥對凋落物的N/P比值也有著顯著性影響(P<0.05),且N/P比值在處理間呈現(xiàn)出NF>CK>PK的變化規(guī)律,這表明隨著施肥的進行,凋落物內原本的氮磷限制狀況發(fā)生改變,凋落物需要通過調整氮磷養(yǎng)分重吸收率或轉移率來維持養(yǎng)分平衡[31]。隨著人工施肥增加防護林養(yǎng)分元素(N、P、K)輸入量,改變凋落物分解速率,使得養(yǎng)分元素在分解過程中出現(xiàn)富集現(xiàn)象,這有助于改善土壤有效氮、磷、鉀含量及其可利用性[32-33]。本研究中磷鉀復合肥的施用使得防護林地表凋落物分解速率和養(yǎng)分釋放均高于對照組,因而在塔里木沙漠公路防護林內施用磷鉀復合肥能促進地表凋落物的分解,增加養(yǎng)分歸還量,有利于沙漠公路防護林地土壤肥力的改善和人工防護林地的可持續(xù)發(fā)展。

綜上所述,在咸水灌溉下的塔里木沙漠公路防護林,凋落物C/N比值是防護林地表凋落物分解過程中的主要影響因子。而凋落物P含量和C/P比值是凋落物分解初期的限制因子,初始C、N、K、木質素、纖維素含量和木質素/N比值則是凋落物分解后期的控制因子。施用磷鉀復合肥促進沙漠公路防護林地表凋落物的分解,并增加凋落物的養(yǎng)分歸還量,延緩達到養(yǎng)分釋放的時間。因此,在人工林可持續(xù)經(jīng)營管理中,合理施肥能夠提高凋落物分解速率和養(yǎng)分歸還量,對人工防護林地土壤肥力的維持和提升以及加快整個防護林系統(tǒng)物質循環(huán)有著積極的作用。

[1] 曾鋒, 邱治軍, 許秀玉. 森林凋落物分解研究進展. 生態(tài)環(huán)境學報, 2010, 19(1): 239- 243.

[2] 王相娥, 薛立, 謝騰芳. 凋落物分解研究綜述. 土壤通報, 2009, 40(6): 1473- 1478.

[3] Fisher F M, Zak J C, Cunningham G L, Whitford W G. Water and nitrogen effects on growth and allocation patterns of creosotebush in the northern Chihuahuan Desert. Journal of Range Management, 1988, 41(5): 387- 391.

[4] 曲浩, 趙學勇, 趙哈林, 王少昆. 陸地生態(tài)系統(tǒng)凋落物分解研究進展. 草業(yè)科學, 2010, 27(8): 44- 51.

[5] 葛曉改, 肖文發(fā), 曾立雄, 黃志霖, 周本智. 三峽庫區(qū)馬尾松林土壤-凋落物層酶活性對凋落物分解的影響. 生態(tài)學報, 2014, 34(9): 2228- 2237.

[6] Robinson C H. Controls on decomposition and soil nitrogen availability at high latitudes. Plant and soil, 2002, 242(1): 65- 81.

[7] 周存宇. 凋落物在森林生態(tài)系統(tǒng)中的作用及其研究進展. 湖北農學院學報, 2003, 23(2): 140- 145.

[8] Gholz H L, Fisher R F, Prichett W L. Nutrient dynamics in slash pine plantation ecosystems. Ecology, 1985, 66(3): 647- 659.

[9] Fog K. The effect of added nitrogen on the rate of decomposition of organic matter. Biological Reviews, 1988, 63(3): 433- 562.

[10] 趙紅梅, 黃剛, 馬健, 李彥, 周麗. 荒漠區(qū)地表凋落物分解對季節(jié)性降水增加的響應. 植物生態(tài)學報, 2012, 36(6): 471- 582.

[11] Gallardo A, Merino J. Leaf decomposition in two Mediterranean ecosystems of southwest Spain: influence of substrate quality. Ecology, 1993, 74(1): 152- 161.

[12] Martínez-Yrízar A, Núez S, Búrquez A. Leaf litter decomposition in a southern Sonoran Desert ecosystem, northwestern Mexico: effects of habitat and litter quality. Acta Oecologica, 2007, 32(3): 291- 300.

[13] 王新源, 趙學勇, 李玉霖, 連杰, 曲浩, 岳祥飛. 環(huán)境因素對干旱半干旱區(qū)凋落物分解的影響研究進展. 應用生態(tài)學報, 2013, 24(11): 3300- 3310.

[14] Neff J C, Townsend A, Gleixner G, Lehman S J, Turnbull J C, Bowman W D. Variable Effects of nitrogen additions on the stability and turnover of soil carbon. Nature, 2002, 419(6910): 915- 917.

[15] Song C C, Liu D Y, Yang G S, Song Y Y, Mao R. Effect of nitrogen addition on decomposition ofCalamagrostisangustifolialitters from freshwater marshes of Northeast China. Ecological Engineering, 2011, 37(10): 1578- 1582.

[16] Hobbie S E. Contrasting effects of substrate and fertilizer nitrogen on the early stages of litter decomposition. Ecosystems, 2005, 8(6): 644- 656.

[17] Micks P, Downs M R, Magill A H, Nadelhoffer K J, Aber J D. Decomposing litter as a sink for15N-enriched additions to an oak forest and a red pine plantation. Forest Ecology and Management, 2004, 196(1): 71- 87.

[18] Prescott C E. Does nitrogen availability control rates of litter decomposition in forests? Plant and Soil, 1995, 168(1): 83- 88.

[19] Dukes J S, Field C B. Diverse mechanisms for CO2effects on grassland litter decomposition. Global Change Biology, 2000, 6(2): 145- 154.

[20] 李江風. 塔克拉瑪干沙漠和周邊山區(qū)天氣氣候. 北京: 科學出版社, 2003: 201- 574.

[21] 李丙文, 張洪江, 邱永志, 徐新文, 李生宇, 周宏偉, 常青, 許波, 威力. 咸水灌溉對塔里木沙漠公路防護林植物生長的影響. 干旱區(qū)地理, 2011, 34(2): 215- 221.

[22] Olson J S. Energy storage and the balance of producers and decomposers in ecological systems. Ecology, 1963, 44(2): 322- 331.

[23] 郭忠玲, 鄭金萍, 馬元丹, 李慶康, 于貴瑞, 韓士杰, 范春楠, 劉萬德. 長白山各植被帶主要樹種凋落物分解速率及模型模擬的試驗研究. 生態(tài)學報, 2006, 26(4): 1037- 1046.

[24] Melillo J M, Aber J D, Muratore J F. Nitrogen and lignin control of hardwood leaf litter decomposition dynamics. Ecology, 1982, 63(3): 621- 626.

[25] Parton W, Silver W L, Burke I C, Grassens L, Harmon M E, Currie W S, King J Y, Adair E C, Brandt L A, Hart S C, Fasth B. Global-scale similarities in nitrogen release patterns during long-term decomposition. Science, 2007, 315(5810): 361- 364.

[26] Berg B, Matzner E. Effect of N deposition on decomposition of plant litter and soil organic matter in forest systems. Environmental Reviews, 1997, 5(1): l- 25.

[27] Mo J M, Brown S, Peng S L, Kong G H. Nitrogen availability in disturbed, rehabilitated and mature forests of tropical China. Forest Ecology and Management, 2003, 175(1/3): 573- 583.

[28] Treseder K K. Nitrogen additions and microbial biomass: a meta-analysis of ecosystem studies. Ecology Letters, 2008, 11(10): 1111- 1120.

[29] Ramirez K S, Craine J M, Fierer N. Consistent effects of nitrogen amendments on soil microbial communities and processes across biomes. Global Change Biology, 2012, 18(6): 1918- 1927.

[30] Ball B A, Bradford M A, Hunter M D. Nitrogen and phosphorus release from mixed litter layers is lower than predicted from single species decay. Ecosystems, 2009, 12(1): 87- 100.

[31] Kozovits A R, Bustamante M M C, Garofalo C R, Bucci S, Franco A C, Goldstein G, Meinzer F C. Nutrient resorption and patterns of litter production and decomposition in a Neotropical Savanna. Functional Ecology, 2007, 21(6): 1034- 1043.

[32] Smaill S J, Clinton P W, Greenfield L G. Nitrogen fertiliser effects on litter fall, FH layer and mineral soil characteristics in New ZealandPinusradiataplantations. Forest Ecology and Management, 2008, 256(4): 564- 569.

[33] Lu M, Yang Y H, Luo Y Q, Fang C M, Zhou X H, Chen J K, Yang X, Li B. Responses of ecosystem nitrogen cycle to nitrogen addition: A meta-analysis. New Phytologist, 2011, 189(4): 1040- 1050.

Effects of fertilizer addition on surface litter decomposition in the Tarim Desert Highway shelterbelt

ZHANG Xuemei1,2,3,4, WANG Yongdong1,4, XU Xinwen1,4,*, LEI Jiaqiang1,4, SUN Jingxin1,3,4

1XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China2CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China3GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China4NationalEngineeringTechnologyResearchCenterforDesert-OasisEcologicalConstruction,Urumqi830011,China

Litter decomposition determines the nutrient and carbon cycling processes and regulates nutrient return to the soil in many terrestrial ecosystems. Wood plant litter decomposition is a crucial biogeochemical process for carbon and nutrient cycling, especially in arid and nutrient-constrained ecosystems. However, the role of litter decomposition in extreme drought deserts and the determining factors remain debatable and poorly understood. The Tarim Desert Highway Shelterbelt consists of three artificial plant species that account for the majority of net primary productivity, and their litters are the major contributors to carbon and nutrient recycling. In such artificial desert shelter forests, the addition of fertilizer causes contradictory effects on litter decomposition and nutrient dynamics. This study aims to (1) examine how the addition of fertilizer affects surface litter decomposition and nutrient dynamics, and (2) determine the major factors influencing litter decomposition in arid deserts. The litterbag method was used to investigate the assimilative branches decomposition ofCalligonumarborescensandHaloxylonammodendron, and the branches decomposition ofTamarixramosissimain the Taklimakan Desert Research Station. Filled litterbags were placed on soil surfaces at different plots in March 2013. Fertilizer addition and irrigation were implemented from March to November during the experiment. Litterbags were collected in May, July, September, and November of 2013, and in March and May of 2014. The mass remaining, elemental content (carbon, nitrogen, phosphorus, and potassium), and decomposition rates of litter were analyzed at each decomposition stage. Results showed that after 420 days of decomposition, significant differences were found among control (without fertilizer), addition of nitrogen fertilizer, and phosphorus and potassium compound fertilizer treatments. The mass remaining for the assimilative branches ofC.arborescens, assimilative branches ofH.ammodendron, and branches ofT.ramosissimawithout fertilizer addition were 56.95%, 31.32%, and 50.24%, respectively. The decomposition rate of fertilizer treatments among different litters was the highest for the assimilative branches ofH.ammodendron, followed by the branches ofT.ramosissima, and then the assimilative branches ofC.arborescens. The addition of phosphorus and potassium compound fertilizer significantly accelerated the litter decomposition rate of the three plant species, whereas nitrogen fertilizer increased the decomposition rate of the branches ofT.ramosissimaand restrained the decomposition rate of the assimilative branches ofC.arborescensandH.ammodendron. During the decomposition process, litter nutrients presented net release patterns in the treatments without fertilizer. In contrast, the nitrogen, phosphorus, and potassium contents of the fertilizer treatments showed an accumulation-release pattern. The litter decomposition rate was determined by the initial phosphorus content and C/N and C/P ratios at the initial decomposition stage. However, the decomposition rate was controlled by the initial potassium, lignin, and cellulose contents and C/N, and lignin/N ratios at the final stage. Overall, the results suggest that the addition of fertilizer significantly changed the decomposition rate of surface litters, increased the amount of returned nutrients, and postponed the time of nutrient release. Improving soil fertility in the Tarim Desert Highway shelterbelt is essential in enhancing the quality of this valuable ecosystem. The initial litter C/N ratio is critical to surface litter decomposition in the Tarim Desert, and the initial chemical composition to surface litter decomposition rate varies at different decomposition stages.

mass remaining; litter decomposition rate; nutrients; fertilizer addition; Tarim Desert Highway shelterbelt

國家自然科學基金項目(41271341,41030530, 41301038); 塔里木油田公司項目(971012080007); 水利公益性行業(yè)科研專項(201401049)

2015- 09- 06;

日期:2016- 07- 13

10.5846/stxb201509061830

*通訊作者Corresponding author.E-mail: sms@ms.xjb.ac.cn

張雪梅, 王永東, 徐新文, 雷加強, 孫景鑫.塔里木沙漠公路防護林地表凋落物分解對施肥的響應.生態(tài)學報,2017,37(5):1506- 1514.

Zhang X M, Wang Y D, Xu X W, Lei J Q, Sun J X.Effects of fertilizer addition on surface litter decomposition in the Tarim Desert Highway shelterbelt.Acta Ecologica Sinica,2017,37(5):1506- 1514.