模擬酸雨對(duì)大興安嶺3個(gè)樹(shù)種凋落葉分解速率和溶解有機(jī)碳的影響

趙晶晶，杜其霖，國(guó)潤(rùn)才，劉志強(qiáng)，程宇琪，王雨晴，杜 浩，張成福

模擬酸雨對(duì)大興安嶺3個(gè)樹(shù)種凋落葉分解速率和溶解有機(jī)碳的影響

趙晶晶1，杜其霖2，國(guó)潤(rùn)才1，劉志強(qiáng)3，程宇琪1，王雨晴1，杜 浩1，張成福1

（1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)水利科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)大興安嶺林管局營(yíng)林處，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000）

利用室內(nèi)分解袋法研究模擬酸雨對(duì)大興安嶺根河地區(qū)白樺Betula platyphylla，杜香Ledum palustre，興安杜鵑Rhododendron dauricum凋落葉分解速率及分解釋放溶解有機(jī)碳的影響，分別設(shè)置pH3.5，5.0和7.0三個(gè)梯度。結(jié)果表明，分解過(guò)程中3個(gè)樹(shù)種凋落葉在pH 3.5的質(zhì)量損失最少，其次是pH 5.0和7.0；不同樹(shù)種對(duì)酸雨脅迫的影響具有一定的差異；3個(gè)樹(shù)種凋落葉的失重率為：杜香＞白樺＞興安杜鵑；3個(gè)樹(shù)種凋落葉的失重率和分解速率均與凋落葉初始C濃度、木質(zhì)素濃度、C/N比和木質(zhì)素/N呈顯著負(fù)相關(guān)，與N，P和纖維素濃度呈顯著正相關(guān)；3個(gè)樹(shù)種凋落葉分解釋放溶解有機(jī)碳都是先增加后減少，后趨于動(dòng)態(tài)平衡減少狀態(tài)。

模擬酸雨；凋落葉分解；溶解有機(jī)碳；分解速率

酸雨或酸沉降（Acid rain，acid precipitation）是指pH值小于5.6的酸性降水（雨、雪、霧等形式），包括濕沉降（如酸雨、酸霧、酸霜、酸雪等）和干沉降（如NOX，SO2，HCL等氣體酸性物）[1]。隨著城市化進(jìn)程和工業(yè)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，能源被消耗的同時(shí)并大量污染物被排放出，解決酸雨問(wèn)題變得越來(lái)越迫切。酸雨會(huì)在不同尺度上導(dǎo)致森林的變化[2-4]，酸雨造成的酸沉降引起森林木材儲(chǔ)蓄量減少以及農(nóng)作物減產(chǎn)等[5-6]。大興安嶺根河地區(qū)也受到了酸雨的影響。有數(shù)據(jù)記錄以來(lái)，該地區(qū)降水酸度一直呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且酸沉降造成大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)的退化，它不僅直接損傷植物，而且會(huì)降低土壤的緩沖能力以及供給植物生長(zhǎng)的有效成分[7-8]。隨著酸沉降造成的影響越來(lái)越受到關(guān)注，研究林區(qū)酸度變化對(duì)森林凋落葉分解釋放溶解有機(jī)碳的影響對(duì)于大氣碳循環(huán)很有必要[9]。20世紀(jì)70年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于酸雨對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響研究主要集中在酸雨對(duì)植物生理生化性質(zhì)和形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響[10-14]，而在酸雨對(duì)凋落物分解過(guò)程方面的影響關(guān)注還不多。

溶解有機(jī)碳（Dissolved organic carbon，DOC）的分布、遷移和轉(zhuǎn)化對(duì)碳循環(huán)具有很重要的意義[15]。森林凋落葉分解釋放DOC是森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中很重要的一部分。森林有機(jī)碳庫(kù)儲(chǔ)量的微小變化，都可能顯著影響大氣CO2濃度的變化[16]。大興安嶺是中國(guó)主要的林業(yè)基地之一。白樺Betula platyphylla，杜香Ledum palustre，興安杜鵑Rhododendron dauricum是大興安嶺3種廣泛分布的天然林樹(shù)種，其生長(zhǎng)、死亡以及殘?bào)w分解對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)碳循環(huán)有著重要的作用。本研究以白樺、杜香和興安杜鵑作為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)模擬酸雨試驗(yàn)方法，研究其對(duì)凋落葉分解速率及分解過(guò)程中釋放DOC的影響，以期能提高人們對(duì)酸雨對(duì)于森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)影響的認(rèn)識(shí)[17]，能更好地預(yù)測(cè)森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)酸雨脅迫的響應(yīng)，為我國(guó)森林資源保護(hù)和環(huán)境管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 樣本采集及處理

樣品采集于大興安嶺北部，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾根河林業(yè)局境內(nèi)，50°05′01″ ～ 53°33′25″ N，121°11′02″ ～127°01′17″ E。海拔700 ～ 1 530 m。寒溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候區(qū)，年降水量400 ～ 500 mm，土壤類型主要有棕色針葉林土、灰色森林土、河灘森林土、草甸土等。

2016年8月，于內(nèi)蒙古根河市上央格氣林場(chǎng)收集適量的白樺、杜香、興安杜鵑剛凋落的新鮮葉，帶回實(shí)驗(yàn)室用蒸餾水沖洗去雜物及泥沙，室內(nèi)風(fēng)干，用于分解試驗(yàn)。分解試驗(yàn)采用尼龍網(wǎng)袋法，尼龍袋孔徑0.5 mm，大小15 cm×10 cm。稱取每樹(shù)種凋落葉干樣約8 g，裝入尼龍網(wǎng)袋，做2個(gè)重復(fù)，凋落物干樣共54袋，放入溫度（12℃）和濕度相同（60%）的2個(gè)培養(yǎng)箱中。將原狀凋落葉按其自然存在狀態(tài)放置于尼龍網(wǎng)袋內(nèi)，做好標(biāo)簽。于2016年10月26日將網(wǎng)袋放入培養(yǎng)箱，每隔15 d取出1次，用模擬酸雨（pH 3.5，pH 5.0和pH 7.0）的硫酸溶液浸泡1 h后，測(cè)定溶液的溶解有機(jī)碳濃度。模擬使用的酸雨是利用98%的濃硫酸溶液與蒸餾水按照比例混合稀釋配置。模擬酸溶液與凋落物的比為125:1（體積：質(zhì)量）。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)將凋落葉取出放回培養(yǎng)箱。試驗(yàn)周期為165 d。

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

DOC經(jīng)0.2μm濾紙過(guò)濾，采用日本島津溶解有機(jī)碳分析儀TOC-L測(cè)定。全碳采用重鉻酸鉀法-外加熱法測(cè)定。全氮測(cè)定采用凱氏定氮法。全磷測(cè)定：凋落葉樣本用硫酸-過(guò)氧化氫消化，使各種形態(tài)磷轉(zhuǎn)變成磷酸鹽，正磷酸鹽與鉬銻抗顯色劑反應(yīng)，生產(chǎn)磷鉬藍(lán)，藍(lán)色溶液的吸光度與含磷量呈正比例關(guān)系，用酶標(biāo)儀測(cè)定。木質(zhì)素測(cè)定：木質(zhì)素是由聚合的芳香醇構(gòu)成的一類物質(zhì)，存在于木質(zhì)組織中，位于纖維素纖維之間，木質(zhì)素中的酚羥基發(fā)生乙?；笤?80 nm處有特征吸收峰，280 nm的吸光值高低與木質(zhì)素濃度正相關(guān)，從而測(cè)得木質(zhì)素含量。纖維素測(cè)定：纖維素為β-葡萄糖殘基組成的多糖，在酸性條件下加熱能分解成β-葡萄糖。β-葡萄糖在強(qiáng)酸作用下，可脫水生成β-糠醛類化合物。β-糠醛類化合物與蒽酮脫水縮合，生成糠醛衍生物。顏色的深淺可間接定量測(cè)定纖維素濃度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2010整理后，應(yīng)用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件中單因素方差分析對(duì)不同濃度酸浸泡的凋落葉分解速率及釋放的DOC進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。采用R軟件對(duì)3個(gè)樹(shù)種凋落葉初始成分與分解速率、最高DOC濃度進(jìn)行相關(guān)矩陣運(yùn)算。主要指標(biāo)計(jì)算方法如下：

失重率（Pw）計(jì)算：

式中，Wt為分解t時(shí)間后枯落物的殘留量（g），W0為枯落物的初始重量（g），t為分解時(shí)間（d）。

分解速率：根據(jù)Olson[18]指數(shù)衰減模型Wt/W0＝e-kt，對(duì)分解殘留率數(shù)據(jù)進(jìn)行自然對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后，線性擬合得到分解速率常數(shù)k 值。

2 結(jié)果與分析

2.1 3個(gè)樹(shù)種凋落葉初始成分

3樹(shù)種凋落葉的初始主要化學(xué)成分C，N，P濃度和C/N比差異顯著（表1）。杜香凋落葉碳濃度比白樺碳濃度低9.04%，比興安杜鵑低12.59%，但杜香凋落葉氮濃度比白樺凋落葉氮濃度高34.23%，比興安杜鵑高50.70%；同時(shí)，杜香凋落葉磷濃度比白樺磷濃度高34.23%，比興安杜鵑磷濃度高40.27%。杜香凋落葉木質(zhì)素濃度比白樺低26.82%，比興安杜鵑低41.14%。興安杜鵑、白樺和杜香凋落葉的C/N比分別為4.46，3.80和1.92。興安杜鵑具有較高的C/N比和木質(zhì)素/N，以及較低的纖維素濃度。

表1 初始凋落葉樣品化學(xué)成分及C/N比及木質(zhì)素/N比Table 1 The chemical composition, ratio of C/N and lignin/N in leaves before test

2.2 不同pH梯度3個(gè)樹(shù)種凋落葉分解速率的變化特征

由表2可知，杜香、興安杜鵑和白樺凋落葉在分解過(guò)程中，杜香凋落葉的平均失重率和平均分解速率高于白樺和興安杜鵑凋落葉。在pH 3.5，pH 5.0和pH 7.0酸溶液處理下，經(jīng)過(guò)165 d的分解，杜香凋落葉失重率分別為39.86%，40.61%和54.16%，分解速率分別為0.003 0 d-1，0.003 2 d-1和0.004 7 d-1。杜香、興安杜鵑和白樺凋落葉失重率和分解速率總體表現(xiàn)為隨著pH濃度的升高而增高。

表2 模擬酸雨處理對(duì)凋落葉失重率及分解速率的影響Table 2 Effect of simulated acid rain treatment on weight loss rate and decomposition rate of leaves of different tree species

2.3 不同濃度pH對(duì)3個(gè)樹(shù)種凋落葉分解釋放DOC的影響

杜香、興安杜鵑和白樺凋落葉分解過(guò)程中，興安杜鵑分解釋放DOC均高于杜香和白樺（圖1）。在pH 3.5，pH 5.0和pH 7.0處理下，3個(gè)樹(shù)種凋落葉分解釋放DOC均隨時(shí)間的推移而先增加后減少，初期分解釋放較多，到第30天呈現(xiàn)先快后緩慢的下降趨勢(shì)，到第75天趨于平穩(wěn)下降狀態(tài)。3個(gè)樹(shù)種凋落葉在pH 3.5，pH 5.0和pH 7.0酸淋溶下釋放DOC具有顯著差異（P＜0.01），pH 5.0酸淋溶時(shí)，3個(gè)樹(shù)種凋落葉分解釋放DOC均高于pH 3.5和pH 7.0。方差齊性檢驗(yàn)表明，在0.05的顯著水平下可認(rèn)為每種凋落葉分解產(chǎn)生的DOC無(wú)顯著差異，但在0.01的顯著水平下，凋落葉產(chǎn)生的DOC有差異。

圖1 相同pH值條件下3個(gè)樹(shù)種凋落葉所釋放DOC濃度的比較Figure 1 DOC released fromleaves of 3 tree species under same pH treatment

3 討論

3.1 凋落葉初始成分對(duì)凋落葉失重率和分解速率的影響

Olson衰減指數(shù)模型擬合凋落葉失重過(guò)程中得到的分解速率（k）是一個(gè)恒值，可以反映凋落葉分解過(guò)程的特征。有研究發(fā)現(xiàn)，在外界環(huán)境條件一致下，不同種類的植物凋落葉在分解過(guò)程中失重率和分解速率有很大不同，且初始成分是影響凋落葉分解速率的主要因素[19]。在某些范圍內(nèi)，凋落葉化學(xué)特性是影響凋落葉分解的主要因子[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，凋落葉的分解速率與凋落葉初始C含量、木質(zhì)素含量、C/N比及木質(zhì)素/N呈負(fù)相關(guān)，與凋落葉初始N，P呈正相關(guān)（表3）。這與楊林等[21]通過(guò)對(duì)川西高山林線交錯(cuò)帶14種代表性植物凋落葉分解速率的研究結(jié)果一致，即凋落葉初始N濃度越高，分解速率越高；凋落葉初始C/N比越高，分解速率越低；凋落葉初始P濃度越高，分解速率越快；凋落葉初始木質(zhì)素濃度越高，分解速率越低；凋落葉初始木質(zhì)素/N越高，分解速率越低。唐仕珊等[22]和Zhang[23]等對(duì)國(guó)內(nèi)外森林凋落葉研究的分析結(jié)果相同。

木質(zhì)素和纖維素含量在凋落葉中占有很大比例，兩者的濃度尤其是木質(zhì)素的濃度會(huì)影響自身的分解速率乃至整個(gè)凋落葉的分解速率[24]。本研究中3個(gè)樹(shù)種凋落葉木質(zhì)素和纖維素濃度的不同也引起了分解速率以及失重率的不同。

表3 凋落葉分解參數(shù)與原始成分之間的關(guān)系Table 3 The relationship between decomposition parameters before and after treatment

3.2 模擬不同pH酸雨對(duì)凋落葉失重率和分解速率的影響

Berg[25]等對(duì)歐洲赤松凋落葉分解過(guò)程分為3個(gè)階段：凋落葉分解早期（early stage）、凋落葉分解后期（late stage）、近腐殖質(zhì)階段（humus-near stage），每個(gè)階段凋落葉質(zhì)量都會(huì)發(fā)生不同變化。酸度是影響凋落葉分解的主要環(huán)境因子之一，本研究發(fā)現(xiàn)杜香、興安杜鵑和白樺 3個(gè)樹(shù)種森林凋落葉的失重率和分解速率均隨著 pH濃度的增加而增加。Throop等[26]研究也發(fā)現(xiàn)，外界因素會(huì)導(dǎo)致凋落葉本身理化性質(zhì)的改變，使得雨水淋溶過(guò)程及基質(zhì)底物的可降解性增強(qiáng)，從而進(jìn)一步加速凋落葉的分解。這種作用在凋落葉分解前期更為明顯。在pH 3.5時(shí)失重率最低，這說(shuō)明增大溶液酸性會(huì)使凋落葉質(zhì)量損失減少，酸雨對(duì)森林凋落物的分解起到抑制作用。由于本研究做的是室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，所以酸影響效果更加持續(xù)，造成的傷害也越大。這與程煜等[27]的研究結(jié)果一致，即酸雨對(duì)凋落葉的影響因物種和酸處理程度而異。

3.3 模擬不同pH的酸雨對(duì)凋落葉分解釋放DOC的影響

DOC是森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要組成部分[28]。凋落葉分解過(guò)程中釋放的水溶性組分和有機(jī)溶性組分在全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和收支平衡中具有重要的作用[29-31]。在分解初期階段，可溶性組分和有機(jī)溶性組分快速淋溶[32]，不斷釋放可溶性碳等物質(zhì)[33]。在分解后期，凋落葉剩下的主要是難分解的物質(zhì)，因而導(dǎo)致分解中期可溶性組分減少，至后期趨于平衡。這與本研究中分解初期淋溶液中DOC濃度快速升高后下降到最后趨于平穩(wěn)狀態(tài)的結(jié)果一致。凋落葉的分解過(guò)程中養(yǎng)分釋放主要包括淋溶-富集-釋放和直接釋放等模式[34]，吳川福[35]研究發(fā)現(xiàn)，固體樣品有機(jī)碳溶解的量會(huì)隨著pH的降低而升高，該研究的pH范圍在7～ 9，本研究中杜香和興安杜鵑凋落葉分解釋放DOC濃度在pH 5.0達(dá)到最高，其次是pH 7.0，pH 3.5，說(shuō)明該研究結(jié)果在一定pH范圍內(nèi)有效，當(dāng)pH過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，結(jié)果會(huì)有所不同。白樺凋落葉分解釋放DOC濃度在pH 5.0達(dá)到最高，其次是pH 3.5，pH 7.0。說(shuō)明白樺凋落葉中含有更多的酸溶性物質(zhì)以及耐酸性。

杜香、白樺和興安杜鵑3個(gè)樹(shù)種凋落葉分解釋放DOC濃度都是先上升再下降，這與李忠佩等[36]的研究類似。在本研究的分解初期，興安杜鵑凋落葉釋放DOC高于白樺和杜香凋落葉。這可能與興安杜鵑凋落葉初始C濃度較高有關(guān)。之后隨著淋溶的次數(shù)增加，DOC的濃度都有所下降。凋落葉在分解的過(guò)程中，有一部分C轉(zhuǎn)化成了CO2。樣品在不同分解階段釋放DOC濃度可大致反映該凋落葉釋放DOC的能力。3個(gè)樹(shù)種凋落葉均在pH 5.0時(shí)釋放DOC最高，說(shuō)明適度的酸對(duì)凋落葉分解釋放DOC具有促進(jìn)作用；其次，杜香和興安杜鵑凋落葉分解釋放DOC濃度在pH 3.5最低，說(shuō)明高濃度的酸抑制微生物和酶的作用，從而抑制凋落葉分解釋放DOC。白樺凋落葉分解釋放DOC濃度在pH 3.5最低，可能與其耐酸性及凋落葉表面微生物種類有關(guān)。

4 結(jié)論

（1）杜香、白樺和興安杜鵑3個(gè)樹(shù)種凋落葉的失重率和分解速率均與凋落葉初始C濃度、木質(zhì)素濃度、C/N比和木質(zhì)素/N呈顯著負(fù)相關(guān)，與N、P和纖維素濃度呈顯著正相關(guān)。

（2）酸雨對(duì)森林凋落葉的分解具有抑制作用，且隨著酸度的增加，抑制越明顯。在pH 3.5，pH 5.0和pH 7.0的酸淋溶液處理下，杜香、白樺和興安杜鵑3個(gè)樹(shù)種凋落葉的失重率和分解速率總體表現(xiàn)為：pH 3.5＜pH 5.0＜pH 7.0。

（3）杜香、白樺和興安杜鵑3種樹(shù)種凋落葉分解釋放DOC濃度均在前期（前30 d）先升高，再下降，最后趨于平穩(wěn)下降狀態(tài)。

（4）不同樹(shù)種的凋落葉對(duì)酸雨脅迫的響應(yīng)不一致。在pH 3.5，pH 5.0和pH 7.0的酸淋溶液處理下，杜香和興安杜鵑凋落葉分解釋放DOC濃度在pH 5.0達(dá)到最高，其次是pH 7.0，pH 3.5。白樺凋落葉分解釋放DOC濃度在pH 5.0時(shí)達(dá)到最高，其次是pH 3.5，pH 7.0。

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Effect of Simulated Acid Rain on Decomposition Rate and Dissolved Organic Carbon of Leaf Litter of Three Tree Species in Genhe

ZHAO Jing-jing1，DU Qi-lin2， GUO Run-cai1，LIU Zhi-qiang3，CHENH Yu-qi1，WANG Yu-qing1，DU Hao1，ZHANG Cheng-fu1
（1. College of Desert Control Science and Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010010, China; 2. Hydraulic Research Institution of Inner Mongol Autonomous Region , Hohhot 010051, China; 3. Daxing’anling Froestry Bureau of Inner Mongolia Autonomous Region, Hulun Buir 021000, China）

Experiments were conducted by ltter bag technique on effect of simulated acid rain on decomposition rate and content of dissolved organic carbon（DOC）from leaf letter of Betula platyphylla, Ledum palustre and Rhododendron dauricum treated with pH 3.5, 5.0 and 7.0 in Genhe,Inner Mongolia Autonomous Region. The results showed that leaf litter mass of 3 species reduced the less under treatment of pH 3.5, and then under pH 5.0 and pH 7.0.The mass loss rate of three species litter leaf was ordered by L.palustre＞B.platyphylla＞R.dauricum. The experiment resulted that leaf litter decomposition rate and mass loss rate had a significant negative correlation with the content of C, lignin, C/N, lignin/N, but had remarkable positive correlation with the content of N, P and cellulose. Decomposition and release of DOC from different litters had the same tendency, increased first and then decreased, and then decreased slowly.

simulated acid rain; leaf litter decomposition; DOC; decomposition rate

S714 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1001-3776（2017）05-0010-06

10.3969/j.issn.1001-3776.2017.05.002

2017-09-07；

2017-11-12

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.41461106）；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目（No.YJ2014-1）

趙晶晶，碩士，從事水土保持與荒漠化防治研究；E-mail：923843551@qq.com。通信作者：張成福，博士；E-mail：ch893169@dal.ca。