吉林龍灣國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)凋落物分解主場(chǎng)效應(yīng)研究

胡佰策，梁 東，于化成，張雪瑩

(1.吉林省林木種苗管理站，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.吉林省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130000；3.吉林省龍灣國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局，吉林 通化 135100)

森林凋落物是森林植物在其生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中新陳代謝的產(chǎn)物，凋落物分解是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳素周轉(zhuǎn)和礦質(zhì)養(yǎng)分循環(huán)的關(guān)鍵過(guò)程[1,2]。目前很多研究發(fā)現(xiàn)，凋落物具有在其生長(zhǎng)的棲息地(主場(chǎng))比在別的生境(客場(chǎng))分解更快的特征，仿照體育名詞稱(chēng)其為凋落物分解的“主場(chǎng)效應(yīng)(HFA)”[3,4]。

在地域尺度上，目前主場(chǎng)效應(yīng)研究可見(jiàn)報(bào)道全部在歐洲和美洲，而在亞、非和大洋洲未見(jiàn)任何報(bào)道；在氣候尺度上，主要集中在熱帶、亞熱帶和寒溫帶區(qū)域，缺少對(duì)溫帶地區(qū)的研究。

為更好地了解溫帶地區(qū)凋落物分解過(guò)程中其主場(chǎng)效應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化，維持保護(hù)區(qū)的生態(tài)平衡，本項(xiàng)目選擇中國(guó)東北的吉林龍灣國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的雜木林和蒙古櫟林2個(gè)典型生境的主要凋落物作為研究對(duì)象，探討凋落物分解主場(chǎng)效應(yīng)差異。

1 研究區(qū)概況

吉林龍灣國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)位于長(zhǎng)白山系龍崗山脈中段，吉林省通化市輝南縣境內(nèi)。地理坐標(biāo)為42°16′20″～42°26′57″N，126°13′55″～126°32′02″E，海拔449～1 233.3 m，該區(qū)屬于典型的北溫帶大陸性季風(fēng)氣候。四季分明，春季干旱風(fēng)大，夏季多雨濕熱，秋季涼爽溫和，冬季寒冷漫長(zhǎng)。大部分山地的丘陵坡地分布著夏綠雜木林和蒙古櫟林，地帶性土壤主要為暗棕壤。

2 研究方法

2.1 凋落物收集和處理

通過(guò)對(duì)研究區(qū)植物分布資料的查閱與實(shí)地調(diào)查，選取研究區(qū)蒙古櫟林的蒙古櫟(Quercusmongolica)凋落物和雜木林的核桃楸(Juglansmandshurica)凋落物作為試驗(yàn)材料。2016年9月末，在落葉高峰期，手撿蒙古櫟和核桃楸當(dāng)年新鮮、無(wú)破損凋落葉作為初始材料，帶回實(shí)驗(yàn)室，用刷子去除表面污垢，用蒸餾水清洗干凈。取定量的兩種凋落物放置于60 ℃烘箱中烘干至恒重，用于計(jì)算凋落物初始烘干重。其余的凋落物用作試驗(yàn)材料。

2.2 凋落物網(wǎng)袋的準(zhǔn)備和布設(shè)

凋落物網(wǎng)袋大小為20 cm×15 cm，網(wǎng)孔大小是4 mm。每個(gè)凋落物網(wǎng)袋稱(chēng)取10 g(±0.01 g)凋落葉，設(shè)置三個(gè)重復(fù)。為了避免凋落物破碎，先將稱(chēng)好的樣品用蒸餾水濕潤(rùn)再裝入網(wǎng)袋中。2016年10月，在研究區(qū)蒙古櫟林和雜木林的10 m×10 m樣地中，分別設(shè)置3個(gè)取樣網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格放置6個(gè)(2行×3列)凋落物網(wǎng)袋。每個(gè)樣地共放置18個(gè)(2物種×3重復(fù)×3次取樣)凋落物網(wǎng)袋。

2.3 凋落物的采集和處理

2017年5月、7月和10月取回凋落物網(wǎng)袋。將凋落物網(wǎng)袋帶回實(shí)驗(yàn)室后，用鑷子小心地去除表面的外來(lái)雜質(zhì)和土壤顆粒，裝進(jìn)信封，在60 ℃烘箱中烘干至恒重，用于計(jì)算凋落物的分解速率。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理和分析

凋落物分解速率計(jì)算公式：

其中：D為凋落物分解速率；

W0為凋落物初始干重；

Wt為t時(shí)取樣時(shí)凋落物干重。

兩種葉片的交互移置試驗(yàn)可按以下兩個(gè)公式計(jì)算[5]，凋落物在各生境中的相對(duì)質(zhì)量損失公式：

其中：ARMLa為凋落物在各生境中的相對(duì)質(zhì)量損失；

A、B代表兩種研究的凋落物；

a、b代表它們對(duì)應(yīng)的生境。

主場(chǎng)效應(yīng)系數(shù)公式：

其中：HFA1為主場(chǎng)效應(yīng)系數(shù)；

其他符號(hào)意義同上。

3 結(jié)果與分析

3.1 蒙古櫟凋落物分解速率

蒙古櫟凋落物主場(chǎng)(蒙古櫟林生境)5月、7月和10月分解速率分別為1.27 %、11.17 %和17.28 %，其客場(chǎng)(雜木林生境)5月、7月和10月分解速率分別為2.36 %、11.58 %和24.90 %。從圖1中可以看出，5月、7月和10月的主場(chǎng)分解速率均低于客場(chǎng)分解速率。

圖1 蒙古櫟凋落物主場(chǎng)和客場(chǎng)分解速率Fig. 1 Litter decomposition rate of Quercus mongolica at home and away from home

3.2 核桃楸凋落物分解速率

核桃楸凋落物主場(chǎng)(雜木林生境)5月、7月和10月分解速率分別為4.12 %、18.34 %和19.62 %，其客場(chǎng)(蒙古櫟林生境)分解速率分別為2.27 %、22.60 %和23.34 %。從圖2中可以看出，5月的主場(chǎng)分解速率高于客場(chǎng)分解速率，7月和10月的主場(chǎng)分解速率低于客場(chǎng)分解速率。

圖2 核桃楸凋落物主場(chǎng)和客場(chǎng)分解速率Fig. 2 Litter decomposition rate of Juglans mandshurica at home and away from home

3.3 凋落物主場(chǎng)效應(yīng)比較

對(duì)于只有兩種凋落物的交互移置試驗(yàn)不能計(jì)算出每種凋落物的主場(chǎng)效應(yīng)，而是計(jì)算出主場(chǎng)效應(yīng)系數(shù)HFA1。凋落物分解主場(chǎng)效應(yīng)并不一定表現(xiàn)為正效應(yīng)(主場(chǎng)效應(yīng)系數(shù)>0)，也可能表現(xiàn)出負(fù)效應(yīng)(主場(chǎng)效應(yīng)系數(shù)<0)或零效應(yīng)(主場(chǎng)效應(yīng)系數(shù)=0)。

蒙古櫟凋落物和核桃楸凋落物主場(chǎng)效應(yīng)系數(shù)在5月、7月和10月分別為-2.68、-15.15和-15.22(圖3)。不同分解時(shí)期凋落物分解主場(chǎng)效應(yīng)均為負(fù)效應(yīng)。

圖3 凋落物分解主場(chǎng)效應(yīng)系數(shù)Fig.3 Home-field effect coefficient of litter decomposition

4 討論

凋落物具有在其生長(zhǎng)的棲息地(主場(chǎng))比在其他生境(客場(chǎng))分解更快的特征，但是在本研究中蒙古櫟凋落物5月、7月和10月的主場(chǎng)分解速率均低于客場(chǎng)分解速率。核桃楸凋落物僅在5月的主場(chǎng)分解速率高于客場(chǎng)分解速率，7月和10月的主場(chǎng)分解速率仍然低于客場(chǎng)分解速率。凋落物分解的影響因素主要有氣候、凋落物本身性質(zhì)和分解者三個(gè)方面[1]。在同一季節(jié)，主場(chǎng)和客場(chǎng)的氣候條件差異不大，凋落物的性質(zhì)在主場(chǎng)和客場(chǎng)也是相同的，因此，凋落物主場(chǎng)和客場(chǎng)分解速率的差異主要和分解者有關(guān)。本試驗(yàn)承裝凋落物的是4 mm網(wǎng)孔的網(wǎng)袋，網(wǎng)孔大小允許微生物、中小型和大型土壤動(dòng)物進(jìn)出網(wǎng)袋。微生物和土壤動(dòng)物是調(diào)控凋落物分解的重要生物因素，通過(guò)對(duì)凋落物取食和消化等直接作用和間接作用影響凋落物分解速率及養(yǎng)分釋放動(dòng)態(tài)[6]。

另外已有研究表明土壤生物特化作用是凋落物分解主場(chǎng)效應(yīng)的根本原因[7，8]。土壤生物的“特化作用”是指土壤生物選擇性地對(duì)同生境植被凋落物的分解更有效，但本研究中凋落物分解的主場(chǎng)效應(yīng)是負(fù)效應(yīng)，客場(chǎng)的分解速率快于主場(chǎng)，這種效應(yīng)的存在沒(méi)有科學(xué)合理的解釋?zhuān)瑢?duì)于凋落物分解的主場(chǎng)效應(yīng)仍有很多相互矛盾的地方[9，10]。雖然凋落物分解主場(chǎng)效應(yīng)廣泛存在已是不爭(zhēng)的事實(shí)，但其生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制研究仍然不夠深入，需要深入分析土壤生物對(duì)凋落物分解作用機(jī)理，提高對(duì)主場(chǎng)效應(yīng)的理解，這也是我們后續(xù)研究工作的方向。

凋落物分解主場(chǎng)效應(yīng)研究有助于深入了解凋落物的分解機(jī)制，為深入了解吉林龍灣森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)提供科學(xué)依據(jù)，有利于維持保護(hù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的平衡。