凍融環(huán)境下凋落葉添加對亞高山森林土壤腐殖化程度的影響

衛(wèi)芯宇,楊萬勤,張 麗,譚 波,諶 亞,董玉梁,吳福忠

四川農(nóng)業(yè)大學生態(tài)林業(yè)研究所,林業(yè)生態(tài)工程重點實驗室, 成都 611130

腐殖質作為土壤有機質的主體組分,是動植物殘體在微生物作用下分解并合成的一類結構復雜的聚合物[1- 2],其形成過程也是土壤有機質形成的重要內容[3]。土壤腐殖化程度不僅代表了土壤中有機碳庫的相對穩(wěn)定性[4],而且腐殖質可以通過改善土壤物理化學及生物學性質而提高土壤自修復能力及肥力,對土壤養(yǎng)分循環(huán)和維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡具有重要作用[5- 8],也是評價土壤肥力的主要指標[9]。傳統(tǒng)認為,土壤腐殖質的顏色可以很好地表現(xiàn)土壤的腐殖化程度[10],因此,色調系數(shù)(ΔlogK)、光密度值(E4/E6)以及A600/C值等光學指標近年來被廣泛用于表征腐殖質分子結構的復雜程度與腐殖化程度[11]。ΔlogK值越大,E4/E6比值越高,A600/C值越低,表明腐殖質的光密度愈小,芳香核原子團越少,芳香縮合度低,說明其分子結構越簡單[2]。盡管凋落葉等植物殘體的輸入是土壤腐殖質的主要來源[12],但也可以通過“施肥促發(fā)效應”促進已有腐殖質的更新[13],使得植物殘體輸入與土壤腐殖化程度的關系并不明確。同時,土壤的季節(jié)性凍融是全球中、高緯度或高海拔地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的普遍現(xiàn)象[14]。已有研究表明,一方面頻繁的凍融循環(huán)會抑制凋落葉的腐殖化,甚至使前期形成的腐殖質降解[15],降低土壤腐殖質的積累;另一方面隨著凍融循環(huán)周期的增加土壤有機質含量也有增加的趨勢[16],可能提高土壤腐殖化程度。可見,季節(jié)性凍融、植物殘體輸入及其綜合作用對土壤腐殖化程度的影響并不確定,亟待深入研究。

川西亞高山森林是受季節(jié)性凍融影響的典型生態(tài)系統(tǒng),常年低溫及頻繁地質災害,導致土壤發(fā)育受阻[17],土層淺薄,土壤腐殖質形成及其動態(tài)對高山森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的維持與健康具有重要的作用。前期的研究表明,季節(jié)性凍融循環(huán)可顯著抑制凋落葉腐殖質的積累[15],也可顯著影響土壤碳礦化過程[18]。然而,缺乏對季節(jié)性凍融-凋落葉輸入及其與土壤腐殖化程度關系的關注。因此,以前期研究為基礎,采用室內培養(yǎng)方法,模擬凍融循環(huán)過程,深入探究氣候變化背景下川西亞高山凍融環(huán)境下植物殘體養(yǎng)分的輸入對土壤腐殖化程度的影響,以期為氣候變化情況下川西亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)植物殘體與土壤有機質積累間的相互作用提供基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于四川省西部,綿陽市平武縣王朗國家級自然保護區(qū)(32°49′—33°02′ N, 103°55′—104°10′ E),海拔2300—4980 m,地處青藏高原—四川盆地的過渡地帶,氣候屬于丹巴—松潘半濕潤氣候。受季風的影響,該地區(qū)干濕季節(jié)差異明顯,年降水量801—825 mm,主要集中在5—8月。年平均溫度為1.5—2.9℃,7月平均為12.7℃,1月平均為6.1℃,土壤季節(jié)性凍融期長達5—6個月。研究區(qū)域內優(yōu)勢喬木為岷江冷杉(Abiesfaxoniana)、川西云杉(Picealikiangensis)、白樺(Betulaplatyphylla)、紅樺(Betulaalbosinensis)等,優(yōu)勢灌木為康定柳(Salixparaplesia)、高山杜鵑(Rhododendronlapponicum)等,土壤為棕壤和暗棕壤。

1.2 樣品采集與處理

2017年5月10日,在王朗國家級自然保護區(qū)的針葉林、針闊混交林以及闊葉林內分別選取3個坡向、坡度相似的樣地,在每個樣地內多點采集去除凋落葉、苔蘚等地被物的0—10 cm土壤混合均勻,將樣品帶回實驗室,剔除根系和雜質,過2 mm篩,并取一部分樣品用于測定理化性質(表1)。同時對應收集各樣地的凋落葉,風干備用,同時測定凋落葉理化性質(表2)。

表1三種森林類型土壤初始組分含量(平均值±標準偏差,n=3)

Table1Initialconcentrationsoforganiccarbon(OC),totalnitrogen(TN),totalphosphorus(TP),bulkdensity,C/NandC/Pofthreeforestsoiltypes(mean±SD,n=3)

森林類型Forest type有機碳Organic carbon/(g/kg)全氮Total nitrogen/(g/kg)全磷Total phosphorus/(g/kg)容重Bulk density/(g/cm3)C/NC/P針葉林Coniferous forest57.77±2.63b3.88±0.16a1.18±0.04a0.74±0.11a14.92±1.23c48.96±3.70a針闊混交林Coniferous-broadleaf forest36.25±3.95c1.75±0.07b0.96±0.01b0.79±0.13a20.82±2.69a37.78±4.00c闊葉林Broadleaf forest62.89±1.63a3.96±0.08a1.35±0.01a0.93±0.15a15.87±0.23b46.75±1.61b

同列不同小寫字母表示各物種之間差異顯著(P<0.05)

1.3 室內培養(yǎng)

每樣地各稱取250 g過篩新鮮土樣,置于350 mL培養(yǎng)罐中。為了不受水分條件的限制,土壤的含水量統(tǒng)一調節(jié)為60%田間持水量。為了解凋落葉對土壤腐殖化程度的影響,每一類型土壤設置去除凋落葉和添加凋落葉的不同處理。凋落葉添加量依據(jù)課題組前期對該地區(qū)各森林類型凋落葉年凋落量的調查研究[19- 20],計算該地區(qū)單位面積上的實際凋落葉凋落量,并根據(jù)培養(yǎng)罐的橫截面積來確定凋落葉的添加量,添加的凋落葉量即為實際凋落量,分別為針葉林土壤添加凋落葉1.63 g,針闊混交林土壤添加凋落葉1.24 g,闊葉林土壤添加凋落葉0.86 g?；谇捌赪u等人的觀測數(shù)據(jù)和溫度動態(tài)特征[21],設置凍融循環(huán)、完全不凍結以及完全凍結3個溫度處理。凍融循環(huán)處理為-5℃培養(yǎng)12 h,5℃培養(yǎng)12 h;完全不凍結和完全凍結處理分別為5℃和-5℃恒溫培養(yǎng)。將不同樣地內的去除以及添加凋落葉土壤分別培養(yǎng)于不同的溫度條件下,同時用保鮮膜封住培養(yǎng)罐口防止其他雜質的輸入,并在保鮮膜上扎多個小孔,保持培養(yǎng)罐內外空氣流通。并分別在培養(yǎng)的第0、5、10、20、40、80天取出培養(yǎng)罐測定相關指標。為了避免取樣對培養(yǎng)罐內環(huán)境的破壞,每次取出的培養(yǎng)罐不再放回繼續(xù)培養(yǎng)。每個處理設置3個重復,共計324個培養(yǎng)罐。

1.4 指標測定

取樣時,首先將土壤表面的凋落葉完整取出,再將培養(yǎng)罐中的土壤全部取出,風干、粉碎后過0.25 mm篩。稱取風干樣品0.500 g置于150 mL錐形瓶,加入0.1 mol/L NaOH+0.1 mol/L Na4P2O7·10 H2O混合提取液100 mL,加塞振蕩10 min,沸水浴1 h,待冷卻后過濾,再過0.45 μm濾膜,濾液即為浸提液[22]。使用紫外可見光譜分析儀(TU- 1901, Puxi, Beijing, China)測定其吸光度,并計算色調系數(shù)(ΔlogK)、光密度值(E4/E6)。使用TOC (multi N/C 2100, Analytic Jena, Thüringen, Germany)測定浸提液中有機碳含量,計算A600/C。

表2三種類型凋落葉初始組分含量(平均值±標準偏差,n=3)

Table2Initialconcentrationsoforganiccarbon(OC),totalnitrogen(TN),totalphosphorus(TP),bulkdensity,C/NandC/Pofthreelittertypes(mean±SD,n=3)

凋落葉類型Litter type有機碳Organic carbon/(g/kg)全氮Total nitrogen/(g/kg)全磷Total phosphorus/(g/kg)C/NC/P針葉林凋落葉Needle litter348.00±6.10a2.23±0.03c0.76±0.02c155.79±5.03a456.76±14.37a混交林凋落葉Mixed leaf litter342.86±14.35a3.19±0.14b1.13±0.11b107.83±7.49b306.53±23.36b闊葉林凋落葉Broad-leaf litter452.25±19.01a4.37±0.04a1.47±0.02a103.49±5.12c307.57±10.41b

同列不同小寫字母表示各物種之間差異顯著(P<0.05)

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

色調系數(shù)(ΔlogK)、光密度值(E4/E6)以及A600/C的計算方法如下[23]：

ΔlogK=log(A400/A600)

E4/E6=A465/A665

式中,A400、A600、A465、A665分別表示在400、600、465、665 nm處的吸光度,A600/C中C表示每1 mL浸提液中含有多少mg有機碳量。

數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0 (IBM SPSS Statistics, Chicago, IL, USA)進行方差分析、相關分析,用Origin Pro 9.0 (OriginLab, Northampton, MA, USA)繪圖。用最小顯著差異法(Least significant difference, LSD)檢驗添加凋落葉對不同培養(yǎng)環(huán)境的不同林型土壤的ΔlogK、E4/E6和A600/C值的差異顯著性;用多因素方差分析(Multi-way ANOVA)檢驗不同林型土壤在不同的凍融環(huán)境下添加凋落葉對土壤ΔlogK、E4/E6和A600/C值的影響。顯著性水平設為P=0.05。

2 結果與分析

2.1 ΔlogK

在凍融循環(huán)環(huán)境下培養(yǎng)80 d后,添加凋落葉顯著影響了3種林型土壤的ΔlogK值(P<0.01,表3)。其中,相對于完全不凍結環(huán)境,凍融循環(huán)和凍結環(huán)境下添加凋落葉增加了針葉林土壤ΔlogK值,且凍結環(huán)境下ΔlogK值的增加趨勢更加顯著(圖1);凍融循環(huán)環(huán)境下添加凋落葉80 d后,針闊混交林土壤的ΔlogK值顯著增加,但不凍結以及凍結環(huán)境條件下并無顯著變化。與針葉林以及混交林土壤不同,在凍融循環(huán)以及凍結環(huán)境下培養(yǎng)80 d后,添加凋落葉降低了闊葉林土壤的ΔlogK值,且在凍結環(huán)境下培養(yǎng)的闊葉林土壤ΔlogK值的下降趨勢更加顯著(圖1)。在培養(yǎng)的第5天和第10天,添加凋落葉對3種林型土壤ΔlogK值的影響均為極顯著(P<0.01,表3),同時由圖1可知,在培養(yǎng)的第5—10天,不同培養(yǎng)環(huán)境下的土壤ΔlogK值出現(xiàn)下降趨勢,而添加凋落葉則使得這一變化趨勢提前到培養(yǎng)的第0—5天。

表3凍融循環(huán)、凋落葉處理、林型對土壤ΔlogK、E4/E6以及A600/C值的三因素方差分析

Table3Three-factoranalysisofvariancefortheeffectofenvironment,litteradditiondifferentsoiltypesandtheirinteractionsonΔlogK、E4/E6andA600/Cvalue

光學特性Optical characteristic因子Factor第0天Day 0第5天Day 5第10天Day 10第20天Day 20第40天Day 40第80天Day 80ΔlogK凍融循環(huán)0.001.990.480.853.473?1.93凋落葉添加0.0010.80??8.56??0.511.700.94林型2.5712.07??33.77??94.15??191.06??40.45??凍融循環(huán)×凋落葉添加0.000.921.070.662.310.05凍融循環(huán)×林型0.002.550.750.140.939.66??凋落葉添加×林型0.002.240.211.441.2228.12??凍融循環(huán)×凋落葉添加×林型0.002.020.201.261.8416.5??E4/E6凍融循環(huán)0.000.241.170.391.201.86凋落葉添加0.009.32??6.25?0.381.720.40林型0.134.49?13.48??17.53??49.53??7.74??凍融循環(huán)×凋落葉添加0.000.131.790.210.450.60凍融循環(huán)×林型0.000.391.130.020.431.42凋落葉添加×林型0.000.791.311.041.539.70??凍融循環(huán)×凋落葉添加×林型0.000.580.470.671.226.76??A600/C凍融循環(huán)0.001.840.940.622.022.83凋落葉添加0.0010.58??8.18??1.256.90?0.10林型5.94??4.94?16.75??41.67??12.28??8.01??凍融循環(huán)×凋落葉添加0.000.570.750.702.112.08凍融循環(huán)×林型0.001.732.77?3.75?2.71?2.20凋落葉添加×林型0.003.161.040.141.4410.09??凍融循環(huán)×凋落葉添加×林型0.002.99?0.662.110.848.08??

*,P<0.05, **,P<0.01.n=54

2.2 E4/E6

與ΔlogK值相同,在凍融循環(huán)環(huán)境下培養(yǎng)80 d后,添加凋落葉對3種林型土壤的E4/E6值均有極顯著的影響(P<0.01,表3)。相對于完全不凍結環(huán)境,凍融循環(huán)以及凍結環(huán)境下添加凋落葉培養(yǎng)80 d后,顯著增加了針葉林土壤的E4/E6值,且凍結環(huán)境下E4/E6值的增加趨勢更加顯著(表3);相對于完全不凍結和凍結環(huán)境,凍融循環(huán)環(huán)境下添加凋落葉使得針闊混交林土壤E4/E6值上升;不同于針葉林和針闊混交林土壤,凍融循環(huán)環(huán)境下添加凋落葉培養(yǎng)80 d后,闊葉林土壤E4/E6值降低(表2)。與ΔlogK值相同,在培養(yǎng)的第5天和第10天,添加凋落葉對土壤的E4/E6產(chǎn)生極顯著(P<0.01,表3)或顯著(P<0.05,表3)影響,同時由圖2可知,培養(yǎng)的第5—10天,不同培養(yǎng)環(huán)境下的土壤E4/E6值出現(xiàn)下降趨勢,而添加凋落葉則使得土壤E4/E6值下降趨勢提前。

圖1 不同凍融環(huán)境下添加/去除凋落葉的三種林型土壤ΔlogK值Fig.1 ΔlogK values of three kinds of forest soil with litter added/removed with different environments不同小寫字母表示土壤腐殖化程度在添加/去除凋落葉處理之間的差異顯著(P<0.05); 圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準偏差(n=3)

2.3 A600/C

不同的凍融環(huán)境、是否添加凋落葉對3種林型土壤的A600/C值有顯著(P<0.01,表3)或極顯著影響(P<0.01,表3)。對于針葉林土壤,相對于不凍結和凍結環(huán)境,在凍融循環(huán)環(huán)境下培養(yǎng)的第40—80天,添加凋落葉抑制了土壤A600/C值的下降,使得添加凋落葉的針葉林土壤A600/C值仍保持較高的水平。相對于不凍結和凍結環(huán)境,在凍融循環(huán)環(huán)境下培養(yǎng)80 d后的添加凋落葉混交林土壤600/C值顯著下降。對于完全不凍結環(huán)境,添加凋落葉的闊葉林土壤在凍融循環(huán)以及凍結環(huán)境下培養(yǎng)40 d后,其A600/C值顯著上升,且在凍結環(huán)境下培養(yǎng)的闊葉林土壤A600/C值的上升趨勢更加顯著。在培養(yǎng)的第5天和第10天,添加凋落葉對土壤的A600/C值有顯著影響(P<0.01,表3),土壤A600/C值在培養(yǎng)的第5—10天出現(xiàn)上升趨勢,且添加凋落葉使得土壤A600/C值的上升趨勢提前。

圖2 不同凍融環(huán)境下添加/去除凋落葉的三種林型土壤E4/E6值Fig.2 E4/E6 values of three kinds of forest soil with litter added/removed with different environments不同小寫字母表示土壤腐殖化程度在添加/去除凋落葉處理之間的差異顯著(P<0.05)。圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準偏差(n=3)

3 討論與結論

腐殖物質的光密度值在一定程度上反映了其分子的復雜程度[23],即ΔlogK越低,說明腐殖質中芳香核原子團越多,脂肪側鍵越少,其分子結構越復雜[9,24],從而間接表明土壤的腐殖化程度越高[2, 25],同時,ΔlogK值與E4/E6值正相關,而與A600/C值呈負相關關系[26]。本研究結果表明,即使在頻繁的凍融循環(huán)環(huán)境下,土壤的腐殖化過程一直處于動態(tài)的變化中,但不同林型的土壤之間存在顯著的差異。凍融循環(huán)前期,添加凋落葉促進了3種林型土壤腐殖質的積累和快速的腐殖化。凍融循環(huán)后期,添加凋落葉對闊葉林土壤的腐殖化有促進作用,而對針葉林以及針闊混交林土壤的腐殖化過程有抑制作用。

培養(yǎng)初期,受凋落葉中碳源輸入的影響,添加凋落葉提高土壤的腐殖化程度。去除凋落葉土壤的ΔlogK和E4/E6值在培養(yǎng)第5—10天下降,A600/C值上升,說明在這期間土壤的腐殖化程度提高。而添加凋落葉使得土壤的腐殖化程度在培養(yǎng)第0—5天便開始提高。這表明在培養(yǎng)初期,凋落葉中的糖類、淀粉等易分解物質的快速分解[27],為土壤中的微生物提供了大量的養(yǎng)分,使得微生物的活性增加,同時凋落葉的添加也使得土壤中的微生物群落結構變得更加豐富[28],而腐殖物質的形成主要依靠的就是微生物的聚合作用[27],所以微生物合成腐殖質的能力增強。這也說明即使頻繁的凍融循環(huán)也并沒有抑制微生物的活性,與Morley和Schadt等的研究結果一致[29-30]。凋落葉中易分解的有機物質在5 d內分解完成,隨著易分解組分的消耗殆盡,而難分解物質又分解緩慢,土壤中腐殖物質的合成速率開始小于其分解速率,土壤的腐殖化程度開始降低并趨于穩(wěn)定。

圖3 不同凍融環(huán)境下添加/去除凋落葉的三種林型土壤A600/C值Fig.3 A600/C values of three kinds of forest soil with litter added/removed with different environments不同小寫字母表示土壤腐殖化程度在添加/去除凋落葉處理之間的差異顯著(P<0.05);圖中數(shù)據(jù)為平均值±標準偏差(n=3)

隨著培養(yǎng)時間的延長,同時在頻繁的凍融循環(huán)以及強烈的凍結作用下,凋落葉中木質素等難分解物質的結構被破壞[31-32],可分解性提高[33],凋落葉在培養(yǎng)后期對土壤的腐殖化程度產(chǎn)生顯著影響。通過對3種林型土壤ΔlogK、E4/E6以及A600/C值的分析,結果表明,凍融循環(huán)處理80 d后,添加凋落葉使得闊葉林土壤腐殖化程度增加,而針葉林和混交林土壤腐殖化程度降低,這說明不同種類的凋落葉會對土壤的腐殖化程度產(chǎn)生不同的影響。針葉林以及針闊混交林土壤腐殖化程度降低,一方面是由于其添加的凋落葉中C/N含量較高,全N含量較低(表2),木質素含量更多,導致分解速度較闊葉樹種凋落葉慢;同時針葉樹種凋落葉中萜類物質和酚類物質含量較高,易形成酸性腐殖質[34],不利于土壤生物群落的生長和繁衍,從而抑制土壤的腐殖化過程;另一方面,頻繁的凍融循環(huán)可能破壞前期新形成的不穩(wěn)定的腐殖質結構[10],最終導致針葉林和針闊混交林土壤腐殖化程度的降低。與針葉樹種凋落葉不同,闊葉樹種凋落葉中的N含量最高,C/N最低,所以闊葉樹種凋落葉的分解速度更快[34],轉化為土壤腐殖質的過程更強烈,所以凍融循環(huán)環(huán)境下添加凋落葉的闊葉林土壤在培養(yǎng)末期有較去除凋落葉土壤更高的腐殖化程度。同時,用Ikeya所改良的kumada分類方法對闊葉林土壤腐殖質進行分類[26],我們發(fā)現(xiàn),雖然闊葉林土壤的腐殖化程度增加,但其腐殖質類型均為較年輕的Rp型(圖4),說明凍融循環(huán)能將土壤中的腐殖質大團聚體破碎成小團聚體[35],更有利于改善腐殖質質量,提高土壤肥力。本研究還發(fā)現(xiàn),相對于凍融循環(huán)環(huán)境,添加凋落葉對完全凍結環(huán)境下培養(yǎng)的土壤的腐殖化程度的影響更加顯著。這可能是由于不同的微生物群落對凍融循環(huán)以及凍結條件的響應機制存在很大的差異,這種差異也可能是亞高山森林生態(tài)系統(tǒng)維持的重要機制,有待更進一步的研究。

圖4 三種林型土壤在凍融循環(huán)環(huán)境下新形成腐殖質的類型Fig.4 The types of accumulative humic substances in three kinds of forest during freeze-thaw cycles based on a modified Kumada classification

綜上所述,在頻繁的凍融循環(huán)環(huán)境下,添加凋落葉在初期能促進土壤的腐殖化,增強土壤的肥力。隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,不同林型凋落葉對土壤腐殖化程度的影響存在顯著差異,其中,闊葉樹種凋落葉增加了土壤的腐殖化程度,而針葉樹種凋落葉則抑制了土壤的腐殖化。同時,凍融循環(huán)能一定程度上能改善土壤腐殖質的質量,提高土壤腐殖化程度?？傊?土壤的腐殖化程度受到凋落葉添加以及環(huán)境因素的調控,不同環(huán)境條件下不同的凋落葉類型對土壤的腐殖化程度有不同的影響。這些結果為深入研究季節(jié)性凍融環(huán)境下,亞高山森林植物殘體與土壤有機質積累的關系提供了一定的基礎數(shù)據(jù)。