來源地緯度和分解者類群對中國東部濱海濕地蘆葦葉凋落物分解速率的影響

劉子夏，張有政，吳紀華

(復(fù)旦大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 生物多樣性和生態(tài)工程教育部重點實驗室，上海 200438)

植物凋落物是全球陸地碳庫的重要組成部分，其總量高達300PgC[1-2]，約占全球陸地表層總碳儲量的1/7[3].植物凋落物通過分解將土壤表層碳轉(zhuǎn)移到大氣碳庫中，是全球陸地碳通量的主要來源[4]，每年產(chǎn)生的碳通量近58PgC，約占全球陸地總碳通量的一半[2,5]，因此植物凋落物分解速率的變化會直接導(dǎo)致土壤和大氣碳庫的變化.鹽沼是陸地上碳沉積速率最快、固碳能力最強的生態(tài)系統(tǒng)之一[6]，鹽沼生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳庫對于鹽沼植物凋落物分解速率變化的響應(yīng)比其他陸地生態(tài)系統(tǒng)更加敏感.因此，研究鹽沼植物凋落物的分解作用對了解鹽沼生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程有著重要的作用.

植物凋落物分解速率的變化受到諸多因素的調(diào)控.已有的研究報道發(fā)現(xiàn)，氣候、凋落物質(zhì)量和分解者類群均對凋落物分解速率有重要影響，這些影響因素在不同植物種類和實驗環(huán)境下影響的顯著性和程度不同，各個影響因素之間是否有交互作用也存在爭議.早期的研究提出凋落物分解速率同時受到氣候和凋落物質(zhì)量的影響[7-8]，這一結(jié)論在大量相關(guān)研究中被印證.如Berg等對歐洲和美國東部針葉林凋落物分解速率的影響因素進行了研究，發(fā)現(xiàn)分解地年實際蒸騰量對凋落物分解速率的總方差解釋率達到49.6%，同時凋落物中氮、磷和水溶性物質(zhì)的含量對同一分解地的凋落物分解速率方差解釋率大于90%[9].Zhou等對全國12個地區(qū)的植物凋落物進行原位分解實驗，發(fā)現(xiàn)植物凋落物分解速率受氣溫、降雨量、凋落物碳氮比和氮磷比的調(diào)控[10].而在Irons等的研究中則發(fā)現(xiàn)美國阿拉斯加和密歇根地區(qū)的木本植物葉凋落物分解速率無顯著差異，因此認為氣溫這一氣候因素在高緯度地區(qū)并不是影響凋落物分解速率的主要因素,而不同地區(qū)的分解者可能對凋落物分解速率有重要貢獻[11].分解者作為凋落物分解過程的直接參與者，同時也受到諸多環(huán)境因素的控制，Garcia-Palacios等通過整合分析包含熱帶雨林、落葉林、農(nóng)田、干旱或寒冷地區(qū)以及草甸生態(tài)系統(tǒng)的440個植物凋落物分解實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤動物作為分解者對于凋落物分解速率的影響在全球和地區(qū)研究尺度上均顯著，在土壤動物存在的條件下分解速率平均提高27%；但土壤動物對于凋落物分解速率的影響程度受氣候和凋落物質(zhì)量共同調(diào)控，且在不同生態(tài)系統(tǒng)中調(diào)控程度不同[12].

緯度梯度格局是生態(tài)學(xué)研究的重要議題之一，它綜合反映了溫度、降水和光照等因子在緯度上的梯度變化.已有研究表明新鮮植物葉片的質(zhì)量在不同緯度和生長條件下存在差異，在針對全球新鮮植物葉片質(zhì)量的研究中，發(fā)現(xiàn)全球尺度下植物葉片中氮、磷和氮磷比均與氣溫呈正相關(guān)關(guān)系，與緯度呈負相關(guān)關(guān)系[13].而植物新鮮葉片質(zhì)量差異所導(dǎo)致的葉片凋落物質(zhì)量的差異對于植物凋落物分解速率存在潛在的影響，同時也可能會進一步與分解者產(chǎn)生交互作用從而影響凋落物分解速率.在森林和草甸生態(tài)系統(tǒng)中，緯度梯度會導(dǎo)致植物凋落物可分解性的差異，進而形成區(qū)域碳動態(tài)的緯度差異格局[14].目前在鹽沼生態(tài)系統(tǒng)中對于植物凋落物分解速率的跨區(qū)域尺度研究較少，涉及鹽沼植物凋落物可分解性緯度格局的研究未見報道，由來源地緯度導(dǎo)致的凋落物可分解性差異與分解者類群對凋落物分解速率的影響是否存在交互效應(yīng)也尚不清楚.

蘆葦(Phragmitesaustralis)作為全球鹽沼生態(tài)系統(tǒng)的廣布種，在我國鹽沼生態(tài)系統(tǒng)中大量分布.在蘆葦占優(yōu)的鹽沼生態(tài)系統(tǒng)中，蘆葦?shù)蚵湮锓纸獾乃俾什町愔苯訉?dǎo)致了生態(tài)系統(tǒng)碳庫的變化.本研究以來自中國沿海9個鹽沼生態(tài)系統(tǒng)的蘆葦葉凋落物為研究對象，在上海長江口濕地進行同質(zhì)園凋落物分解實驗，試圖探究： (1) 中國鹽沼生態(tài)系統(tǒng)中蘆葦葉凋落物可分解性的緯度格局；(2) 分解者類群、來源地緯度及兩者交互效應(yīng)對蘆葦葉凋落物分解速率的影響.

1 材料與方法

圖1 樣品采集地及同質(zhì)園實驗樣地空間分布圖Fig.1 Map of sample collection sites and common garden experiment site

1.1 樣品的采集和處理

本實驗于2015年8—11月份采集了中國東部沿海9個地區(qū)的鹽沼蘆葦葉凋落物，南至珠海北至營口(圖1).在每個地區(qū)，間隔1km以上進行5組重復(fù)采樣(每組選取5m×5m的樣方，在里面隨機收取5個1m×1m的小樣方葉凋落物，然后混合)，共計獲得45組蘆葦葉凋落物樣品.凋落物樣品選取依據(jù)參考廖成章等[15]的方法，選取顏色鮮黃、韌性強、莖稈上有枯葉相連的新葉凋落物，分裝后帶回實驗室清洗去除葉凋落物表面的污泥后放入60℃烘箱中烘干至恒重.

對45組葉凋落物樣品分別測定物理指標： 葉厚度、葉韌性、比葉面積(葉面積/葉質(zhì)量)和化學(xué)指標： 碳、氮、磷、鉀、鈣、鎂、單寧、木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、總營養(yǎng)元素含量、總酚含量，其中化學(xué)指標參考國家標準、農(nóng)業(yè)標準和ISO國際標準方法(NY/T 2017—2011、GB/T 35818—2018、ISO 14502—1： 2005).

表1 凋落物袋孔徑對應(yīng)的分解者類群

洗凈烘干的45組葉凋落物樣品被分裝到5mm、2mm、0.1mm孔徑的3種凋落物袋中，凋落物袋孔徑的選擇參考了Bradford等對凋落物袋孔徑和土壤動物類群的對應(yīng)關(guān)系(見表1)的描述[16].每個凋落物袋中稱取(15±0.5) g葉凋落物樣品，每組葉凋落物×凋落物袋孔徑組合重復(fù)3次，共計獲得3份135個凋落物袋實驗單元共計405個.對每個凋落物袋單元進行標記并記錄下分解前的凋落物凈重量.

1.2 凋落物同質(zhì)園分解實驗

同質(zhì)園實驗樣地位于上海市長江口北湖區(qū)域(東經(jīng)121.65°,北緯31.68°，圖1)，該區(qū)域為以蘆葦為優(yōu)勢種的自然鹽沼生態(tài)系統(tǒng)，受到人為擾動極少.在同質(zhì)園實驗樣地中設(shè)置3個實驗重復(fù)樣點，每個樣點之間間隔超過1km以避免假重復(fù)現(xiàn)象.3個樣點的土壤本底信息見表2.

表2 分解實驗樣點土壤理化信息

于2017年8月4日將3份凋落物袋實驗單元分別埋入3個樣點的10cm深土層中(凋落物袋埋藏法，參考TBI標準[17])，同樣點內(nèi)的凋落物袋實驗單元隨機排布，蓋上土后待其自然分解.3個月后，于2017年11月3日將凋落物袋實驗單元挖出后分別裝袋帶回.將凋落物袋單元放在150目(0.1mm孔徑)的網(wǎng)篩中進行清洗，洗去污泥并同時挑除進入凋落物袋中的植物根系.清洗后放入60℃烘箱中烘干至恒重，稱重記錄下分解后的凋落物凈重量.

1.3 計算與分析

在本研究中，我們使用Olson負指數(shù)衰減模型[18]計算凋落物分解速率常數(shù)k，這一方法廣泛使用于凋落物分解速率研究用于比較分解速率的快慢，k值越大代表分解速率越快，其計算公式為：

其中：k為分解速率常數(shù)(a-1)，M0為分解前的凋落物質(zhì)量，Mt為分解后的凋落物剩余質(zhì)量，t為分解時間(以年為單位).

在實驗過程中有21個樣本丟失或凋落物袋破損嚴重，因此使用平均值法插入該組處理(45種凋落物×3種凋落物袋孔徑組合相同的為一組)的平均值來代替缺失的數(shù)據(jù).

使用Bartlett方差齊性檢驗(Bartlett test)檢查確定樣本滿足方差分析要求，使用二元方差分析(2way-ANOVA)比較不同來源地和不同凋落物袋孔徑對凋落物分解速率的影響，并且使用Tukey事后檢驗(TukeyHSD test)比較各處理組之間的凋落物分解速率差異顯著性，以95%置信區(qū)間是否重合作為檢驗標準.凋落物可分解性緯度格局和凋落物質(zhì)量指標緯度格局使用線性回歸(linear regression)進行擬合，用于分別檢驗凋落物可分解性和凋落物質(zhì)量指標與凋落物來源地緯度的相關(guān)性.為了在同一量綱水平上比較凋落物質(zhì)量指標，使用標準分計算法轉(zhuǎn)換得出對應(yīng)的凋落物質(zhì)量指標相對值，其計算公式為：

本實驗通過凋落物袋孔徑來控制凋落物所暴露的分解者類群，但由于凋落物袋孔徑由小至大其所暴露的分解者類群是依次疊加的，因此如果要比較每個分解者類群對凋落物分解的貢獻率則需要進行額外的計算，其計算公式為：

其中：k0.1、k2、k5分別代表凋落物袋孔徑為0.1mm、2mm和5mm條件下的凋落物分解速率常數(shù)k的均值，E2、E5分別代表中型和大型土壤動物對凋落物分解的凈貢獻率.

本研究中的統(tǒng)計分析、圖表繪制均使用R語言版本3.4.3(R Core Team 2017)進行,其中方差分析使用基礎(chǔ)函數(shù)庫中aov函數(shù)，Tukey事后檢驗使用基礎(chǔ)函數(shù)庫中TukeyHSD函數(shù)，線性回歸模型使用基礎(chǔ)函數(shù)庫中l(wèi)m函數(shù).圖表繪制使用擴展包： agricolae、ggplot2、ggpmisc、maptools、multcomp.

2 結(jié) 果

2.1 蘆葦葉凋落物的分解速率與其來源地緯度的關(guān)系

不同來源地的蘆葦葉凋落物分解速率存在顯著差異(表3).由來源地不同所導(dǎo)致的蘆葦葉凋落物分解速率差異的均方為15.872，占蘆葦?shù)蚵湮锓纸馑俾士傮w方差的72.16%，說明蘆葦葉凋落物的來源地是導(dǎo)致分解速率差異的主要因素.由蘆葦葉凋落物分解速率與來源地緯度的線性回歸(圖2)結(jié)果可知： 蘆葦葉凋落物在3種凋落物袋孔徑下的分解速率均與來源地緯度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，即來源地緯度越高的蘆葦葉凋落物分解速率越快.

表3 蘆葦葉凋落物來源地和凋落物袋孔徑對其分解速率的影響

圖2 不同凋落物袋孔徑下蘆葦葉凋落物分解速率與來源地緯度的關(guān)系Fig.2 Relationship between decomposition rate of Phragmites australis leaf litter and latitude of source area under different mesh sizes of litter bag

2.2 蘆葦葉凋落物分解速率與其所暴露的分解者類群的關(guān)系

不同凋落物袋孔徑下的蘆葦葉凋落物分解速率存在顯著差異，且與凋落物來源地緯度無顯著交互作用(表3).由凋落物袋孔徑不同所導(dǎo)致的蘆葦葉凋落物分解速率差異的均方為4.85，占蘆葦?shù)蚵湮锓纸馑俾士傮w方差的22%，說明分解者類群也是蘆葦葉凋落物分解速率的影響因素，但其影響程度相比凋落物來源地而言較低.在凋落物孔徑為0.1mm、2mm、5mm的條件下，蘆葦葉凋落物分解速率與其來源地緯度的線性回歸(圖2)方程截距分別為0.6118、0.1843、0.3585，表明小型土壤動物及微生物對蘆葦葉凋落物分解速率的貢獻最大，而中型土壤動物對凋落物分解速率存在負效應(yīng).從分解速率均值中型和大型土壤動物對凋落物分解速率的貢獻率(表4，見第682頁)可以看出，中型土壤動物對于幾乎所有來源地(除連云港外)的蘆葦葉凋落物分解速率的貢獻均為負，且對于來源地為鹽城和東營兩地的蘆葦葉凋落物分解速率有顯著的負效應(yīng)；大型土壤動物對蘆葦葉凋落物分解速率的貢獻正負不一，僅對來源地為福州的蘆葦葉凋落物分解速率有顯著的負效應(yīng).

表4 不同分解者類群對蘆葦葉凋落物分解的影響及貢獻率

注： 下劃線代表效應(yīng)顯著(基于TukeyHSD檢驗)

2.3 蘆葦葉凋落物質(zhì)量指標與來源地緯度的相關(guān)關(guān)系

不同來源地的蘆葦葉凋落物質(zhì)量存在差異.分析蘆葦葉凋落物質(zhì)量指標與其來源地緯度的線性回歸結(jié)果見表5.由表5可以看出，所測蘆葦葉凋落物質(zhì)量指標中除酚磷比、葉韌性與來源地緯度的相關(guān)回歸不顯著外，其他葉凋落物質(zhì)量指標均與其來源地緯度呈顯著線性相關(guān).其中緯度差異對凋落物質(zhì)量差異解釋率大于30%(即R2>30%)的凋落物質(zhì)量指標有碳、氮、鈣、總營養(yǎng)元素、總酚、纖維素含量，碳氮比、氮磷比、單寧氮比、纖維素氮比以及葉厚度，共計11個凋落物質(zhì)量指標.

表5 蘆葦葉凋落物質(zhì)量指標與其來源地緯度的線性回歸

3 討 論

3.1 蘆葦葉凋落物可分解性的緯度格局與其凋落物質(zhì)量指標間的關(guān)系

植物凋落物的可分解性(plant litter decomposability)是衡量不同的植物凋落物樣品在相同的分解條件下的分解速率快慢的相對指標，也是植物凋落物質(zhì)量對分解速率影響的體現(xiàn)[19-20].本研究發(fā)現(xiàn)在相同的凋落物袋孔徑下蘆葦葉凋落物可分解性存在著隨來源地緯度升高而增加的格局，這一格局的成因本質(zhì)上是一系列蘆葦葉凋落物質(zhì)量指標的來源地緯度格局.通過對本實驗中蘆葦葉凋落物分解速率與其質(zhì)量指標進行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)： 蘆葦葉凋落物分解速率與葉凋落物的氮、總營養(yǎng)元素、鈣、鉀、鎂、鈉、磷含量以及葉韌性、葉厚度等凋落物質(zhì)量指標呈正相關(guān)，與葉凋落物的碳、單寧、木質(zhì)素、總酚、纖維素、半纖維素含量和碳氮比、碳磷比、氮磷比以及比葉面積等凋落物質(zhì)量指標呈負相關(guān)(篩選出線性回歸分析中P<0.05且R2>20%的凋落物質(zhì)量指標繪制圖3).

圖3 蘆葦葉凋落物分解速率與其質(zhì)量指標相關(guān)關(guān)系Fig.3 Relationship between decomposition rate of Phragmites australis leaf litter and its quality index注： 圖中回歸檢驗的P值均小于0.001

在以往的研究結(jié)論中，凋落物的可分解性與凋落物中難分解組分含量呈負相關(guān)，與凋落物中易分解組分含量呈正相關(guān).如Pérez-Harguindeguy等在對阿根廷木本植物葉凋落物分解速率的研究中發(fā)現(xiàn)： 葉凋落物分解速率與其氮含量呈正相關(guān)，與葉凋落物中碳含量、碳氮比呈負相關(guān)[21].Vaieretti等的研究結(jié)果同樣支持了上述結(jié)論，同時還發(fā)現(xiàn)葉凋落物分解速率與木質(zhì)素-纖維素-半纖維度指數(shù)(Lignin-Cellulose-Hemicellulose Index/LCH Index)呈負相關(guān)[22].本研究結(jié)果驗證了上述結(jié)論： 半纖維素作為難分解組分，其在蘆葦葉凋落物中的含量與蘆葦葉凋落物分解速率呈極顯著負相關(guān)，且方差解釋率達到40%，說明蘆葦葉凋落物中半纖維素是其分解速率的重要控制因素.

除了凋落物中難、易分解組分占比對凋落物分解速率有顯著影響外，凋落物的營養(yǎng)組分和離子含量以及物理特性對凋落物分解速率也有顯著影響.Trofymow等在研究加拿大18個森林生態(tài)系統(tǒng)的葉凋落物分解速率時，將氮、磷、硫、鉀、鈣、鎂作為凋落物特性指標進行模型擬合，發(fā)現(xiàn)用凋落物的氮、磷、鈣含量可以很好的解釋凋落物分解速率的差異[23].Zhang等分析了70篇研究論文中110個區(qū)域的凋落物質(zhì)量分解速率數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，凋落物分解速率與其磷、鉀、鈣、鎂含量呈正相關(guān)[24].本研究也發(fā)現(xiàn)，蘆葦葉凋落物的鈣、鎂、鈉等金屬離子以及磷和總營養(yǎng)元素含量與蘆葦葉凋落物分解速率呈極顯著負相關(guān)，且方差解釋率均在20%以上.另外蘆葦葉凋落物中碳、單寧、總酚和纖維素與磷的比值與蘆葦葉凋落物分解速率呈顯著負相關(guān).表明金屬離子和營養(yǎng)元素對蘆葦葉凋落物分解速率也有重要影響.

有研究表明凋落物的物理特性與凋落物分解速率也存在相關(guān)關(guān)系.Zukswert等發(fā)現(xiàn)凋落物分解速率與比葉面積呈正相關(guān)與葉厚度呈負相關(guān)[25]，Pérez-Harguindeguy等的結(jié)果中同樣也提到了凋落物分解速率與葉韌性呈負相關(guān)[21].但本研究中蘆葦葉凋落物的物理質(zhì)量指標與凋落物分解速率的相關(guān)關(guān)系與上述結(jié)論相反： 蘆葦葉凋落物的葉韌性越強分解越快、比葉面積越大分解越慢.單獨分析葉凋落物物理質(zhì)量指標與分解速率的關(guān)系，上述結(jié)果無法找到合理的解釋，但是由于凋落物質(zhì)量指標之間存在共線性，因此蘆葦葉凋落物物理質(zhì)量對凋落物分解速率的影響可能被化學(xué)質(zhì)量指標所掩蓋，從而導(dǎo)致出現(xiàn)于預(yù)期相反的結(jié)果.

3.2 分解者類群對凋落物分解速率的影響

目前關(guān)于分解者類群對植物凋落物分解速率影響相對重要性的研究結(jié)果存在較大爭議，不同分解者類群對植物凋落物分解速率的影響程度也因生態(tài)系統(tǒng)不同而存在差別.在多數(shù)分解者對凋落物分解速率的影響研究中，大中小型土壤動物和土壤微生物均對凋落物分解速率有顯著影響，即凋落物袋孔徑越大凋落物分解速率越快[16,26-27].但是本實驗結(jié)果表明： 對于來源地為福州、鹽城和東營的凋落物樣品在2mm孔徑凋落物袋中的分解速率顯著低于在0.1mm孔徑的凋落物袋中的樣品，即對應(yīng)的中型土壤動物對凋落物分解速率存在負效應(yīng)，而其他來源地的凋落物在不同凋落物袋孔徑下分解速率無顯著差異(表5).導(dǎo)致這一結(jié)果的原因可能來自于兩個方面： 1. 鹽沼生態(tài)系統(tǒng)中微生物和小型土壤動物在凋落物分解過程中占主導(dǎo)，在Yang等對中國東海岸土壤動物和葉凋落物分解速率的研究中發(fā)現(xiàn)，小型土壤動物對凋落物分解的貢獻是大型土壤動物的6倍[28]；2. 中型土壤動物中食微生物土壤動物的存在抑制了微生物的數(shù)量和活動，在Hanlon等的研究發(fā)現(xiàn)中型土壤動物對微生物的捕食效應(yīng)顯著抑制了微生物的呼吸強度[29].

在凋落物分解研究中使用凋落物袋孔徑控制分解者類群是慣用的方法，最早由Bocock等提出并使用[30]，但是僅通過凋落物袋孔徑控制所暴露的分解者類群存在諸多缺陷.如上文所提到的中型土壤動物對微生物的捕食效應(yīng)，在較大凋落物袋孔徑下，凋落物不僅暴露在了中型、大型土壤動物分解者下，同時微生物、小型土壤動物分解者也暴露在了中型、大型土壤動物捕食者下，導(dǎo)致原有的分解效應(yīng)被抑制.另外即使是大孔徑的凋落物袋也會阻止大型無脊椎動物參與凋落物分解，特別是在鹽沼生態(tài)系統(tǒng)中有重要食碎屑作用的螃蟹等[31].因此要更加準確地揭示不同分解者類群對凋落物分解的貢獻需要使用更加精確的控制手段.Patoine等在實驗中使用滅菌的土壤，通過添加不同的優(yōu)勢土壤動物分解者，包括4種小型節(jié)肢動物和一種環(huán)節(jié)動物進行凋落物分解實驗，比較了暴露在不同分解者類群下的凋落物分解速率[32]，這一方法為研究凋落物分解過程中分解者類群對分解速率的貢獻提供了更精確的途徑.

4 結(jié) 論

蘆葦葉凋落物分解速率受凋落物來源地緯度和分解者類群的共同作用，其中凋落物來源地緯度的影響占主導(dǎo)，二者之間無顯著交互效應(yīng).蘆葦葉凋落物可分解性與緯度呈顯著正相關(guān)關(guān)系，凋落物來源地緯度越高越容易分解，這一格局可以被蘆葦葉凋落物磷、鈣、鈉、鎂、總營養(yǎng)元素、半纖維素的含量和其碳磷比等凋落物質(zhì)量指標的緯度格局很好地解釋.本文首次通過同質(zhì)園實驗得出了我國東部沿?？鐓^(qū)域尺度的蘆葦葉凋落物可分解性緯度格局.這一格局表明，僅通過凈初級生產(chǎn)力、和凋落物碳總量來計算鹽沼生態(tài)系統(tǒng)碳庫及碳通量是不夠的，還需要考慮到不同緯度地區(qū)凋落物易分解的差異可能導(dǎo)致的估算偏差.因此本文的研究結(jié)果為大尺度鹽沼生態(tài)系統(tǒng)碳庫和碳循環(huán)估算提供了新的思路.本研究以同質(zhì)園實驗揭示了來源地不同的蘆葦葉凋落物可分解性差異，但是在實際條件下，蘆葦?shù)蚵湮锸窃诋數(shù)禺a(chǎn)生和分解的，而單一地點實驗沒有考慮分解地環(huán)境導(dǎo)致的凋落物分解速率變化，因此需要進行跨區(qū)域尺度的交互移植實驗探究氣候、分解者和凋落物質(zhì)量共同影響下的凋落物分解速率變化.