分解促進劑對九龍山林下凋落葉分解的影響

馬淑敏，王海霞，辛學兵，裴順祥，郭 慧，法 蕾

(中國林業(yè)科學研究院華北林業(yè)實驗中心，北京102300)

森林凋落物是森林生態(tài)系統(tǒng)的組成部分和森林土壤物質轉換的基礎[1]，森林凋落物分解作為生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動的關鍵過程受到廣泛關注[2].影響森林凋落物分解的因素有很多，主要可歸納為兩方面：一是凋落物本身質量，即其理化性質和養(yǎng)分含量；二是凋落物分解的外在環(huán)境，主要是氣候因子和土壤條件.但從小范圍來看，凋落物質量和土壤中的分解者對分解過程影響較大.大量研究[3]表明，凋落物分解速率與凋落物本身的N含量、C/N、木質素/N，以及土壤中C/N、N含量和外源添加的N量有關.凋落物質量尤其是C/N和木質素/N最能反映凋落物分解的速率[4].凋落物分解前期，主要是N制約凋落物的分解速率，營養(yǎng)物質N的初始含量越高，凋落物的分解速率越大[5]；而外源N輸入對凋落物分解的影響則不同，具有促進或抑制作用[6]，或沒有明顯作用[7].外源N添加對凋落物分解的作用及影響與很多因素有關，如凋落物本身質量，還有N沉降及施肥類型等.凋落物的徹底降解與微生物密不可分，凋落物的分解是不同時期、不同類群微生物連續(xù)作用的結果[8].微生物對森林凋落物的分解和利用是將有機物質礦化為無機物質，其中真菌(尤其是絲狀真菌)被認為在凋落物分解中起主要作用[9].真菌微生物直接影響了大部分凋落物的分解[10-11]，真菌的菌絲能刺入植物殘體內部并且分泌胞外酶，降解凋落物中的木質素等難分解物質，從而軟化植物殘體，改變凋落物的結構及其化學組成.凋落物中最難分解的木質素完全依賴于真菌的作用[11].真菌能釋放漆酶、木質素過氧化物酶、纖維素分解酶、酸性和堿性磷酸酶等，而漆酶可能是木質素分解過程中最為重要的酶.凋落物的徹底降解本質上也是在微生物和土壤酶系統(tǒng)的綜合作用下完成的，酶活性高低直接影響微生物對凋落物的分解[5，8，11].國外研究[12]發(fā)現，凋落物分解過程中纖維素酶和幾丁質酶的活性與真菌的活動有很大關聯(lián).國內有關酶對凋落物分解影響的研究較為少見[13]，有學者研究了具有木質纖維分解能力的絲狀真菌分解凋落物的酶活性動力學，發(fā)現凋落物不同分解時期依賴于不同的分解酶[14].凋落物分解過程中酶活性的高低與凋落物的分解密切相關，酶活性高，說明特定微生物對凋落物中特定化學成分的利用率高[15].

北京京西九龍山氣候干旱，尤其秋冬季寒冷干燥，凋落葉分解緩慢，而且該林場與多地居民住地相互交錯，人為火源管理困難，而減少林中地表可燃物不失為防火的一個好方法.九龍山林下凋落葉層厚，易燃物主要包括闊葉栓皮櫟、針葉油松、落葉松.混合凋落葉主要是栓皮櫟和油松的混合.而加快凋落葉的原地分解是減少林下地表可燃物的有效手段.基于此，本研究選取飼用復合酶制劑、益生菌，以及從九龍山凋落葉層中采集分離的大型真菌環(huán)炳菇和杯傘，以篩選出快速分解凋落葉的促進劑.

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于北京市京西九龍山森林保護區(qū).九龍山森林保護區(qū)位于北京市西郊，地理位置：115°59′—116°06′E，39°54′—39°57′N.氣候條件：暖溫帶大陸東岸半濕潤季風氣候，夏季炎熱多雨，降水主要集中在6—9月，年降水量650.4 mm，年蒸發(fā)量1 890.8 mm，秋冬季節(jié)寒冷干燥，持續(xù)干旱時長約5～6個月.九龍山地區(qū)植被是以人工林與天然次生灌叢為主，屬典型的暖溫帶落葉闊葉林.

1.2 試驗設計和樣品處理

凋落葉包括針葉、闊葉、針闊混合葉3種類型，闊葉為栓皮櫟凋落葉，針葉為油松凋落葉，混合葉為栓皮櫟與油松按1∶1混合.選取了5種分解促進劑：(1)尿素；(2)對農作物秸稈分解效果較好的飼用復合酶制劑；(3)益生菌，購于洛陽歐科拜克生物技術有限公司；(4)九龍山凋落葉層真菌環(huán)炳菇(Lepiota)；(5)九龍山凋落葉層真菌杯傘(Clitocybe).

設置6個處理：清水對照(CK)、尿素(N)、飼用復合酶制劑(S)、益生菌(EM)、環(huán)炳菇(F.L)、杯傘(F.C).根據凋落葉類型的不同，樣地分別設置在栓皮櫟、油松、栓皮櫟與油松的混交林下，每個類型的林下布設6個處理樣地，每個處理樣地設3個重復試驗區(qū)，共設置54個試驗區(qū).每個試驗區(qū)面積1 m2.在試驗區(qū)內，以“S”型布設5個樣點，共布設270個樣點.分解促進劑噴施方法如下：尿素(27 g尿素＋1 kg水)溶液1 kg·m-2，噴灑均勻即可；益生菌(1 g菌劑＋0.1 kg紅糖＋1 kg水)混合液1 kg·m-2，噴灑均勻即可；飼用復合酶制劑(0.15 g酶＋1 kg水)溶液1 kg·m-2，噴灑均勻即可；環(huán)炳菇培養(yǎng)液1 kg·m-2，噴灑均勻即可；杯傘培養(yǎng)液1 kg·m-2，噴灑均勻即可；對照噴灑水1 kg·m-2.每3個月補施1次促進劑，對照樣地補施清水.

凋落葉的分解試驗采用網袋法，采集油松林、栓皮櫟林下當年新凋落葉作為試驗材料，分別稱取15 g樣品裝入分解袋(90目)，于2016年4月置于林下，清除枯枝落葉的地表層(0～5 cm)，使樣品直接與土壤接觸.2016年4月至2017年10月取樣，對應分解時間分別為0、3、6、12、15、18個月，3個重復.裝入尼龍袋帶回實驗室，將樣品去除土壤、石塊和根系等雜質，置于80℃烘箱中烘干至恒重，稱量并計算其質量損失率.稱取少量凋落葉在105℃下烘干，計算出水分質量分數的換算系數.

1.3 數據分析

凋落葉分解指數模型為：y＝ae-kt

式中：y為凋落葉的月殘留率(%)；a為擬合參數；e為自然對數底；t為分解時間(月)；k為凋落葉的分解系數.

式中：M0為凋落袋埋置前的烘干凋落葉質量；(Mt-1-Mt)為相鄰兩階段凋落葉分解袋的殘留量差；MT為最后一次采樣的凋落葉殘留量.

采用SPSS 16.0進行數據統(tǒng)計與分析，采用非線性回歸分析(nonlinear regression)擬合凋落葉分解曲線.采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較3種類型凋落葉在6種處理下的失重率.

2 結果與分析

2.1 不同處理對凋落葉失重率的影響

對不同處理的凋落葉失重率進行分析，結果如圖1所示.不同促進劑、不同性質的凋落葉失重率存在差異.由圖1A可知，針葉凋落葉經過18個月的分解，對照組的凋落葉失重率低于20%，添加促進劑的針葉凋落葉失重率達26.4%～35.7%，EM、S和F.C處理的凋落葉失重率均達到30%.分解到3個月時EM處理的凋落葉失重率顯著高于對照組(P＜0.05)，其余各處理之間無顯著差異(P＞0.05)；分解到6個月時，EM處理的凋落葉失重率顯著高于其他處理(P＜0.05)；分解1 a后，除了N和F.L處理的凋落葉失重率與對照組無顯著差異，其他各處理均顯著高于對照組(P＜0.05).由圖1A可以看出，試驗初期針葉凋落葉分解速率比較大，隨著時間的推移，分解速率有所下降，并逐漸趨于恒定；但S和EM處理在整個分解過程中表現較好.

由圖1B可以看出，闊葉凋落葉分解3個月時，各處理的凋落葉失重率均無顯著差異(P＞0.05)；但隨著分解時間的延長，除了S處理，其他處理的凋落葉失重率都顯著高于對照組(P＜0.05).在分解6個月時，EM處理表現最好；分解12月至試驗結束，EM、F.L、F.C處理均呈現出明顯優(yōu)勢；經過18個月的分解，F.C處理的闊葉失重率最大，達38.7%，比對照組高出17%.

由圖1C可以看出，針闊混合凋落葉在整個分解過程中，F.L處理的失重率一直是最大；在分解3個月和12個月的時候，F.L處理的失重率顯著高于其他處理(P＜0.05)；分解18個月后，F.L、F.C、S 3個處理的失重率顯著高于其他處理(P＜0.05)，其中，F.L處理失重率最大，達到37.86%.

2.2 不同類型凋落葉的失重動態(tài)

對不同類型凋落葉失重率進行比較分析(圖2)，在6種處理下，3種類型的凋落葉失重率均隨時間的延長而增大；分解初期，分解速率最大；隨著時間的延長，分解速率有所降低，失重動態(tài)趨于平緩.經過18個月的分解，3種類型凋落葉的失重率大小表現為：栓皮櫟＞栓皮櫟與油松混合＞油松，混合凋落葉的失重率居于闊葉與針葉凋落葉之間，更接近于闊葉.通過分析闊葉凋落葉與混合凋落葉的失重動態(tài)可以看出，在N處理下，闊葉凋落葉與混合凋落葉的失重率相差最大；分解18個月后，闊葉凋落葉失重率比混合凋落葉失重率高4.43%；其余處理下，兩者失重率相差不超過3%.通過分析闊葉凋落葉與針葉凋落葉的失重動態(tài)可以看出，在F.L處理下，闊葉凋落葉與針葉凋落葉的失重率相差最大，經過18個月的分解，闊葉凋落葉失重率比針葉凋落葉失重率高10.8%.在S處理下，經過18個月的分解，3種類型凋落葉的失重率基本一致.

2.3 不同處理下凋落葉分解的指數模型

對凋落葉分解的指數模型進行分析，結果如表1所示.從表1可知，針葉凋落葉在6種處理下，年分解系數的排列順序為S＞N＞F.C＞EM＞F.L＞CK；S處理的分解系數最大，95%質量損失時間最短，為13.3 a，比對照減少20 a；闊葉凋落葉的95%質量損失時間比針葉短.6種處理下的年分解系數大小表現為F.C＞F.L＞EM＞N＞S＞CK.F.C處理下闊葉凋落葉分解系數最大，95%質量損失時間為10 a；F.L處理下闊葉分解系數僅次于F.C，95%質量損失時間為11.1 a；F.L、F.C處理的95%質量損失時間明顯比其他處理短.針闊混合凋落葉在6種處理下的年分解系數大小表現為F.L＞F.C＞S＞N＞EM＞CK.在F.L處理下年分解系數最大，95%質量損失時間最短，為12.5 a.表明針葉凋落葉在酶制劑S處理下分解效果最好，闊葉凋落葉在F.C處理下分解效果最好，針闊混合凋落葉在F.L處理下分解效果最好.

圖1 不同處理對針葉(A)、闊葉(B)、混合(C)凋落葉失重率的影響Fig.1 Effects of different treatments on weight loss rate of coniferous(A)，broadleaf(B)and mixed forest(C)litters

圖2 針葉、闊葉、混合凋落葉在6種處理下的失重動態(tài)分析Fig.2 Dynamic analysis of weightlessness of coniferous，broad-leaf and mixed forest litter under 6 treatments

2.4 不同處理下凋落葉分解各階段的質量損失貢獻率

分析凋落葉在不同時期的分解速率，結果如圖3所示.從圖3可知，經過18個月的凋落葉分解試驗，3種類型凋落葉的質量損失主要發(fā)生在分解前期，凋落葉分解3個月的時候，3種類型凋落葉質量損失貢獻率均達到30%以上；分解到12個月的時候，質量損失貢獻率均達到50%以上.油松凋落葉在不同處理下分解到12個月的時候，質量損失貢獻率為51.3%～70.7%；在EM菌處理下分解12個月的質量損失貢獻率最大，為70.7%；分解3個月質量損失貢獻率為46.6%.栓皮櫟凋落葉分解的前3個月，S處理的質量損失貢獻率最大，達40.4%；分解到12個月時，EM處理的質量損失貢獻率最大，為76.3%.栓皮櫟與油松的混合凋落葉在N處理下，前3個月的質量損失貢獻率高達62.9%，而后續(xù)各分解時期F.L處理下的質量損失貢獻率均較大.

表1 3種類型凋落葉在不同處理下的分解系數、復相關系數、半分解和95%分解時間Table 1 Decomposition coefficient， correlation coefficient， and time of 50%and 95%decomposition for 3 types leaf litter under different treatments

3 小結與討論

本研究中北京九龍山不同類型凋落葉分解18個月后，栓皮櫟和油松凋落葉的失重率與我國針葉林凋落物年失重率(20%～40%)[16]一致，闊葉林凋落物年失重率也在43.5%與85%之間[16].栓皮櫟凋落葉分解最快，栓皮櫟與油松1∶1混合凋落葉次之，油松凋落葉分解最慢，而且針闊混合葉的分解速率更接近于闊葉.本研究中栓皮櫟凋落葉分解速率大于油松凋落葉，與文獻[17]一致.不同類型凋落葉化學成分和物理結構均存在顯著差異，從化學成分上看，闊葉凋落葉中的N含量顯著高于針葉凋落葉，木質素含量顯著低于針葉凋落葉[18].凋落葉中C/N越低，木質素含量越低，分解越快；從物理結構上看，針葉凋落葉與闊葉凋落葉相比，細胞壁較硬.針葉表面含有的角質層、蠟質層較厚，木質化程度高，透水性能較差，而且針葉在某種程度上影響微生物對凋落物易分解物質的利用，因此降低凋落葉的分解速率[19].

研究[20]表明，針闊凋落物混合分解具有促進效應，也有學者認為混合分解降低了分解速率[21].本研究中栓皮櫟和油松的針闊混合凋落葉分解速率大于油松凋落葉，一是與針葉凋落葉相比針闊混合凋落葉更有利于分解者的小生境，能提高不同分解者的豐富度[22]，二是混合凋落物葉營養(yǎng)元素比針葉更全面，從而提高了凋落葉自身的質量，加速了凋落葉的分解[23].栓皮櫟和油松的針闊混合凋落葉的分解速率小于栓皮櫟，更接近于栓皮櫟的分解速率.有研究[24]指出混合凋落葉在分解過程中也有可能發(fā)生養(yǎng)分傳遞、化學抑制等互作.質量相差較大的凋落葉混合，質量較低的常常會受到質量較高的凋落葉的刺激而使養(yǎng)分含量升高；而高質量的養(yǎng)分含量相應降低，即混合凋落葉中營養(yǎng)元素通過淋溶作用從高質量的凋落葉向較低質量的凋落葉轉運[22，25].本研究中栓皮櫟與油松凋落葉混合后，營養(yǎng)元素可能從栓皮櫟向油松轉移，而且混合后的分解是以高質量的栓皮櫟分解為主，這方面有待進一步研究.

本研究中外源添加5種分解促進劑均加快了凋落葉的分解.外源添加N元素是以尿素的形式施入，加速了凋落葉的分解.因為北京九龍山屬于華北石質山區(qū)，土壤比較貧瘠，營養(yǎng)匱乏，而在受N限制的林下環(huán)境中添加N元素往往會對凋落葉分解產生強烈刺激，而且外源輸入N的含量比較低，一般來說低含量N的添加均能促進凋落葉分解[26].從凋落物自身性質來說，N元素輸入使植物吸N量增加，從而提高凋落葉N含量或是N輸入地表環(huán)境提高凋落葉質量，引起C/N降低，從而加速了凋落葉分解[27].凋落葉分解過程也有微生物與酶的參與，外源N輸入滿足了微生物對N的需求，提高了微生物的數量和活性，而且真菌分解的纖維素酶和淀粉酶的活性也受N限制，因此外源N增加會提高凋落葉分解酶和其他糖苷酶的活性，促使凋落葉分解，這是由微生物酶系統(tǒng)及其群落組成差異對N增加的響應差異所引起的[28，29]，凡是有利于分解者生存和活動的環(huán)境都會提高凋落葉的分解速率[30].EM、F.L、F.C及S處理均能加速九龍山凋落葉的分解，本試驗選用的益生菌和復合酶制劑包含細菌、放線菌等六大微生物菌群及纖維素酶、淀粉酶等多種酶，外源菌和酶制劑的輸入改變了分解者的生境，提高了微生物的活性和豐富度.研究[31]表明，真菌多樣化加快針葉、闊葉和針闊混合凋落葉的分解，而且微生物的多樣化本質上也是分解酶的多樣化，凋落葉不同分解階段依賴于不同的高活性酶.F.L和F.C是從本地分離出的菌種，從研究結果來看，F.L對混合凋落葉以及F.C對闊葉凋落葉的分解快，95%分解時間明顯縮短，說明本地菌種更能適應當地林下凋落葉層的空間環(huán)境，施入后有助于提高微生物活性，與凋落葉和土壤中的微生物具有更好的協(xié)同作用.因此外源輸入本地分離出來的真菌菌種有利于凋落葉的分解.

圖3 不同處理下3種凋落葉各階段對質量損失的貢獻率Fig.3 Contribution rate of different treatments to mass loss 3 types of leaf litters in each decomposition stage

由于各處理在不同分解時期對凋落葉分解具有不同的作用機制，所以凋落葉在不同分解階段表現出了不同的響應特征.本研究對九龍山林下凋落葉進行了1年半的分解試驗，發(fā)現凋落葉分解主要發(fā)生在第1年，3種凋落葉第1年的質量損失貢獻率占到了1年半質量損失總量的50%以上；前3個月凋落葉質量損失最大，占18個月質量損失總量的30%以上.這是因為N含量和C/N對凋落葉分解初期的分解速率具有決定性意義[32].凋落葉分解初期，主要分解非木質性纖維素和水溶性物質，新鮮凋落葉養(yǎng)分含量高，凋落葉中N含量高，C/N低，所以分解速率最大[33].外源促進劑的輸入有利于提高分解過程中凋落葉的質量，提高凋落葉N含量，降低C/N，并增大分解初期N的積累[26].凋落葉分解后期，則是以木質素等難分解物質為主，所以分解較慢.本研究發(fā)現油松凋落物在0～3個月的分解初期，外源添加N素的質量損失率低于對照組；之后各階段施入N元素后的質量損失率均高于對照.此現象說明外源性N輸入對油松凋落葉不同分解時期表現出不同的作用，與文獻[7，8]結果一致.

本研究發(fā)現各處理下，闊葉凋落葉分解最快，其次是針闊混合凋落葉，針葉分解最慢.其中，針葉凋落葉在S處理分解最快，闊葉凋落葉在F.C處理下分解最快，針闊混合凋落葉在F.L處理下分解最快.