北方城市12種常見樹木落花分解及其養(yǎng)分釋放特征

馬 勇,范曉慧, 劉增文,2,*,朱 凡,林媛媛

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院, 楊凌 712100

2 農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100

隨著綠色發(fā)展理念的普及,城市園林綠化產(chǎn)生的枯落物量日益增大,除了少量直接就地歸還土壤得到自然循環(huán)利用之外,其他大量枯落物被當(dāng)作垃圾通過(guò)填埋或焚燒處理,這樣不僅會(huì)污染地下水和大氣,也會(huì)造成資源的極大浪費(fèi)。因此,如何最大限度地有效利用城市綠化枯落物已成為一個(gè)新的課題。

其實(shí),樹木落花較之落葉含有更為豐富的養(yǎng)分物質(zhì),是直接還田作為施肥材料和制備生物質(zhì)有機(jī)肥的極好資源。如新疆科研人員通過(guò)篩選出8種能夠高效分解木質(zhì)纖維素的微生物菌株,并大力研發(fā)綠化垃圾粉碎物堆制腐化的微生物發(fā)酵技術(shù),最終研制出一種可讓落花和枯枝敗葉快速變?yōu)榉柿系摹白儚U為寶”的技術(shù)[1]；張玉山等[2]利用落花落葉進(jìn)行堆肥發(fā)酵,制成土壤改良劑并發(fā)現(xiàn)其對(duì)土壤具有較好的改良效果。此外,大量研究表明落花落葉不僅可用于制作生物質(zhì)燃料[3],還可以通過(guò)堆肥用作有機(jī)覆蓋物[4]、栽培基質(zhì)[5-6]等。目前關(guān)于植物枯落物分解的研究主要集中在落葉方面,而很少關(guān)注落花。大量研究表明,在環(huán)境條件一致時(shí),枯落物分解及其養(yǎng)分釋放主要由其初始物質(zhì)組成來(lái)調(diào)控,其中木質(zhì)素和N含量是影響枯落物分解速率的最重要因素[7-8]。劉佳楠等[9]對(duì)檸條錦雞兒枯落物分解及其養(yǎng)分釋放特征研究發(fā)現(xiàn),枯落物分解率的增加趨勢(shì)受分解時(shí)間和網(wǎng)孔大小的影響。劉增文等[10]對(duì)枯落物分解研究方法與模型進(jìn)行了對(duì)比評(píng)析,Singh等[11]對(duì)凋落物的分解及養(yǎng)分釋放模式也做過(guò)若干報(bào)道,但由于研究年限與研究對(duì)象的不同,所得結(jié)論不能直接外推。鑒于此,本試驗(yàn)選擇北方城市中12種常見綠化樹種落花為研究對(duì)象,對(duì)落花的物質(zhì)組成、分解速率及其養(yǎng)分釋放特性等進(jìn)行了研究,旨在為落花作為施肥材料和制備生物質(zhì)有機(jī)肥等農(nóng)業(yè)再利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與處理

于2018年3—5月和9月在陜西省楊凌城區(qū)采集了櫻花(Cerasussp.)、海棠(Malusspectabilis)、白玉蘭(Magnoliadenudata)、紫玉蘭(Magnolialiliflora)、桃(Amygdaluspersica)、紅葉李(PrunuscerasiferaⅠ)、紫葉李(PrunuscerasiferaⅡ)、含笑(Micheliafigo)、紫荊(Cercischinensis)、杏梅(Prunusmume)、銀杏(Ginkgobiloba)和欒樹(Koelreuteriapaniculate)等12種樹種當(dāng)年凋落的落花,選擇除去雜物和腐爛的落花,迅速漂洗后在65℃下烘干并保存?zhèn)溆?。同時(shí)在具有代表性的農(nóng)田采集表層(0—10 cm)土壤,清除根系、石塊等雜物,直接以鮮土過(guò)5 mm土壤篩后充分混合,適當(dāng)風(fēng)干(以便于試驗(yàn)過(guò)程中控制水分)備用。

1.2 落花分解試驗(yàn)

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)校內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。將保存的樹木落花用感量0.01 g的電子天平精確稱取7.00 g后置入規(guī)格為14 cm×20 cm,網(wǎng)眼孔徑0.5 mm的尼龍網(wǎng)袋中并用尼龍線封口,這種網(wǎng)袋既能夠避免分解袋中分解殘?bào)w的非分解損失,也能保證分解作用不限制。分別稱取3.00 kg的制備好的過(guò)篩土壤,裝入20 cm×40 cm×20 cm規(guī)格的塑料培養(yǎng)缽中。將裝有每種落花的分解袋5袋呈45度傾斜狀等間距均勻埋入土壤(分解介質(zhì))內(nèi),保證落花分解袋四周與土壤充分接觸。每種處理重復(fù)5次(即5個(gè)培養(yǎng)缽,每缽5袋)。

埋設(shè)完畢后,使用噴壺均勻加水調(diào)節(jié)土壤濕度至田間飽和持水量的50%(預(yù)先測(cè)定土壤田間飽和持水量),在缽口覆保鮮膜以減緩水分散失,并留孔徑1.5 cm通氣孔4個(gè)以滿足土壤微生物呼吸需要。分解過(guò)程中,每隔一周稱量培養(yǎng)缽質(zhì)量,根據(jù)失水情況用噴壺均勻補(bǔ)水,保持分解過(guò)程中土壤濕度維持一致。根據(jù)上述方法,在室溫(20—25℃)恒濕下培養(yǎng)落花91 d終止。

于分解進(jìn)行第14、28、49、70 天和91 天時(shí)進(jìn)行回收,在每個(gè)處理的5個(gè)培養(yǎng)缽內(nèi)分別隨機(jī)回收1袋作為重復(fù)。將回收的落花分解殘余物置于0.15 mm土壤篩中迅速漂洗除去表面的土壤、菌絲體等雜物,置于65℃下烘干后精確稱量殘余物干重,每次稱重后的同種落花樣品混合保存,用于測(cè)定其物質(zhì)組成和養(yǎng)分含量。

1.3 樣品測(cè)定

落花中木質(zhì)素含量采用酸性洗滌法測(cè)定；N及粗蛋白含量用濃硫酸與過(guò)氧化氫進(jìn)行消煮,用凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定；使用紫外分光光度計(jì)測(cè)定P含量；使用火焰光度法測(cè)定K含量；將分解殘余物經(jīng)馬弗爐灰化并使用1 mol/L HCl溶解后,使用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定落花中Cu、Zn、Fe和Mn元素含量。以上落花樣品均3次重復(fù),測(cè)定結(jié)果取其平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)分解過(guò)程中不同時(shí)間段落花質(zhì)量的變化,首先應(yīng)用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,再根據(jù)修正Olson衰減指數(shù)模型R=X/X0=ae-kt對(duì)落花分解和養(yǎng)分(N、P和K)釋放動(dòng)態(tài)進(jìn)行擬合[12],式中,R為落花或落花中N、P和K殘留率；X0、X分別為初始和分解t(a)后的落花或其中N、P和K殘留量；a為修正參數(shù)；k為分解(養(yǎng)分釋放)速率常數(shù)；t為分解時(shí)間。由模型可知,當(dāng)t取1a時(shí),得落花平均年分解率或其中N、P和K年釋放率d=1-ae-k和周轉(zhuǎn)期T=1/d。所有數(shù)據(jù)均在SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件中完成。對(duì)不同樹種落花各指標(biāo)間的差異進(jìn)行單因素方差(one-way ANOVA)分析,多重比較采用最小顯著差異法(LSD)(α=0.05)。采用 Pearson 相關(guān)系數(shù)法分析落花年分解率和初始基質(zhì)質(zhì)量之間的相關(guān)性。采用Sigmaplot 14.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 落花初始物質(zhì)組成及養(yǎng)分含量特征

12種樹木落花初始養(yǎng)分含量(粗蛋白、木質(zhì)素、N、P、K、Cu、Zn、Fe和Mn)存在較大差異(表1)。不同落花粗蛋白含量介于91.69—274.94 mg/g之間,白玉蘭和桃花粗蛋白含量(251.44—274.94 mg/g)顯著高于其他落花(P<0.05),銀杏和含笑落花粗蛋白含量(91.69—97.88 mg/g)卻顯著低于其他落花(P<0.05)。12種落花的木質(zhì)素含量介于19.36—49.95 μg/g之間,其中銀杏和紫荊落花木質(zhì)素含量(47.35—49.95 μg/g)顯著高于其他落花(P<0.5),而杏梅和桃花木質(zhì)素含量(19.36—21.96 μg/g)顯著低于其他落花(P<0.5)。

營(yíng)養(yǎng)元素中,桃花和白玉蘭落花N含量(40.23—43.99 mg/g)顯著高于其他落花(P<0.05),而含笑和銀杏落花N含量(14.67—15.66 mg/g)顯著低于其他落花(P<0.05)。桃花和白玉蘭落花P含量(1.37—1.58 mg/g)顯著高于其他落花(P<0.5),其次為紫葉李落花(0.64 mg/g),櫻花、海棠、紫玉蘭、紅葉李、含笑、紫荊、杏梅、銀杏和欒樹等9種落花P含量(0.09—0.32 mg/g)顯著低于其他落花(P<0.5),且它們P含量間差異不顯著(P>0.05)。紅葉李、紫葉李和白玉蘭落花K含量(4.53—4.72 mg/g)顯著高于其他落花(P<0.5),而紫荊落花K含量(1.11 mg/g)顯著低于其他落花(P<0.5)。

微量元素中,白玉蘭落花Cu含量(22.74 μg/g)顯著高于其他落花(P<0.05),紫荊、含笑、銀杏、紫玉蘭、欒樹和紅葉李落花Cu含量(3.03—7.91 μg/g)顯著低于其他落花(P<0.05),且它們Cu含量間差異不顯著。Zn含量以紫葉李落花中較高(249.06 μg/g),其次為銀杏、白玉蘭和海棠落花(74.34—91.21 μg/g),而櫻花、含笑、杏梅、紅葉李、紫玉蘭、桃花、欒樹和紫荊落花Zn含量(21.03—58.87 μg/g)顯著低于其他落花(P<0.5)。紫荊、櫻花、紫葉李、杏梅、海棠和桃花Fe含量(85.81—118.34 μg/g)顯著高于其他落花(P<0.5),且它們Fe含量間差異不顯著。杏梅、櫻花、桃花和海棠落花Mn含量(24.09—25.71 μg/g)顯著高于其他落花(P<0.5),而含笑、欒樹、白玉蘭落花Mn含量(4.76—6.08 μg/g)卻顯著低于其他落花(P<0.5)。

綜上可見,白玉蘭落花的粗蛋白、N、P、K和Cu等養(yǎng)分含量較高,桃花的粗蛋白、N、P、Fe和Mn等養(yǎng)分含量較高,紫葉李落花的K、Zn和Fe含量較高(表1)。

表1 落花初始養(yǎng)分含量

2.2 落花分解速率及其分解動(dòng)態(tài)

依據(jù)每次的殘留率數(shù)據(jù),采用修正Olson衰減指數(shù)模型擬合12種落花的分解速率曲線,得到分解常數(shù)k并估算出各落花的平均年分解率d和周轉(zhuǎn)期T。根據(jù)分解試驗(yàn)結(jié)果(表2),在完全相同的環(huán)境條件下,除了銀杏落花分解稍慢(周轉(zhuǎn)期1.12 a)其他落花分解均較快(周轉(zhuǎn)期1.00—1.05 a)。

表2 不同落花的分解速率

落花干重殘留率是指落花分解t(a)后的落花干質(zhì)量與分解前落花干質(zhì)量的比值,它不僅能夠反映分解過(guò)程中落花質(zhì)量的動(dòng)態(tài)變化,還可以表征落花的分解速率。12種樹木落花的干重殘留率在0—91 d的分解過(guò)程中逐漸減少(圖1)?？梢钥闯?整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期根據(jù)殘余率,可明顯的分為兩個(gè)時(shí)期,即分解前期(0—14 d)和中后期(15—91 d)。至分解前期結(jié)束,櫻花(分解率達(dá)49.57%)、海棠(分解率達(dá)39.71%)、白玉蘭(分解率達(dá)59.46%)、紫玉蘭(分解率達(dá)57.06%)、桃花(分解率達(dá)49.00%)、紅葉李(分解率達(dá)52.09%)、紫葉李(分解率達(dá)49.00%)、含笑(分解率達(dá)37.57%)、紫荊(分解率達(dá)46.86%)、杏梅(分解率達(dá)42.74%)、銀杏(分解率達(dá)36.54%)和欒樹(分解率達(dá)44.71%)等12種落花均分解了基質(zhì)質(zhì)量的1/3以上；分解中后期以上12種落花的分解速率逐漸減慢。至分解結(jié)束,各落花的分解率均不少于47.80%(銀杏落花),最大分解率達(dá)到了76.46%(白玉蘭落花)。

圖1 落花分解干質(zhì)量殘留率的動(dòng)態(tài)變化

2.3 落花分解過(guò)程中N、P 和K的釋放

從各種落花分解過(guò)程的N釋放規(guī)律(表3)可以看出,釋放較快的有紫玉蘭、紫葉李、白玉蘭、桃花、紫荊、紅葉李、櫻花、含笑和海棠(周轉(zhuǎn)期1.00—1.04 a),而杏梅、欒樹和銀杏N釋放顯著慢于其他落花(周轉(zhuǎn)期1.22—1.33 a)(P<0.05)。

由表2和表3可知,12種落花N的釋放速率較之分解速率各有差異,其中櫻花、海棠、紫玉蘭、紅葉李、含笑和紫荊落花N的釋放速率大于其分解速率,而白玉蘭、桃花、紫葉李、杏梅、銀杏和欒樹落花N的釋放速率小于其分解速率,表明N在櫻花、海棠、紫玉蘭、紅葉李、含笑和紫荊落花中呈超速釋出狀態(tài)(超過(guò)落花質(zhì)量下降的速率),而在白玉蘭、桃花、紫葉李、杏梅、銀杏和欒樹落花中呈慢速釋出狀態(tài)。

表3 不同落花的N釋放率

從各種落花分解過(guò)程的P釋放規(guī)律(表4)可以看出,釋放較快的有欒樹、海棠、櫻花、紫玉蘭、銀杏、紫荊、紫葉李、白玉蘭和桃花(周轉(zhuǎn)期1.00—1.09 a),其次為紅葉李落花(周轉(zhuǎn)期1.37 a),釋放較慢的是杏梅和含笑(周轉(zhuǎn)期1.54—1.56 a)。

結(jié)合表2和表4還可看出,白玉蘭、桃花、紫葉李、紫荊和銀杏落花P釋放速率大于其分解速率,而櫻花、海棠、紫玉蘭、紅葉李、含笑、杏梅和欒樹落花P釋放速率小于其分解速率,可見P在白玉蘭、桃花、紫葉李、紫荊和銀杏落花中呈超速釋出狀態(tài),而在櫻花、海棠、紫玉蘭、紅葉李、含笑、杏梅和欒樹落花中呈慢速釋出狀態(tài)。

表4 不同落花的P釋放率

根據(jù)各種落花分解過(guò)程的K釋放規(guī)律(表5)可知,紫玉蘭、紫葉李、紅葉李、白玉蘭和紫荊K釋放速度顯著快于其他落花(周轉(zhuǎn)期1.02—1.10 a)(P<0.05),銀杏和杏梅K釋放速度顯著慢于其他落花(周轉(zhuǎn)期1.72—1.96 a)(P<0.05)。

結(jié)合表2和表5可知,除了紫荊落花K的釋放速率大于其分解速率,其他落花K釋放速率均小于其分解速率,表明K在紫荊落花中呈超速釋出狀態(tài),而在其他落花中呈慢速釋出狀態(tài)。

表5 不同落花的K釋放率

2.4 落花年分解率與初始化學(xué)組成之間的關(guān)系

對(duì)落花年分解率(d)與落花初始化學(xué)組成進(jìn)行相關(guān)性分析(表6),結(jié)果表明,落花的年分解率與初始粗蛋白、N、P和K含量均呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與木質(zhì)素含量、木質(zhì)素/N和N/P均呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與Cu、Zn、Fe和Mn含量之間則無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)。

表6 落花年分解率(d)與初始化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性

3 討論

3.1 落花初始化學(xué)成分對(duì)其分解速率的影響

在相同的環(huán)境條件下,枯落物的基質(zhì)質(zhì)量是影響其相對(duì)分解速率的主要因子[13-14]。N含量、P含量、木質(zhì)素含量和木質(zhì)素/N值等被用作枯落物基質(zhì)質(zhì)量的常見指標(biāo)。其中C/N和木質(zhì)素/N最能反映枯落物分解速率[15]。研究發(fā)現(xiàn),枯落物的初始N含量高會(huì)加快其分解[16],這是因?yàn)槲⑸飳?duì)N有很高需求,枯落物 N含量低時(shí)會(huì)限制微生物群落活動(dòng)強(qiáng)度,導(dǎo)致其分解變慢,而N含量高時(shí)會(huì)提高微生物群落活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)而加快其分解[17-18]。本研究中,桃花的分解速率相對(duì)較快(表2),這可能與其初始N含量顯著高于其他落花(P<0.05)有關(guān)(見表1)。此外,銀杏落花分解較慢(P<0.05)可能與其含有較低(P<0.05)初始N含量有關(guān)。根據(jù)表6可知,落花年分解率與初始N含量顯著正相關(guān)(P<0.01),這與竇榮鵬[19]和劉霞[20]的研究結(jié)果一致,可能是由于枯落物中的N含量越高, 則C/N越低,耐分解化合物的含量越少,枯落物分解越快[21]。

枯落物分解過(guò)程中,N是制約凋落物分解的最重要因素之一,但由于N沉降的增加,許多生態(tài)系統(tǒng)N已不再是制約因素,而P則成為重要的限制因素[22]。本研究結(jié)果表明,初始P含量較高(P<0.05)的白玉蘭和桃花其年分解率也相對(duì)較快,落花年分解率與初始P含量顯著正相關(guān)(P<0.05)(表6),原因與N類似,同為微生物不可缺少的營(yíng)養(yǎng)元素,P含量高會(huì)加強(qiáng)微生物的活動(dòng)強(qiáng)度,進(jìn)而加快落花分解,但這與劉霞[20]的研究結(jié)果相反,可能由于樹種不同或環(huán)境因子不同所導(dǎo)致。P含量并非單獨(dú)影響枯落物分解速率,N/P 對(duì)枯落物的分解也具有一定的表征能力,它是枯落物分解者養(yǎng)分限制的重要指標(biāo)[23]。本研究發(fā)現(xiàn)落花初始N/P越大落花分解就越慢,二者呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),張林海[24]的研究也呈現(xiàn)出這樣的規(guī)律。有研究表明[25],N/P<10 時(shí),分解受到N的限制；N/P>14時(shí),分解受到枯落物中P的限制,因此N/P 是枯落物短期分解的一個(gè)重要因素。

根據(jù)表6可知,落花年分解率與K含量顯著正相關(guān)(P<0.05),這與李學(xué)斌[26]對(duì)荒漠草原4種典型植物群落枯落物進(jìn)行研究所得結(jié)果相一致,但與宋新章[27]在浙江千島湖姥山林場(chǎng)對(duì)7種常綠闊葉林的枯落物研究所得結(jié)果存在一定差異,這可能與物種不同、枯落物性質(zhì)不同有關(guān)。總體而言,目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于K含量(濃度)對(duì)枯落物分解速率的影響的相關(guān)研究還有待豐富,因此我們應(yīng)針對(duì)這方面深入探索。

木質(zhì)素含量也是衡量枯落物分解速率的重要指標(biāo)。多數(shù)研究認(rèn)為[28-29],枯落物的初始木質(zhì)素含量及木質(zhì)素/N與枯落物分解速率呈顯著負(fù)相關(guān)。本文研究結(jié)果(表6)也符合上述規(guī)律,因?yàn)橘|(zhì)素含量或木質(zhì)素/N越高越有利于抵抗分解者對(duì)枯落物的攻擊,從而減緩了枯落物的分解[30]。因而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,應(yīng)盡量選擇木質(zhì)素含量和木質(zhì)素/N較低且養(yǎng)分含量較高的物質(zhì)用作施肥材料,如桃花、白玉蘭落花等。

3.2 分解時(shí)期對(duì)其分解速率的影響

通常,枯落物的分解分為兩個(gè)階段：即主要分解新鮮有機(jī)質(zhì)、可溶性糖和無(wú)機(jī)鹽類物質(zhì)的快速分解階段和分解木質(zhì)素等難分解成分的慢速分解階段[29]。研究發(fā)現(xiàn),分解前期由N含量制約枯落物分解速率,N含量高的枯落物分解快于N含量低的枯落物；而分解后期則由木質(zhì)素含量或木質(zhì)素/N比制約分解速率,此時(shí)N含量會(huì)延緩枯落物的分解速率[31]。由圖1可知,分解前期(0—14 d)落花分解較快,中后期(15—91 d)分解則逐漸變慢,這與郭忠玲等[32]的研究結(jié)果保持一致。原因可能是前期落花中N、P等易分解物質(zhì)含量較高,微生物快速繁殖, 使落花分解速率也隨之增加,分解率提高；到分解中后期,水溶性物質(zhì)及碳水化合物等易分解的物質(zhì)已經(jīng)分解掉,纖維素、木質(zhì)素等難分解物質(zhì)比例增加,因而使得分解變慢[13,33]。

4 結(jié)論

(1)12種落花初始養(yǎng)分含量存在差異。其中,粗蛋白含量以桃花和白玉蘭落花中較高(251.44—274.94 mg/g),木質(zhì)素含量以紫荊和銀杏落花中較高(47.35—49.95 μg/g),N含量以桃花和白玉蘭落花中較高(40.23—43.99 mg/g),P含量以桃花和白玉蘭落花中較高(1.37—1.58 mg/g),K含量以紅葉李、紫葉李和白玉蘭落花中較高(4.53—4.72 mg/g),Cu含量以白玉蘭落花中較高(22.74 μg/g),Zn含量以紫葉李落花中較高(249.06 μg/g),Fe含量以紫荊、櫻花、紫葉李、杏梅、海棠和桃花中較高(85.81—118.34 μg/g),Mn含量以杏梅、櫻花、桃花和海棠落花中較高(24.09—25.71 μg/g)。

(2)對(duì)12種落花的分解速率進(jìn)行修正olson模型擬合,結(jié)果表明,除了銀杏分解稍慢(周轉(zhuǎn)期1.12 a),其他落花分解均較快(周轉(zhuǎn)期1.00—1.05 a)。

(3)分解過(guò)程中N、P和K釋放均較快的落花有紫玉蘭、紫葉李、白玉蘭、紫葉李、紅葉李和紫荊,且較之其分解速率,只有櫻花、海棠、紫玉蘭、紅葉李、含笑和紫荊落花中的N呈超速釋出狀態(tài),白玉蘭、桃花、紫葉李、紫荊和銀杏落花中的P呈超速釋出狀態(tài),紫荊落花中K呈超速釋出狀態(tài)。

(4)相關(guān)性分析表明,落花的年分解率與粗蛋白含量、N含量、P含量和K含量均呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與木質(zhì)素含量、木質(zhì)素/N和N/P均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與Cu含量、Zn含量、Fe含量和Mn含量之間則無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)。表明落花中含有較高的粗蛋白、N、P和K含量有利于落花分解,而落花中含有較高的木質(zhì)素含量、木質(zhì)素/N和N/P則對(duì)落花分解不利。