不同林齡刺槐林地凋落物分解及養(yǎng)分釋放對氮沉降的響應(yīng)差異

張曉曦， 胡嘉偉， 王麗潔， 米皓皓， 回虹燕， 李利平

(1. 延安大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 陜西 延安 716000； 2. 長沙理工大學(xué)城南學(xué)院， 湖南 長沙 410076)

凋落物作為聯(lián)系植被和土壤間物質(zhì)循環(huán)的關(guān)鍵紐帶，其能否順利分解直接影響生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)功能和可持續(xù)性[1-2]。近年來，隨著人類活動對自然環(huán)境的干擾程度急劇增加，各類生態(tài)系統(tǒng)中的凋落物分解過程受到廣泛關(guān)注[3-5]。其中，大氣氮沉降可能會通過控制凋落物分解速率的多個因子(如凋落物自身的化學(xué)特性、分解者群落特性和酶活性以及土壤養(yǎng)分環(huán)境)影響凋落物的分解[1，6-8]。

對現(xiàn)有研究的綜述性回顧和薈萃分析結(jié)果表明：氮沉降對凋落物分解可能會產(chǎn)生抑制、無影響或促進等多種結(jié)果[9-11]。除氮沉降水平、氮素形態(tài)和土壤環(huán)境的差異外，不同研究中凋落物自身化學(xué)特性的差異也是導(dǎo)致前述結(jié)果的重要因子之一。例如：C/N比以及木質(zhì)素和酚類含量較高的凋落物能夠與環(huán)境中氮素結(jié)合形成難降解的復(fù)合物，在同等氮沉降處理下其分解更易受到抑制[8，12]；而較之單種凋落物，多種凋落物的混合分解可能會放大氮沉降的抑制效應(yīng)[13]。然而，現(xiàn)有研究主要是通過簡單分析氮沉降對數(shù)種凋落物分解過程的影響，從而探討凋落物化學(xué)特性改變對氮沉降生態(tài)效應(yīng)的調(diào)控作用，其采用的凋落物往往來源于同一演替階段的植被或同一群落。而在自然界中，植被變化引起的凋落物特性改變必然與長期氮沉降過程同步發(fā)生。因此，長期尺度上植被凋落物化學(xué)特性改變是如何影響其分解對氮沉降的響應(yīng)尚需進一步研究。

刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)是黃土高原人工造林時廣泛采用的樹種，在固持水土和改善當(dāng)?shù)厥軗p生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮了十分重要的作用。在林齡增加過程中，林地土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力、刺槐自身養(yǎng)分吸收特性的改變以及林下植被的演替可能導(dǎo)致不同林齡刺槐林地凋落物的化學(xué)特性顯著改變[14]。同時，化石燃料和化學(xué)肥料消費的快速增加使黃土高原地區(qū)的氮沉降量顯著提升[15-16]。在此背景下，研究不同林齡刺槐林地凋落物的分解和養(yǎng)分釋放對氮沉降響應(yīng)的差異，有助于明確該生態(tài)林的物質(zhì)循環(huán)功能及其穩(wěn)定性和可持續(xù)性對長期環(huán)境變化的響應(yīng)趨勢。鑒于此，本研究以林齡10～43 a林地的刺槐及其林下主要草本植物的混合凋落物為研究對象，使用微生物接種法在室內(nèi)模擬氮沉降條件下進行分解試驗。在剝離分解環(huán)境和分解者差異以及隨機干擾的條件下，研究刺槐林林齡增加過程中凋落物的化學(xué)特性變化以及該變化是否影響凋落物分解和養(yǎng)分釋放過程對氮沉降的響應(yīng)。以期進一步理解氮沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的長期影響，并為營林管理措施的制定提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

供試凋落物采自延安市安塞區(qū)紙坊溝流域(東經(jīng)109°19′23″、北緯36°51′30″，海拔1 030～1 407 m)。采樣地為典型黃土高原丘陵區(qū)，屬暖溫帶半干旱氣候，年均降水量549.1 mm，且降水多集中于6月至9月，年均氣溫8.8 ℃。土壤類型以黃綿土為主，分布有大面積的刺槐和沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)等人工林以及白刺花〔Sophoradavidii(Franch.) Skeels〕、白蓮蒿(ArtemisiastechmannianaBess.)、黃花蒿(ArtemisiaannuaLinn.)和狗尾草〔Setariaviridis(Linn.) Beauv.〕等灌木和草本植物。

于2020年秋末，在研究區(qū)選擇立地條件相似、林齡為10、20、33和43 a的刺槐人工林。每種林下隨機設(shè)置5個面積4 m×4 m的凋落物收集網(wǎng)，打擊樹枝收集衰老即將凋落的刺槐葉片，分別混合均勻，去除樹枝等雜物后在65 ℃下烘干至恒質(zhì)量。同時，收集各林地主要林下草本植物枯死的地上部分，分別去除雜物后同樣烘干至恒質(zhì)量。隨后，依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的各林齡林地地表刺槐和主要林下植物凋落物質(zhì)量比的近似值，將各林齡林地的刺槐和草本植物凋落物制成混合物，置入瓶蓋嵌有透氣膜的塑料組培瓶(底部直徑10 cm)中，各瓶混合物均單獨制備，每瓶5.00 g，4種混合凋落物分別制備30瓶，共計120瓶。供試刺槐林基本信息及混合凋落物組成見表1。

表1 供試刺槐林基本信息及混合凋落物組成

依據(jù)文獻[17]中的方法，采用土壤微生物接種方式模擬分解環(huán)境，以避免在后續(xù)測定中受到附著土壤顆粒或有機質(zhì)組分的干擾，并排除因微生物長期適應(yīng)林地凋落物而產(chǎn)生的“主場效應(yīng)”的干擾。接種用微生物來自安塞區(qū)無林荒地。具體方法為：在研究區(qū)選擇遠離采樣林地的無林荒地，隨機設(shè)置10個采樣點，收集每個采樣點的表層(0～10 cm)土壤，混合均勻，取10 g鮮樣與1 kg滅菌蒸餾水混合制成懸濁液，震蕩15 min后靜置，將上清液作為微生物接種液。在制備的凋落物中，用滅菌噴壺統(tǒng)一噴入5.00 g接種液，在此過程中使用滅菌工具翻動凋落物，使其與接種液充分接觸。處理完成后封蓋，使用電子天平(精度0.01 g)稱量每瓶質(zhì)量，靜置1周后凋落物達到相對濕潤而瓶底無明顯積水狀態(tài)，再次稱量每瓶質(zhì)量，確定所有組培瓶內(nèi)的凋落物失水率一致后，開展模擬氮沉降處理和分解試驗。

1.2 方法

1.2.1 模擬氮沉降與凋落物分解試驗 考慮到近年來氮沉降量的增速開始減緩、甚至基本停滯[18]，本文僅研究在持續(xù)較高水平氮沉降下，林齡增加導(dǎo)致的凋落物化學(xué)特性改變?nèi)绾斡绊懫浞纸鈱Φ两档捻憫?yīng)。因此，氮沉降水平選取當(dāng)?shù)氐两笛芯恐型ǔ２捎玫淖畲笾?12 g·m-2·a-1)[16]。依據(jù)文獻[19]對當(dāng)?shù)爻两档牡匦螒B(tài)及各形態(tài)氮質(zhì)量比的研究結(jié)果，以硝酸銨(NH4NO3)作為無機氮(硝態(tài)氮和銨態(tài)氮)來源、以尿素〔CO(NH2)2〕和甘氨酸(NH2CH2COOH)作為有機氮來源，形成混合氮化合物。折算后，三者提供的純氮質(zhì)量分數(shù)分別為70%、15%和15%。

將接種微生物后的每種凋落物隨機分為2組，每組15瓶。隨后，將各組中每5瓶使用膠帶連接，形成3份，用于模擬3個獨立的分解過程(即3個重復(fù))。處理完成后，一組凋落物接受模擬氮沉降處理，具體方式為：在試驗開始(0 d)及分解30、60、90和120 d時，向每個組培瓶中均勻噴入5 mL滅菌氮素溶液(每升含3.2 g硝酸銨、0.51 g尿素和1.28 g甘氨酸，純氮的質(zhì)量濃度為1.60 g·L-1，溶液質(zhì)量基本與7～10 d的蒸發(fā)量持平)。其余試驗時段內(nèi)，每隔7～10 d稱量1次組培瓶質(zhì)量，并根據(jù)質(zhì)量損失噴入等質(zhì)量滅菌蒸餾水。依據(jù)氮素濃度、氮素處理頻率以及組培瓶底面積計算，處理后氮沉降水平為12 g·m-2·a-1。采用上述方法，將凋落物在室溫(20 ℃～25 ℃)、恒濕、避光條件下分解150 d后終止試驗。另一組凋落物用于模擬無氮沉降條件下的分解試驗，將前述處理中所有的氮素溶液替換為等質(zhì)量滅菌蒸餾水，其余處理均與前述保持一致。

1.2.2 指標(biāo)測定 試驗過程中，分別在分解30、60、90、120和150 d回收凋落物。每次回收時，在每組3份凋落物中各隨機選擇1瓶取出凋落物。取出瓶內(nèi)所有的凋落物分解殘留物，去除表面雜物(如明顯的菌絲體等)，在65 ℃下烘干至恒質(zhì)量，記錄殘留物質(zhì)量后干燥避光封存。所有回收完成后，將分解殘留物分別粉碎后過1 mm篩，使用重鉻酸鉀外加熱法[20]34-35測定C含量，使用靛酚藍比色法[20]264-267測定N含量，采用釩鉬黃比色法測定[20]270P含量，使用FOSS Fibertec纖維分析儀(丹麥FOSS公司)測定木質(zhì)素含量，使用福林酚比色法[21]測定多酚含量，使用香草醛-鹽酸比色法[22]測定縮合單寧含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

基于測得的不同林齡林地中主要植物凋落物的基質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)(含C、N、P和難分解物質(zhì)含量，以及據(jù)此計算的化學(xué)計量比)和每種凋落物在林地凋落物中的質(zhì)量分數(shù)，使用FDiversity軟件計算各林齡林地凋落物基質(zhì)質(zhì)量指標(biāo)的群落權(quán)重均值和功能多樣性指標(biāo)(包括功能豐富度指數(shù)和功能分散性指數(shù))，以表征林地凋落物的總體基質(zhì)質(zhì)量和化學(xué)多樣性。

計算每次回收時4種凋落物的質(zhì)量殘留率(R)，使用Olson模型擬合凋落物的分解過程，計算公式為R=mt/m0=e-kt，式中，mt為t時刻的凋落物殘留質(zhì)量，m0為凋落物的初始質(zhì)量，e為自然對數(shù)的底，k為凋落物的年分解速率，t為分解時間；并且據(jù)此計算k、分解前50%所需時間(t0.5)、分解95%所需時間(t0.95，視為完全分解所需時間)以及分解后50%所需時間(tl0.5)，t0.5和tl0.5的計算公式分別為t0.5=-ln0.5/k和tl0.5=-ln0.05/k+ln0.5/k[23]。

使用IBM SPSS 23.0軟件對凋落物分解和養(yǎng)分釋放過程做三因素(分解時間、氮沉降水平和林齡)重復(fù)測量方差分析，同時對同一時間的上述指標(biāo)做單因素(林齡)方差分析，多重比較采用LSD(最小顯著差)法。對同種凋落物在無氮沉降和12 g·m-2·a-1氮沉降條件下的分解參數(shù)做獨立樣本t檢驗。對凋落物在不同處理條件下的分解參數(shù)做雙因素(氮沉降水平和林齡)方差分析。使用SigmaPlot 14.5軟件繪圖。

2 結(jié)果和分析

2.1 林齡增加過程中凋落物化學(xué)特性的變化

不同林齡刺槐林地凋落物的基質(zhì)質(zhì)量和化學(xué)多樣性的變化見表2。結(jié)果顯示：總體上看，刺槐林地凋落物的C、N和P含量隨林齡增加呈升高趨勢，而木質(zhì)素、多酚和縮合單寧含量則呈降低趨勢。林齡33和43 a林地凋落物的C含量、林齡20和43 a林地凋落物的N含量以及林齡20～43 a林地凋落物的P含量均顯著(P<0.05)高于林齡10 a林地凋落物，而林齡43 a林地凋落物的木質(zhì)素含量、林齡20～43 a林地凋落物的多酚含量以及林齡33和43 a林地凋落物的縮合單寧含量均顯著低于林齡10 a林地凋落物；化學(xué)計量比指標(biāo)中，林地凋落物的C/N比、C/P

表2 不同林齡刺槐林地凋落物的基質(zhì)質(zhì)量和化學(xué)多樣性的變化

1)同列不同小寫字母表示不同林齡林地凋落物間差異顯著(P<0.05)Different lowercases in the same column indicate the significant (P<0.05) difference among litters from plantations with different stand ages.

比和木質(zhì)素/N比隨林齡增加均呈“降低—升高—降低”趨勢，但林齡43 a林地凋落物的上述指標(biāo)均顯著低于林齡10～33 a林地凋落物。就化學(xué)多樣性而言，林齡33和43 a林地凋落物的功能豐富度指數(shù)和功能分散性指數(shù)顯著低于林齡10和20 a林地凋落物。表明隨林齡增加，林地凋落物的基質(zhì)質(zhì)量總體呈優(yōu)化趨勢，而其化學(xué)豐富度和分異性則呈降低趨勢。

2.2 不同林齡林地凋落物分解對氮沉降的響應(yīng)差異

不同林齡刺槐林地凋落物分解參數(shù)的方差分析見表3。結(jié)果顯示：不同林齡林地凋落物分解對氮沉降的響應(yīng)存在明顯差異。其中，12 g·m-2·a-1氮沉降處理下，林齡10～33 a林地凋落物的k值顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)減小、而分解前50%所需時間和分解后50%所需時間顯著或極顯著延長，反映出凋落物總體和前、后半程分解在氮沉降處理下均受到顯著抑制，而林齡43 a林地凋落物的分解未受氮沉降的影響。

表3 不同林齡刺槐林地凋落物分解參數(shù)的方差分析

雙因素方差分析結(jié)果(表4)表明：氮沉降水平和林齡均對凋落物的年分解速率以及分解前50%所需時間和分解后50%所需時間具有顯著影響，并且對后者的影響達到極顯著水平，但兩者間不存在顯著的交互作用。

表4 不同林齡刺槐林地凋落物分解參數(shù)的雙因素方差分析

2.3 不同林齡林地凋落物養(yǎng)分釋放對氮沉降的響應(yīng)差異

氮沉降對不同林齡刺槐林地凋落物C、N和P釋放的影響見圖1，進一步的三因素重復(fù)方差分析結(jié)果見表5。由圖1可見：與分解相似，不同林齡林地凋落物的養(yǎng)分釋放對氮沉降的響應(yīng)同樣存在明顯差異，且主要體現(xiàn)在分解試驗后期。其中，林齡10和20 a林地凋落物的C釋放未受氮沉降影響，而林齡33和43 a林地凋落物的C釋放則在分解150 d受到顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)抑制；林齡10 a林地凋落物的N釋放在分解90和120 d受到顯著抑制，林齡20 a林地凋落物的N釋放則在分解60 d受到顯著促進、在分解120和150 d轉(zhuǎn)變?yōu)槭艿綐O顯著抑制，而林齡33和43 a林地凋落物的N釋放則未受氮沉降影響；林齡10和43 a林地凋落物的P釋放分別在分解90以及120和150 d受到顯著或極顯著抑制，而林齡20和33 a林地凋落物的P釋放則均在分解120 d受到極顯著促進。

： 無氮沉降處理 Treatment without nitrogen deposition； ： 12 g·m-2·a-1氮沉降處理 Treatment with 12 g·m-2·a-1 nitrogen deposition.

表5 不同林齡刺槐林地凋落物C、N和P殘留率的三因素重復(fù)測量方差分析

由表5可見：分解時間和氮沉降水平以及兩者的交互作用、氮沉降水平和林齡的交互作用均對凋落物的C、N和P釋放具有顯著或極顯著影響，三者的交互作用僅對凋落物的N和P釋放具有極顯著影響，而林齡對凋落物的C、N和P釋放未表現(xiàn)出顯著影響。

3 討 論

本研究結(jié)果表明：隨林齡增加，刺槐林地凋落物的化學(xué)特性總體呈現(xiàn)有利于分解的變化趨勢，這與馬文濟等[24]和何斌等[25]的研究結(jié)果類似，而與Pradisty等[26]和Cortez等[27]的研究結(jié)果相反。原因可能是本研究中刺槐的快速生長使其對N和P(合成蛋白質(zhì)、核酸和磷脂的關(guān)鍵元素)的需求持續(xù)增加，導(dǎo)致葉片N和P含量提高，而C/N比和C/P比有所降低(在林齡43 a刺槐凋落葉中的N和P含量較林齡10 a刺槐凋落葉分別提高66.67%和29.97%，而C/N比和C/P比分別降低31.32%和11.37%，另文發(fā)表)。同時，由于成熟林生長旺盛，且隨其生長對病蟲害的物理抵抗能力提高，導(dǎo)致其對單寧等保護性物質(zhì)合成的投入逐漸減少[28]，進一步提高了凋落物的可分解性(在林齡43 a刺槐凋落葉中，木質(zhì)素、多酚和縮合單寧含量較林齡10 a刺槐凋落葉分別降低57.89%、37.58%和58.17%，另文發(fā)表)。與此同時，隨刺槐林的林下植物發(fā)生演替，小花鬼針草(BidensparvifloraWilld.)和狗尾草凋落物在林地凋落物中的比例相對降低，被N和P含量更高、難分解物質(zhì)含量更低的野菊(ChrysanthemumindicumLinn.)或針茅(StipacapillataLinn.)凋落物部分替代(野菊和針茅凋落物的N和P含量約為前2種凋落物的1.22～5.42倍，而木質(zhì)素和多酚含量僅為前2種凋落物的39.90%～65.82%，另文發(fā)表)。上述變化也進一步影響了刺槐林地凋落物養(yǎng)分和分解抑制物的總體含量，使其向著更有利分解的方向改變。

本研究結(jié)果表明：與質(zhì)量損失過程不同，氮沉降對凋落物養(yǎng)分釋放的影響普遍局限于分解后期，這與前人關(guān)于氮沉降的抑制效應(yīng)隨分解加強的研究結(jié)果相似[8]。原因可能是在凋落物分解前期，水溶性組分的淋失以及易利用組分的生物降解主要受物理作用影響和細菌控制，受氮沉降的影響較小，其分解速率甚至因相關(guān)酶(如脲酶、磷酸酶和N-乙酰氨基葡糖苷酶等)活性的提高而增加[42-43]。而隨著凋落物的分解，木質(zhì)素和難溶性單寧等的濃度增加，且主要參與上述物質(zhì)降解的類群(如白腐真菌)以及相關(guān)酶(如漆酶、過氧化物酶和酚氧化酶等)活性在凋落物分解中的重要性大幅提高[44-45]，導(dǎo)致氮與上述物質(zhì)的結(jié)合以及氮對分解者和酶的抑制而產(chǎn)生的抑制分解效應(yīng)主要出現(xiàn)在試驗中后期。值得注意的是，氮沉降對養(yǎng)分釋放的抑制現(xiàn)象并非全部出現(xiàn)在低林齡林地凋落物中。特別是對于C和P釋放而言，氮沉降顯著或極顯著抑制林齡33和43 a林地凋落物的C釋放，極顯著抑制林齡43 a林地凋落物的P釋放。其原因可能是對于低林齡林地凋落物而言，C、N和P作為形成有機物碳骨架、蛋白質(zhì)、磷脂、核酸和植素等的核心元素，其釋放必然在一定程度上受到凋落物組織降解程度的控制，因此，在凋落物分解受到氮沉降抑制的條件下，其釋放同樣受到一定的抑制。而對于高林齡林地凋落物，基質(zhì)質(zhì)量較高意味著其易分解組分含量較高，在分解初期其可能會迅速損失C和P，從而使微生物更傾向于在試驗后期固定凋落物中的上述元素以維持生長[43]，最終表現(xiàn)出更低的釋放率。

需要說明的是，本文僅考慮了刺槐人工林林齡增加過程中，林地凋落物化學(xué)特性改變引起的凋落物分解過程對氮沉降響應(yīng)的差異。因此，采用室內(nèi)模擬試驗方式控制環(huán)境因子(光照、濕度、土壤動物和植物根系的入侵)的隨機改變，并以接種相同土壤微生物的方式排除各自林地土壤對凋落物分解產(chǎn)生的“主場效應(yīng)”?？紤]到凋落物自身化學(xué)特性是控制凋落物分解最關(guān)鍵的因子之一，能夠在跨生態(tài)系統(tǒng)或氣候區(qū)尺度上解釋凋落物分解速率變異的主要來源[46]。因此，排除其他因子對凋落物分解的影響具有一定的可行性，不影響本研究的科學(xué)意義。當(dāng)然，建議在后續(xù)研究中進行原位模擬試驗，在更接近真實分解環(huán)境下加深對本文科學(xué)問題的研究。