不同强度间伐对杉木人工林凋落物分解速率的影响
2016-11-17肖文娅刁娇娇费菲关庆伟
肖文娅,刁娇娇,费菲,关庆伟
南京林业大学生物与环境学院//南京林业大学南方现代林业协同创新中心,江苏 南京 210037
XIAO Wenya, DIAO Jiaojiao, FEI Fei, GUAN Qingwei*
College of Biology and Environment//Co-Innovation Center for the Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University,Nanjing 210037, China
不同强度间伐对杉木人工林凋落物分解速率的影响
肖文娅,刁娇娇,费菲,关庆伟*
南京林业大学生物与环境学院//南京林业大学南方现代林业协同创新中心,江苏 南京 210037
为了明晰凋落物分解对间伐强度的响应,本文以南京市溧水区林场间伐7年后的25年生杉木Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.人工林为研究对象,研究了不同间伐强度下凋落物的分解速率和化学组成的变化,并分析其与部分环境因子之间的关系,以期为不同间伐强度对凋落物分解特征影响机制的初步探究奠定基础,为人工针叶林的可持续发展提供科学依据。结果显示,(1)间伐显著改变了杉木人工林凋落物的分解速率;与对照地相比,中度间伐下分解最快,失重率为31.98%;弱度间伐次之,为30.94%;强度间伐则会减缓杉木凋落物的分解,失重率仅达到27.03%。(2)经1年分解,对照地和3种间伐强度下凋落物均表现出N的净积累,中度间伐强度对凋落物中N的影响显著,w(C)/w(N)和w(木质素)/w(N)的年动态变化趋势相似,其中w(C)/w(N)是反映分解速率的理想指标。(3)间伐主要通过影响凋落物层温度、蔗糖酶和纤维素酶的活性来改变凋落物的分解速率。本研究结果表明,适度间伐能够改变凋落物层温度和酶活性,加速杉木人工林凋落物的分解,减缓过分积累,促进土壤养分的输入;过度间伐会抑制凋落物分解,阻滞养分的回归与利用。该研究对进一步揭示间伐对森林系统中物质及养分循环的影响机制有一定意义,可为制定合理有效的营林措施,促进针叶人工林养分循环提供一定的科学依据。
杉木人工林;间伐强度;凋落物;化学成分;分解速率
XIAO Wenya, DIAO Jiaojiao, FEI Fei, GUAN Qingwei. Effects of different intensity thinning on litter decomposition in Chinese fir plantations [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2016, 25(8): 1291-1299.
我国人工针叶林面积达到4.7×107hm2,占全国森林总面积的68%,是阔叶树种面积的2倍多,而森林资源质量不高,林地维护管理力度不够等是我国人工林所面临的主要问题(吕瑞恒,2010)。凋落物分解缓慢和营养元素释放的滞后,必然影响人工针叶林的正常生长(杨明等,2010)。加速人工针叶林凋落物的分解,是实现人工针叶林可持续经营的重要途径。间伐作为一种重要的森林经营技术,能够促进林下更新和林木生长(王祖华等,2013),在改善和维持林地土壤肥力(张鼎华等,2001)等方面应用广泛。凋落物的性质与营林措施、林分的树种组成密不可分,不同的间伐强度对凋落物的性质具有重要影响(苏芳莉等,2007)。
Roig et al.(2005)对2种间伐强度下凋落物的研究表明,间伐强度的增加导致凋落物产量减少。间伐后凋落物分解的加速可减少凋落物的积累,使回归土壤的养分含量增加和土壤肥力时间性延长(曹云等,2005;张鼎华等,2001;Blanco et al.,2011)。Navarro et al.(2013)对3种间伐强度下1年的凋落量动态研究表明,间伐不仅改变了凋落物分解和养分循环过程,还影响了林分生产力以及下层植被多样性。间伐后林冠密度的降低有利于太阳光透射至土壤中,并能够促进不耐荫植物主导地位的恢复,导致凋落叶减少、凋落物分解加速(Rietl et al.,2012)。此外,间伐后凋落物分解加快有利于整个系统的N循环(Slodicak et al.,2005),使植被落叶时间提前并含有更高浓度的N(Inagaki et al.,2008)。Kunhamu et al.(2009)对3种不同强度间伐的研究表明,间伐降低了凋落物中N、P、K的含量,落叶量较低。综合以上研究成果可知,目前有关间伐对林下凋落物的研究主要集中于养分循环和分解速率,而间伐如何影响凋落物层的物理、化学和生物学特性尚不明朗,有待进一步研究。
为此,本研究以南京市溧水区林场不同强度间伐7年后的25年生杉木人工林Cunninghamia lanceolata (Lamb.)Hook.为研究对象,旨在明晰间伐影响凋落物的作用机制,并验证以下假设:(1)杉木人工林凋落物分解速率随间伐强度增大而加快;(2)微生物和酶活性对间伐的响应是影响凋落物分解和化学释放差异的主要因子。通过以上研究初步探究不同间伐强度下凋落物分解特征和影响机制,以期为人工针叶林的可持续经营提供科学依据。
表1 2012年试验林分的基本状况Table 1 Basic status of experiment plots in 2012
1 材料与方法
1.1研究地自然概况
研究地位于江苏省南京市溧水区林场的秋湖分场(31°36′N,119°01′E),属丘陵岗地,平均海拔约100 m。研究区内基岩由石英粗石岩、粗安岩及砂岩组成,山地土壤多数为地带性黄棕壤,厚度10~100 cm,呈微酸性,局部地段岩石裸露较多。属亚热带向温带过渡的气候带,年平均气温15.5 ℃,年平均日照2146 h,年平均降水1005.7 mm,无霜期220 d,四季分明。土壤均为结构疏松的黄棕壤,含石量约为20%,枯枝落叶层厚度11.5~21.5 cm。植被以人工林和通过封山育林形成的次生林为主。林分类型主要有马尾松Pinus massoniana Lamb.、杉木Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook.纯林,麻栎Quercus acutissima Carruth +小叶栎Q.chenii Nakai.、杉木+麻栎和马尾松+麻栎混交林等。
1.2样地设置
试验区样地设在25年生的杉木人工林,乔木平均高11 m,平均胸径10.42 cm。更新层树种主要有刺楸Kalopanax septemlobus (Thunb.) Koidz、茅栗Castanea seguinii Dode、乌桕Sapium sebiferum (L.)Roxb.、朴树Celtis sinensis Pers.、盐肤木Rhus chinensis Mill.、山胡椒Lindera glauca (Sieb. & Zucc.) Bl.等,灌草层主要有菝葜Smilax china L.、豆腐柴Premna microphylla Turcz.、悬钩子Rubus corchorifolius L.f.、海金沙Lygodium japonicum(Thunb.) Sw.等。
为了研究间伐对杉木人工林结构、功能及过程的影响,于2006年在溧水区林场选择立地条件相近的19年生杉木人工林,随机设置了12块20 m×20 m的固定样地,样地间有5 m以上的未间伐隔离区,根据树木生长状况和空间分布状态,对每块样地分别实施了不同强度的单株间伐处理:弱度间伐(light intensity thinning,LIT,约30%,株数强度,下同)、中度间伐(medium intensity thinning,MIT,约50%)、强度间伐(high intensity thinning,HIT,约70%),每种间伐强度重复3次,并设置1个未间伐的对照组(control check,CK)。本次调查在上述固定样地中进行。2012年凋落物取样时,统计样地内乔木(直径≥4 cm)的株数,实测胸径、树高。试验样地基本情况如表1所示。
1.3凋落物样品分析及影响因素测定
凋落量的测定:2012年12月,在各样地中设置10个凋落物收集框,框时大小为l m×l m,孔径为1.0 mm的尼龙网兜,固定于地表约50 cm处。分别于2013年3月、6月、9月、12月收集凋落物,带回实验室置于80 ℃下烘干至恒重,计算凋落物烘干重量。
凋落物分解速率的测定:于2012年12月在4种样地进行凋落物收集,主要收集地面刚落的干枯枝叶。收集的凋落物在80 ℃下烘干恒重后,称取12.0 g装入大小为15 cm×25 cm,孔径为1 mm的凋落物袋中,共480个。于2012年12月将凋落物袋分别置于3种不同处理和对照样地土壤表面,除去地表层的凋落物,让袋中凋落物自然分解。分别于2013年3月、6月、9月和12月从3种处理和对照样地中回收3~5个凋落物袋,进行室内分析。将收集采回的凋落物洗净后置于80 ℃下烘干至恒重,采用失重率法计算凋落物分解动态。
化学成分的测定:初始凋落物及分解过程中C、N含量采用元素分析仪2004(II)分析测定。木质素、纤维素的测定采用酸性洗涤纤维法。
凋落物层温湿度测定:2012年12月凋落物布样时,于每个样地下凋落物分解袋中随机布置3~5个纽扣式温湿度记录仪(Hygrochron DS1923 USA),设定频率为每小时记录1次实时温度和湿度,连续记录1年凋落物层温度和湿度的变化,并统计每月平均温度、最高温、最低温和平均相对湿度。
凋落物中微生物群落数量测定:采用常规的平板稀释法。称取每种凋落物鲜样各5 g,置于45 mL的无菌水中,用摇床在室温下振荡30 min,在无菌环境下,移取10 mL菌液到90 mL无菌水中进行10倍稀释,形成10-1、10-2、10-3、10-44个梯度。真菌培养取10-3菌液0.1 mL涂布于马丁氏培养基上,培养72 h;细菌培养取10-4菌液0.1 mL涂布于牛肉膏蛋白胨培养基上,培养24 h;放线菌培养取10-3菌液0.1 mL涂布于改良高氏一号培养基上,培养48 h。培养温度为(28±1)℃,计算菌落数,每个样品每种培养基各3皿,取其平均值。
凋落物中过氧化物酶、脲酶、酸性磷酸酶、脱氢酶、纤维素酶及蔗糖酶活性的测定方法:参照关松荫(1986)的《土壤酶及其研究法》及严昶升(1988)的《土壤肥力研究方法》。
1.4数据处理
根据以下公式计算分解指标:
式中,Ri为第i月凋落物失重率,Wi为第i个月凋落物干重,Wi-1为第i-1个月凋落物干重。
数据统计分析:利用Origin 8.5软件完成数据作图,利用SPSS 16.0软件对数据进行主成分分析及典型相关分析,利用Canoco 4.5软件对数据进行冗余分析和作图。凋落物基质质量和土壤各变量间的显著性检验采用单因子方差分析(ANOVA)的最小显著差异法(LSD),显著性水平设定为α=0.05。
图1 不同间伐强度杉木人工林凋落物量季节动态变化Fig. 1 Seasonal litter fall under different thinning intensities in Chinese fir plantation
2 结果分析
2.1杉木人工林凋落量
不同间伐强度下杉木人工林凋落量的季节动态变化如图1。结果表明,与对照相比,中度间伐的凋落物量季节变化趋势与对照样地相似,有两次凋落峰期,分别为6月和12月。弱度间伐和强度间伐则对凋落量的影响较大,峰值分别出现在9月和12月。在进入秋季后(9月后),弱度、中度间伐及对照样地均进入凋落高峰期,9—12月期间,凋落量分别达到1.033、0.740、0.772 t·hm-2。强度间伐下3—6月、9—12月凋落量则趋于平缓,全年凋落量较少,仅为0.507 t·hm-2。弱度、中度间伐和对照样地的凋落量峰值较为明显,都集中在9—12月份。全年凋落量高低顺序为弱度间伐>中度间伐>对照样地>强度间伐。
表2 不同间伐强度下凋落物初始化学组成Table 2 Initial compounds of litter under different thinning intensities
2.2不同间伐强度下杉木人工林凋落物初始化学组成的变化
与对照相比,间伐后杉木凋落物中碳含量无显著变化,为47.97%~49.74%。强度间伐下凋落物中初始氮含量显著降低,而弱度和中度间伐对凋落物中氮的影响并不显著。与对照相比,中度间伐对凋落物中木质素含量的提高作用较为显著,纤维度含量为中度间伐>对照>强度间伐≈弱度间伐,中度间伐显著提高了凋落物中木质素及纤维素的含量,而弱度、强度间伐则降低了凋落物中纤维素的含量。同时,间伐对杉木林凋落物中初始w(木质素)/w(N)也有显著影响,均表现为提高作用,与对照相比,中度间伐对凋落物中的w(木质素)/w(N)的提高作用最为显著,而间伐对w(C)/w(N)并没有显著的影响(表2)。
2.3不同间伐强度下杉木人工林凋落物化学组成动态变化
由图2a可知,杉木凋落物分解过程中纤维素在弱度间伐、中度间伐及强度间伐下均表现为在180~270 d分解明显,剩余含量明显降低;而对照样地凋落物中纤维素在270~360 d处于大量分解状态,剩余含量显著降低。分解1年后,与对照样地相比强度间伐对纤维素分解的阻滞作用较为显著,剩余含量达到8.64%。针叶凋落物分解过程中,木质素属于较难分解的一部分,随着时间的推移,木质素比例逐渐积累而提高。与对照相比,间伐后的3种样地木质素在90~270 d分解明显,而270 d以后分解较为缓慢(图2b)。对照样地和间伐后杉木人工林地内凋落物随着放置时间的延长,C含量均明显下降,间伐凋落物分解过程中C含量与对照地无显著差异(图2c)。
由图2d可知,3种间伐和对照样地下,凋落物分解过程中N均呈现积累-释放状态,未间伐、弱度间伐及中度间伐N积累期为0~90 d,强度间伐为0~180 d。通过1年的分解,3种间伐和对照样地下冬季N含量与初始N含量的差值分别为:未间伐0.28,弱度间伐0.32,中度间伐0.55,强度间伐0.34,均表现为N的净积累。原因可能在于凋落物中常出现N短缺,容易被微生物所固持,从而使N含量增加。在180 d时,3种间伐和对照样地下凋落物中N含量差异较为显著,可能是由于90~180 d内的分解动态差异较大,对养分的固持有一定的差异。经1年的分解,凋落物中N含量高低顺序为中度间伐>弱度间伐>对照>强度间伐,其中中度间伐与对照样地相比差异性显著。这与其凋落物年分解率相似,在于N的含量决定微生物生物量的增长和微生物矿化的有机碳的周转。
图2 不同间伐强度下凋落物中的化学组成剩余总量的变化Fig. 2 Changes of remain chemical composition of litter in different thinning intensities during composition
图3 不同间伐强度下凋落物中w(C)/w(N)年动态变化Fig. 3 The dynamic of w(C)/w(N) in litter in different thinning intensities
由图3和图4可知,3种间伐和对照样地下的凋落物分解过程中的w(C)/w(N)年动态变化十分相似,均呈现先减小后增加的趋势。春季(0~90 d)为w(C)/w(N)大幅下降时期,降幅超过30。未间伐与中度间伐w(C)/w(N)最小出现在180d,弱度与强度间伐最小值出现在270 d,但180~270 d期间3种间伐和对照样地下的凋落物中w(C)/w(N)均比较接近。经凋落物分解1年的年动态趋势来看,间伐对杉木人工林凋落物分解过程中w(C)/w(N)的年动态变化趋势相似,均先呈降低趋势,后维持在25。仅中度间伐下冬季的w(木质素)/w(N)低于初始值,而在其它样地下均呈增长趋势,增幅为强度间伐>对照>弱度间伐。整个分解过程中,w(木质素)/w(N)呈先减小后增大的趋势,分解过程中的180~360 d期间,3种处理和对照样地下的凋落物中w(木质素)/w(N)均为逐渐增大,强度间伐增长趋势陡峭,而未间伐、弱度及中度间伐长势相近。这也进一步表明了与未间伐相比,强度间伐会影响凋落物分解过程中(180~270 d)木质素的降解,对杉木人工林凋落物分解具有一定的阻滞作用,而中度间伐在年分解过程中能减小w(木质素)/w(N),从而加速杉木人工林凋落物的分解。
图4 不同间伐强度下凋落物中w(木质素)/w(N)年动态变化Fig. 4 The dynamic of l w(lignin)/w(N) in litter in different thinning intensities
图5 不同间伐强度下杉木人工林凋落物失重率变化动态Fig. 5 Weight loss rate of litter under different thinning intensities in Chinese fir plantation
2.4间伐强度对杉木凋落物分解速率的影响
由图5可知,对照地凋落物失重率为27.96%,弱度间伐为30.94%,中度间伐为31.98%,强度间伐下为27.03%。凋落物年失重率大小顺序为中度间伐>弱度间伐>对照地>强度间伐。其中,中度间伐、强度间伐与未间伐样地凋落物均在秋季分解最旺盛,而弱度间伐下凋落物在夏季分解最旺盛。在整个生长季(90~270 d),弱度间伐凋落物失重率与气温走势相同,中度间伐下失重率则与之呈相反趋势,而强度间伐下失重率逐渐上升。凋落物分解180 d时,处理间差异极为显著,而其他时期相差不大,主要原因在于该时期内的凋落物化学成分差异显著。间伐后样地内在180 d氮含量随间伐强度的增大而增大,可提升微生物数量,增加有机碳的周转,且180 d中度及强度间伐内木质素的分解能力显著降低,而凋落物分解过程中的损失主要经过淋溶、生物和物理粉碎以及微生物的生物化学降解等作用,造成180 d不同处理下的分解率差异显著。同时,凋落物分解速率与温湿度、土壤动物、微生物密切相关,间伐能改变林下植被多样性及数量,从而显著影响林内小环境(赵朝辉等,2012),引起不同间伐强度下与凋落物分解相关因子的变化。由此可见,间伐对林下凋落物的分解速率有显著影响。
表3 杉木人工林凋落物分解速率与基质质量相关性分析Table 3 Correlation between litter decomposition rates and litter substrate quality in Chinese fir plantation
表4 不同间伐强度下环境因子响应程度的主成分分析Table 4 PCA of environment factors responded of different thinning intensities
由表3可知,杉木人工林下凋落物分解与凋落物的w(C)/w(N)呈显著负相关,表明w(C)/w(N)是评价杉木人工林下凋落物分解速率高低的较好指标。凋落物分解速率与w(N)和w(木质素)/w(N)不存在显著相关性。w(纤维素)与w(木质素)/w(N)(P=0.026)、w(木质素)(P=0.021)显著相关,w(木质素)/w(N)与w(C)、w(N)和w(木质素)极显著相关(均为P<0.001),w(C)/w(N)和凋落物的w(C)显著相关(P=0.011),表明凋落物中碳成分主要表现为木质素和纤维素。
2.5环境因子对凋落物分解的影响
通过主成分分析对不同间伐强度下凋落物层均温、最高温、最低温、相对湿度、真菌数量、细菌数量、放线菌数量、过氧化物酶、脱氢酶、脲酶、酸性磷酸酶、纤维素酶、蔗糖酶活性共13项因子的数据进行降维,所得结果如表4所示。2013年春季(3月)PC1、PC2分别解释了间伐对上述各项指标影响程度的35.403%和23.667%;2013年夏季(6月)PC1、PC2、PC3分别解释了27.548%、 23.115%、18.825%;2013年秋季(9月)PC1、PC2、PC3分别解释了34.452%和20.435%、14.615%,2013年冬季(12月)PC1、PC2、PC3分别解释了35.342%和29.451%、11.295%。通过对各项系数的比较发现,春季凋落物层蔗糖酶活性、纤维素酶活性、低温及均温对间伐的响应程度较大,不同间伐强度下差异较为明显;夏季相对湿度、均温、酸性磷酸酶活性及蔗糖酶活性对不同间伐强度的响应较为显著;秋季相对湿度、高温、酸性磷酸酶活性、纤维酶活性对不同间伐强度的响应较为显著;冬季纤维素酶活性、低温、均温、过氧化物酶活性及放线菌数量对不同间伐强度的响应较为显著。
综合以上指标,对间伐强度响应程度较高的主要因子进行分析,可筛选出凋落物层相对湿度、最低温度、平均温度、放线菌数量、酸性磷酸酶活性、蔗糖酶活性及纤维素酶活性等7项因子与凋落物分解情况进行冗余分析,可将对间伐响应程度大的影响因子用来预测凋落物分解速率的快慢(图6)。第1、2、3、4轴的特征值分别是0.204、0.087、0.038和0.011。第1轴解释了大部分的凋落物分解的差异,凋落物分解和环境的相关系数是0.741(表5)。经蒙特卡罗检验(F=6.090,P=0.003),满足冗余结果分析。结果显示,凋落物分解显著受到凋落物层纤维素酶活性、蔗糖酶活性、平均温度和最低温度的影响,分别可以解释14.9%、11.8%、11.6%和10.9%的凋落物分解情况。从图6中可知,凋落物层均温和最低温与凋落物分解率呈正相关关系,与凋落物w(C)/w(N)变化呈负相关,这表明凋落物分解速率随着凋落物层温度的升高而加快,但凋落物中w(C)/w(N)则会因温度的升高而降低;而凋落物中w(C)与凋落物层纤维素酶和蔗糖酶活性呈显著正相关,与温度呈显著负相关,这表明分解凋落物的纤维素酶和蔗糖酶活性随着凋落物w(C)的增加而增加,但温度升高会抑制分解酶的活性从而抑制凋落物中碳的分解。进一步表明温度升高使凋落物分解加速是通过加快其他化学成分的降解,从而促进整个林分系统的养分循环。
图6 凋落物基质质量与环境因子RDA二维排序图Fig. 6 Two-dimensional diagram of RDA between litter substrate quality and environment factors
3 讨论
3.1凋落物化学组成对分解的影响
凋落物的化学组成一定程度上代表了凋落物的相对可分解性,不同种类的植物,其凋落物的化学特性也会有所差异(杨曾奖等,2007)。Heal et al.(1997)和林波等(2004)的研究表明,w(C)/w(N)是影响其分解速率最重要的本质属性,与本研究结果相一致,凋落物分解速率与之呈显著负相关性。由于杉木叶的硬度及木质化程度相对较高(黄付平等,1994),其叶质较厚较硬,木质素和纤维素对腐解凋落物的微生物有抵抗性,同时N又是影响微生物活动的主要因子。间伐改变透光性能,从而改变植物生长期间叶、茎等器官化学成分如纤维素等的含量(杨曾奖等,2007),对其分解速率的制约可能更为明显,因此用凋落物中w(C)/w(N)来反映间伐对杉木凋落物分解的影响较为理想。w(C)/w(N)越低,耐分解化合物的含量就越少,凋落物分解得就越快。
3.2环境因子对凋落物分解的影响
间伐改变林冠层状态,影响了林内小气候;凋落物的化学性质与林分特征主要决定了凋落物分解过程中的酶活性(Kourtev et al.,2002);本研究结果表明,凋落物层蔗糖酶及纤维素酶活性和凋落物层温度与凋落物分解的相关性较大,而间伐通过改变林分密度及郁闭度,可间接调控凋落物的化学成分释放,从而影响凋落物中的微生物群落结构,改变其分解速率。
间伐后林分密度及林内可到达地面辐射量的改变对凋落物层温度有直接影响,从而决定了凋落物中纤维素酶和蔗糖酶活性,进而对凋落物分解及养分释放产生了影响。这与Moore et al.(1999)的研究结果相一致,平均气温是与凋落物分解速率最密切相关的气候因子,且随着温度升高,凋落物分解速率也有加快的趋势(Vitousek et al.,1994)。本研究中纤维素酶是分解过程中起主要作用的水解系酶类,和Kshattriya et al.(1992)的研究结果相一致,纤维素酶活性受凋落物中多糖及碳含量的显著影响,同时N含量的增加对纤维素酶对凋落物的降解也有提升作用。凋落物分解过程中,不同阶段起主要分解作用的酶系不同,蔗糖酶在第一阶段起主要作用(郑洪元等,1983),随着分解的不断增加,纤维素酶解释了大部分凋落物分解速率的差异,这与Waring(2013)的结果相一致。
表5 凋落物分解特性与环境因子相关性的Canoco 4.5分析结果Table 5 Canoco 4.5 analysis results of litter decomposition characteristics and environmental factors
3.3间伐对凋落物分解的影响
以上分析结果表明,不同间伐强度对杉木人工林下凋落物的分解速率影响显著,但分解速率并不随强度的增大而加快,与假设不相符。其中,中度间伐分解速率最快,弱度间伐次之,而强度间伐则会减缓杉木凋落物的分解,这与前人研究结果相一致(曹云等,2005;张鼎华等,2001)。地表温度的增加(胡建伟等,1999),水热条件的改变,直接影响凋落物分解过程中的淋溶作用和微生物活动,从而对凋落物分解动态产生显著影响(胡霞等,2012)。另外,紫外线透射的增强,能直接增加凋落物中木质素的光降解作用从而促进凋落物的分解(张慧玲等,2010)。过度间伐则使林地过分暴露在阳光下,造成湿度降低(Ritter,2005),改变分解者包括土壤动物和微生物的种类组成、数量、活性和繁殖,从而抑制凋落物的分解。
间伐对凋落物层温度的改变,能直接影响凋落物层纤维素酶及蔗糖酶的活性,间接调控凋落物分解过程中化学成分的释放,影响凋落物中微生物的群落结构及功能,从而改变了杉木凋落物的分解速率。此结果与本文假设不一致,间伐直接改变凋落物层温度,影响凋落物中纤维素酶和蔗糖酶活性,进而对凋落物分解产生了影响。而凋落物分解速率直接决定了其向土壤中输送的养分含量,决定着整个系统中物质及养分的循环速度。
4 结论
综上所述,适度间伐能够改善凋落物分解环境,加速杉木人工林凋落物的分解,减缓过分积累,促进土壤养分的输入;而过度间伐则会造成凋落物分解减慢,阻滞养分的回归与利用。间伐主要通过改变温度和酶活性,影响了杉木人工林凋落物分解,进而改变了土壤养分积累。
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Effects of Different Intensity Thinning on Litter Decomposition in Chinese Fir Plantations
In order to understand the response of litter decomposition on thinning intensity, we study the dynamic changes of litter decomposition rate and chemical composition, and analyze their relationships with a part of environmental factors in a Chinese fir plantation in Lishui District, Nanjing. The purpose is to lay the foundation for the study of different thinning intensities on litter decomposition mechanism characteristics, and provide scientific basis for the sustainable development of artificial coniferous forests. The results are as follows: (1) Litter decomposition rate has been significantly affected by thinning. Compare with control check,litter decomposes fastest in medium-intensity-thinning (mass loss: 31.98%) and faster in light-intensity-thinning (mass loss: 30.94%),but it shows a decrease in high intensity thinning (mass loss: 27.03%). (2) During one year decomposition,it has showed a net accumulation of w(N) and similar trends of w(C)/w(N) and w(lignin)/w(N) in all plots. Among them, medium intensity thinning has a significantly influence on nitrogen content. In addition, w(C)/w(N) is an ideal indicator to reflect litter decomposition rates. (3)Through change the temperature and activities of cellulase and invertase in litter layer, thinning can influence litter decomposition rate. Our results suggest that moderate thinning can change the litter layer temperature and enzyme activities, accelerating the decomposition of litter in a Chinese fir plantation, thus, reduce excessive litter accumulation, improving soil nutrient input. However,excessive thinning will inhibit the litter decomposition, nutrient utilization and return block. This study is meaningful of further exploring the mechanism of material and nutrients' cycle affected by thinning. It can provide some scientific basis for developing reasonable and effective measures to promote the forest, promoting conifer plantation nutrient cycle.
Chinese fir plantation; thinning intensities; litter; chemical composition; decomposition rate
XIAO Wenya, DIAO Jiaojiao, FEI Fei, GUAN Qingwei*
College of Biology and Environment//Co-Innovation Center for the Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University,Nanjing 210037, China
10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.08.006
S718.55; X171.1
A
1674-5906(2016)08-1291-09
国家林业公益性行业科研专项“提高城市森林固碳能力的关键技术研究与示范”(201104075);江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(KYLX16_0832);江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)
肖文娅(1990年生),女,博士研究生,研究方向为森林生态系统结构及功能。E-mail: zizi0931@163.com
2016-03-24
引用格式:肖文娅, 刁娇娇, 费菲, 关庆伟. 不同强度间伐对杉木人工林凋落物分解速率的影响[J]. 生态环境学报, 2016, 25(8): 1291-1299.