模拟酸雨对大兴安岭3个树种凋落叶分解速率和溶解有机碳的影响

赵晶晶，杜其霖，国润才，刘志强，程宇琪，王雨晴，杜 浩，张成福

模拟酸雨对大兴安岭3个树种凋落叶分解速率和溶解有机碳的影响

赵晶晶1，杜其霖2，国润才1，刘志强3，程宇琪1，王雨晴1，杜 浩1，张成福1

（1. 内蒙古农业大学 沙漠治理学院，内蒙古 呼和浩特 010010；2. 内蒙古自治区水利科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010051；3. 内蒙古自治区大兴安岭林管局营林处，内蒙古 呼伦贝尔 021000）

利用室内分解袋法研究模拟酸雨对大兴安岭根河地区白桦Betula platyphylla，杜香Ledum palustre，兴安杜鹃Rhododendron dauricum凋落叶分解速率及分解释放溶解有机碳的影响，分别设置pH3.5，5.0和7.0三个梯度。结果表明，分解过程中3个树种凋落叶在pH 3.5的质量损失最少，其次是pH 5.0和7.0；不同树种对酸雨胁迫的影响具有一定的差异；3个树种凋落叶的失重率为：杜香＞白桦＞兴安杜鹃；3个树种凋落叶的失重率和分解速率均与凋落叶初始C浓度、木质素浓度、C/N比和木质素/N呈显著负相关，与N，P和纤维素浓度呈显著正相关；3个树种凋落叶分解释放溶解有机碳都是先增加后减少，后趋于动态平衡减少状态。

模拟酸雨；凋落叶分解；溶解有机碳；分解速率

酸雨或酸沉降（Acid rain，acid precipitation）是指pH值小于5.6的酸性降水（雨、雪、雾等形式），包括湿沉降（如酸雨、酸雾、酸霜、酸雪等）和干沉降（如NOX，SO2，HCL等气体酸性物）[1]。随着城市化进程和工业化进程的快速推进，能源被消耗的同时并大量污染物被排放出，解决酸雨问题变得越来越迫切。酸雨会在不同尺度上导致森林的变化[2-4]，酸雨造成的酸沉降引起森林木材储蓄量减少以及农作物减产等[5-6]。大兴安岭根河地区也受到了酸雨的影响。有数据记录以来，该地区降水酸度一直呈现上升趋势，且酸沉降造成大兴安岭森林生态系统的退化，它不仅直接损伤植物，而且会降低土壤的缓冲能力以及供给植物生长的有效成分[7-8]。随着酸沉降造成的影响越来越受到关注，研究林区酸度变化对森林凋落叶分解释放溶解有机碳的影响对于大气碳循环很有必要[9]。20世纪70年代以来，国内外关于酸雨对森林生态系统的影响研究主要集中在酸雨对植物生理生化性质和形态结构的影响[10-14]，而在酸雨对凋落物分解过程方面的影响关注还不多。

溶解有机碳（Dissolved organic carbon，DOC）的分布、迁移和转化对碳循环具有很重要的意义[15]。森林凋落叶分解释放DOC是森林生态系统碳循环中很重要的一部分。森林有机碳库储量的微小变化，都可能显著影响大气CO2浓度的变化[16]。大兴安岭是中国主要的林业基地之一。白桦Betula platyphylla，杜香Ledum palustre，兴安杜鹃Rhododendron dauricum是大兴安岭3种广泛分布的天然林树种，其生长、死亡以及残体分解对森林生态系统营养碳循环有着重要的作用。本研究以白桦、杜香和兴安杜鹃作为研究对象，通过室内模拟酸雨试验方法，研究其对凋落叶分解速率及分解过程中释放DOC的影响，以期能提高人们对酸雨对于森林生态系统物质循环和能量流动影响的认识[17]，能更好地预测森林生态系统对酸雨胁迫的响应，为我国森林资源保护和环境管理提供参考。

1 材料与方法

1.1 样本采集及处理

样品采集于大兴安岭北部，内蒙古自治区呼伦贝尔根河林业局境内，50°05′01″ ～ 53°33′25″ N，121°11′02″ ～127°01′17″ E。海拔700 ～ 1 530 m。寒温带湿润季风性气候区，年降水量400 ～ 500 mm，土壤类型主要有棕色针叶林土、灰色森林土、河滩森林土、草甸土等。

2016年8月，于内蒙古根河市上央格气林场收集适量的白桦、杜香、兴安杜鹃刚凋落的新鲜叶，带回实验室用蒸馏水冲洗去杂物及泥沙，室内风干，用于分解试验。分解试验采用尼龙网袋法，尼龙袋孔径0.5 mm，大小15 cm×10 cm。称取每树种凋落叶干样约8 g，装入尼龙网袋，做2个重复，凋落物干样共54袋，放入温度（12℃）和湿度相同（60%）的2个培养箱中。将原状凋落叶按其自然存在状态放置于尼龙网袋内，做好标签。于2016年10月26日将网袋放入培养箱，每隔15 d取出1次，用模拟酸雨（pH 3.5，pH 5.0和pH 7.0）的硫酸溶液浸泡1 h后，测定溶液的溶解有机碳浓度。模拟使用的酸雨是利用98%的浓硫酸溶液与蒸馏水按照比例混合稀释配置。模拟酸溶液与凋落物的比为125:1（体积：质量）。实验结束时将凋落叶取出放回培养箱。试验周期为165 d。

1.2 测定指标及方法

DOC经0.2μm滤纸过滤，采用日本岛津溶解有机碳分析仪TOC-L测定。全碳采用重铬酸钾法-外加热法测定。全氮测定采用凯氏定氮法。全磷测定：凋落叶样本用硫酸-过氧化氢消化，使各种形态磷转变成磷酸盐，正磷酸盐与钼锑抗显色剂反应，生产磷钼蓝，蓝色溶液的吸光度与含磷量呈正比例关系，用酶标仪测定。木质素测定：木质素是由聚合的芳香醇构成的一类物质，存在于木质组织中，位于纤维素纤维之间，木质素中的酚羟基发生乙酰化后在280 nm处有特征吸收峰，280 nm的吸光值高低与木质素浓度正相关，从而测得木质素含量。纤维素测定：纤维素为β-葡萄糖残基组成的多糖，在酸性条件下加热能分解成β-葡萄糖。β-葡萄糖在强酸作用下，可脱水生成β-糠醛类化合物。β-糠醛类化合物与蒽酮脱水缩合，生成糠醛衍生物。颜色的深浅可间接定量测定纤维素浓度。

1.3 数据处理

运用Excel 2010整理后，应用SPSS 20.0统计分析软件中单因素方差分析对不同浓度酸浸泡的凋落叶分解速率及释放的DOC进行差异性检验。采用R软件对3个树种凋落叶初始成分与分解速率、最高DOC浓度进行相关矩阵运算。主要指标计算方法如下：

失重率（Pw）计算：

式中，Wt为分解t时间后枯落物的残留量（g），W0为枯落物的初始重量（g），t为分解时间（d）。

分解速率：根据Olson[18]指数衰减模型Wt/W0＝e-kt，对分解残留率数据进行自然对数转换后，线性拟合得到分解速率常数k 值。

2 结果与分析

2.1 3个树种凋落叶初始成分

3树种凋落叶的初始主要化学成分C，N，P浓度和C/N比差异显著（表1）。杜香凋落叶碳浓度比白桦碳浓度低9.04%，比兴安杜鹃低12.59%，但杜香凋落叶氮浓度比白桦凋落叶氮浓度高34.23%，比兴安杜鹃高50.70%；同时，杜香凋落叶磷浓度比白桦磷浓度高34.23%，比兴安杜鹃磷浓度高40.27%。杜香凋落叶木质素浓度比白桦低26.82%，比兴安杜鹃低41.14%。兴安杜鹃、白桦和杜香凋落叶的C/N比分别为4.46，3.80和1.92。兴安杜鹃具有较高的C/N比和木质素/N，以及较低的纤维素浓度。

表1 初始凋落叶样品化学成分及C/N比及木质素/N比Table 1 The chemical composition, ratio of C/N and lignin/N in leaves before test

2.2 不同pH梯度3个树种凋落叶分解速率的变化特征

由表2可知，杜香、兴安杜鹃和白桦凋落叶在分解过程中，杜香凋落叶的平均失重率和平均分解速率高于白桦和兴安杜鹃凋落叶。在pH 3.5，pH 5.0和pH 7.0酸溶液处理下，经过165 d的分解，杜香凋落叶失重率分别为39.86%，40.61%和54.16%，分解速率分别为0.003 0 d-1，0.003 2 d-1和0.004 7 d-1。杜香、兴安杜鹃和白桦凋落叶失重率和分解速率总体表现为随着pH浓度的升高而增高。

表2 模拟酸雨处理对凋落叶失重率及分解速率的影响Table 2 Effect of simulated acid rain treatment on weight loss rate and decomposition rate of leaves of different tree species

2.3 不同浓度pH对3个树种凋落叶分解释放DOC的影响

杜香、兴安杜鹃和白桦凋落叶分解过程中，兴安杜鹃分解释放DOC均高于杜香和白桦（图1）。在pH 3.5，pH 5.0和pH 7.0处理下，3个树种凋落叶分解释放DOC均随时间的推移而先增加后减少，初期分解释放较多，到第30天呈现先快后缓慢的下降趋势，到第75天趋于平稳下降状态。3个树种凋落叶在pH 3.5，pH 5.0和pH 7.0酸淋溶下释放DOC具有显著差异（P＜0.01），pH 5.0酸淋溶时，3个树种凋落叶分解释放DOC均高于pH 3.5和pH 7.0。方差齐性检验表明，在0.05的显著水平下可认为每种凋落叶分解产生的DOC无显著差异，但在0.01的显著水平下，凋落叶产生的DOC有差异。

图1 相同pH值条件下3个树种凋落叶所释放DOC浓度的比较Figure 1 DOC released fromleaves of 3 tree species under same pH treatment

3 讨论

3.1 凋落叶初始成分对凋落叶失重率和分解速率的影响

Olson衰减指数模型拟合凋落叶失重过程中得到的分解速率（k）是一个恒值，可以反映凋落叶分解过程的特征。有研究发现，在外界环境条件一致下，不同种类的植物凋落叶在分解过程中失重率和分解速率有很大不同，且初始成分是影响凋落叶分解速率的主要因素[19]。在某些范围内，凋落叶化学特性是影响凋落叶分解的主要因子[20]。本研究发现，凋落叶的分解速率与凋落叶初始C含量、木质素含量、C/N比及木质素/N呈负相关，与凋落叶初始N，P呈正相关（表3）。这与杨林等[21]通过对川西高山林线交错带14种代表性植物凋落叶分解速率的研究结果一致，即凋落叶初始N浓度越高，分解速率越高；凋落叶初始C/N比越高，分解速率越低；凋落叶初始P浓度越高，分解速率越快；凋落叶初始木质素浓度越高，分解速率越低；凋落叶初始木质素/N越高，分解速率越低。唐仕珊等[22]和Zhang[23]等对国内外森林凋落叶研究的分析结果相同。

木质素和纤维素含量在凋落叶中占有很大比例，两者的浓度尤其是木质素的浓度会影响自身的分解速率乃至整个凋落叶的分解速率[24]。本研究中3个树种凋落叶木质素和纤维素浓度的不同也引起了分解速率以及失重率的不同。

表3 凋落叶分解参数与原始成分之间的关系Table 3 The relationship between decomposition parameters before and after treatment

3.2 模拟不同pH酸雨对凋落叶失重率和分解速率的影响

Berg[25]等对欧洲赤松凋落叶分解过程分为3个阶段：凋落叶分解早期（early stage）、凋落叶分解后期（late stage）、近腐殖质阶段（humus-near stage），每个阶段凋落叶质量都会发生不同变化。酸度是影响凋落叶分解的主要环境因子之一，本研究发现杜香、兴安杜鹃和白桦 3个树种森林凋落叶的失重率和分解速率均随着 pH浓度的增加而增加。Throop等[26]研究也发现，外界因素会导致凋落叶本身理化性质的改变，使得雨水淋溶过程及基质底物的可降解性增强，从而进一步加速凋落叶的分解。这种作用在凋落叶分解前期更为明显。在pH 3.5时失重率最低，这说明增大溶液酸性会使凋落叶质量损失减少，酸雨对森林凋落物的分解起到抑制作用。由于本研究做的是室内模拟实验，所以酸影响效果更加持续，造成的伤害也越大。这与程煜等[27]的研究结果一致，即酸雨对凋落叶的影响因物种和酸处理程度而异。

3.3 模拟不同pH的酸雨对凋落叶分解释放DOC的影响

DOC是森林生态系统碳循环的重要组成部分[28]。凋落叶分解过程中释放的水溶性组分和有机溶性组分在全球陆地生态系统的物质循环和收支平衡中具有重要的作用[29-31]。在分解初期阶段，可溶性组分和有机溶性组分快速淋溶[32]，不断释放可溶性碳等物质[33]。在分解后期，凋落叶剩下的主要是难分解的物质，因而导致分解中期可溶性组分减少，至后期趋于平衡。这与本研究中分解初期淋溶液中DOC浓度快速升高后下降到最后趋于平稳状态的结果一致。凋落叶的分解过程中养分释放主要包括淋溶-富集-释放和直接释放等模式[34]，吴川福[35]研究发现，固体样品有机碳溶解的量会随着pH的降低而升高，该研究的pH范围在7～ 9，本研究中杜香和兴安杜鹃凋落叶分解释放DOC浓度在pH 5.0达到最高，其次是pH 7.0，pH 3.5，说明该研究结果在一定pH范围内有效，当pH过高或者过低时，结果会有所不同。白桦凋落叶分解释放DOC浓度在pH 5.0达到最高，其次是pH 3.5，pH 7.0。说明白桦凋落叶中含有更多的酸溶性物质以及耐酸性。

杜香、白桦和兴安杜鹃3个树种凋落叶分解释放DOC浓度都是先上升再下降，这与李忠佩等[36]的研究类似。在本研究的分解初期，兴安杜鹃凋落叶释放DOC高于白桦和杜香凋落叶。这可能与兴安杜鹃凋落叶初始C浓度较高有关。之后随着淋溶的次数增加，DOC的浓度都有所下降。凋落叶在分解的过程中，有一部分C转化成了CO2。样品在不同分解阶段释放DOC浓度可大致反映该凋落叶释放DOC的能力。3个树种凋落叶均在pH 5.0时释放DOC最高，说明适度的酸对凋落叶分解释放DOC具有促进作用；其次，杜香和兴安杜鹃凋落叶分解释放DOC浓度在pH 3.5最低，说明高浓度的酸抑制微生物和酶的作用，从而抑制凋落叶分解释放DOC。白桦凋落叶分解释放DOC浓度在pH 3.5最低，可能与其耐酸性及凋落叶表面微生物种类有关。

4 结论

（1）杜香、白桦和兴安杜鹃3个树种凋落叶的失重率和分解速率均与凋落叶初始C浓度、木质素浓度、C/N比和木质素/N呈显著负相关，与N、P和纤维素浓度呈显著正相关。

（2）酸雨对森林凋落叶的分解具有抑制作用，且随着酸度的增加，抑制越明显。在pH 3.5，pH 5.0和pH 7.0的酸淋溶液处理下，杜香、白桦和兴安杜鹃3个树种凋落叶的失重率和分解速率总体表现为：pH 3.5＜pH 5.0＜pH 7.0。

（3）杜香、白桦和兴安杜鹃3种树种凋落叶分解释放DOC浓度均在前期（前30 d）先升高，再下降，最后趋于平稳下降状态。

（4）不同树种的凋落叶对酸雨胁迫的响应不一致。在pH 3.5，pH 5.0和pH 7.0的酸淋溶液处理下，杜香和兴安杜鹃凋落叶分解释放DOC浓度在pH 5.0达到最高，其次是pH 7.0，pH 3.5。白桦凋落叶分解释放DOC浓度在pH 5.0时达到最高，其次是pH 3.5，pH 7.0。

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Effect of Simulated Acid Rain on Decomposition Rate and Dissolved Organic Carbon of Leaf Litter of Three Tree Species in Genhe

ZHAO Jing-jing1，DU Qi-lin2， GUO Run-cai1，LIU Zhi-qiang3，CHENH Yu-qi1，WANG Yu-qing1，DU Hao1，ZHANG Cheng-fu1
（1. College of Desert Control Science and Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010010, China; 2. Hydraulic Research Institution of Inner Mongol Autonomous Region , Hohhot 010051, China; 3. Daxing’anling Froestry Bureau of Inner Mongolia Autonomous Region, Hulun Buir 021000, China）

Experiments were conducted by ltter bag technique on effect of simulated acid rain on decomposition rate and content of dissolved organic carbon（DOC）from leaf letter of Betula platyphylla, Ledum palustre and Rhododendron dauricum treated with pH 3.5, 5.0 and 7.0 in Genhe,Inner Mongolia Autonomous Region. The results showed that leaf litter mass of 3 species reduced the less under treatment of pH 3.5, and then under pH 5.0 and pH 7.0.The mass loss rate of three species litter leaf was ordered by L.palustre＞B.platyphylla＞R.dauricum. The experiment resulted that leaf litter decomposition rate and mass loss rate had a significant negative correlation with the content of C, lignin, C/N, lignin/N, but had remarkable positive correlation with the content of N, P and cellulose. Decomposition and release of DOC from different litters had the same tendency, increased first and then decreased, and then decreased slowly.

simulated acid rain; leaf litter decomposition; DOC; decomposition rate

S714 文献标示码：A

1001-3776（2017）05-0010-06

10.3969/j.issn.1001-3776.2017.05.002

2017-09-07；

2017-11-12

国家自然科学基金项目（No.41461106）；内蒙古农业大学引进人才科研启动项目（No.YJ2014-1）

赵晶晶，硕士，从事水土保持与荒漠化防治研究；E-mail：923843551@qq.com。通信作者：张成福，博士；E-mail：ch893169@dal.ca。