章古台固沙林枯落物分解速率研究

2018-03-02邰宪武张学利

防护林科技 2018年1期

邰宪武,张学利

(辽宁章古台科尔沁沙地生态系统国家定位观测研究站,辽宁省固沙造林研究所,辽宁阜新 123000)

枯落物又称凋落物或有机碎屑，指在生态系统内由地上植物组分产生并归还到地表面，作为分解者的物质和能量来源，借以维持生态系统功能的所有有机质的总称[1]。在森林生态系统中，枯落物分解是林地养分归还的主要途径，同时也是实现养分生物地球化学循环利用的重要环节[2]。所以，在森林生态系统研究中，林地枯落物分解率是研究森林生态系统养分循环的重要内容之一。

固沙林枯落物是固沙林生态系统养分地球化学循环的物质基础。枯落物分解是固沙林生态系统物质循环和能量流动的重要环节，并在维持和提高风沙土的土壤肥力等方面发挥着重要作用。枯落物的养分循环由其分解速率决定，在不同植被类型与环境条件下，枯落物的分解速率及其影响因子存在明显差异。但迄今为止，有关固沙林枯落物的分解速率方面的研究却鲜见报道。本文在实验室条件下研究了不同水分梯度下樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、油松(Pinustabulaeformis)、赤松(Pinusdensiflora)、杨树(Populusspp.) 4种林木枯落物的分解速率，为揭示这4个树种固沙林枯落物分解速率的影响因子及其养分地球化学循环的研究提供理论依据。

1 研究区概况

该项研究在辽宁章古台科尔沁沙地生态系统国家定位观测研究站进行。该生态站位于科尔沁沙地东南缘，地理位置42°43′ N，122°22′ E，年均气温6.3 ℃，≥10 ℃积温2 890 ℃，全年无霜期150～160 d，年均降水量475.5 mm，降水变率大，60%～70%集中在6—8月，年蒸发量1 553.2 mm，约为降水量的3.27倍。该区土壤以风沙土为主，沙土颗粒均匀，沙层厚度126～128 cm，沙层的颜色和机械粒径成层更迭分布，变化比较明显，沙土瘠薄，有机质含量较低，一般为3.0～9.9 g.kg-1。主要代表性植物有色木槭(Acermono)、山里红(Crataeguspinnatifidavar.major)、榆树(Ulmuspumila)、大果榆(Ulmusmacrocarpa)、山杏(Armeniacasibirica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、中华隐子草(Cleistogeneschinensis)等。

2 材料与方法

在樟子松、油松、赤松、杨树纯林林地内收集枯落物并于实验室内60 ℃烘干，粉碎过60目筛，不同树种枯落物的养分含量见表1。另于试验地中分别采取不同树种0～20 cm土层土壤作为分解枯落物的微生物菌源。研究按文启孝[3]的研究方法进行,在实验室称取土样100 g，另称取枯落物1 g，将土样与相对应枯落物混匀后置于1 000 mL广口瓶内，吸取25 mL浓度为0.3 mol·L-1NaOH置于50 mL烧杯内作为CO2的吸收杯，将吸收杯挂在广口瓶内塑料盖的下方，再将吸收杯连同塑料内盖悬挂于瓶内枯落物上端，设置20%田间持水量(T1)、40% 田间持水量(T2)、70%田间持水量(T3)、田间持水量(T4)和最大持水量(T5)5个水分梯度，观察不同土壤含水量对枯落物分解速率的影响，每处理重复2 次。于20 ℃ 恒温培养且定期称重补充水分，通过标准盐酸滴定测定不同时期释放出的CO2，并计算枯落物的日分解速率。整个试验共进行140 d。所有数据均为每处理2个重复的平均值，枯落物的日分解速率(Rd)和分解率(Pd)为：

Rd= (V1-V0)×N×0.006/W0×1/D×1 000

Pd= ∑Rd×D

式中，V0为对照盐酸滴定量(mL)，V1为各处理盐酸滴定量(mL)，N为盐酸的当量浓度，W0为各处理样品有机碳总量(g)，D为滴定的间隔天数。

表1 不同枯落物养分含量状况

3 结果与分析

3.1 不同土壤含水量条件下枯落物分解速率变化

枯落物分解是由枯落物基质质量、土壤、气候和生物等环境因子综合作用下的复杂的降解、碎化和溶解过程[4]，土壤的水分状况对枯落物的分解速率有显著影响。已有研究表明，杨树纯林、刺槐纯林和杨树刺槐混交林的最大枯落物分解速率出现在70%田间持水量的情况下[5]。而在本研究中，不同土壤含水量各枯落物分解速率虽有不同，但不同树种的枯落物分解速率均为最大持水量、田间持水量的处理最大，并随着土壤含水量的下降而降低。这可能与风沙土的孔隙状况有关，说明在最大持水量和田间持水量的情况下，风沙土仍能保持良好的通气性能。

在相同土壤含水量情况下，不同枯落物分解速率存在较大差异，在各土壤含水量状况下，分解速率依次为杨树>赤松>油松>樟子松。有机物分解受C/N值的限制早已为人们所了解，凋落物的分解速率与碳氮比成负相关关系[6]，C/N达到一定比值时分解才能顺利进行。由表1可知枯落物C/N值依次为杨树(29.07)<油松(34.51)<赤松(35.58) <樟子松(35.72)。C/N值与植物残体有机物组成关系较大，一般C/N值较低有机物含糖、淀粉等易分解成分较多，而含纤维素、半纤维素和木质素等难分解成分较少，故C/N值低的有机物易分解，所以一般针叶树种的枯落物分解速率比阔叶树种的枯落物分解速率慢[7]。本研究中的实验结果也基本反映了这一规律，枯落物C/N值最小的杨树，除了20%田间持水量的处理外，其他的处理皆为杨树枯落物分解最快。

阔叶树种杨树枯落物的分解速率(6.80 mg·g-1·d-1)是三种针叶树枯落物平均分解速率(5.83 mg·g-1·d-1)的1.17倍，略低于阔叶树种凋落叶k值是针叶树种的1.32倍的研究结果[8]，则可能与试验中收集的针叶树枯落物不仅有落叶，也包括树皮、球果和细小的枝条，而杨树枯落物仅与落叶有关。

图1 不同土壤含水量枯落物分解速率

3.2 不同树种枯落物分解速率的时间变化

枯落物的分解是一个动态的过程，在枯落物的分解过程中，枯落物的C/N值亦会变化，这种变化进而会影响主导枯落物分解的微生物区系组成和活性，最终引起枯落物分解速率的变化。由图2 可知，不同树种枯落物的最大分解速率均出现在第一周，第七周时不同树种枯落物的分解速率均出现一个低谷，而后缓慢升高，在第九周时出现次高点，随后再次下降，在试验末期的分解速率仅为3.09 mg·g-1·d-1，为高峰时分解速率14.22 mg·g-1·d-1的21.7%。杨树枯落物的起始分解速率最高，但其分解速率下降得也最快，由第一周的16.22 mg·g-1·d-1下降到第七周的1.96 mg·g-1·d-1，下降了87.9%；在同样的时间段内，三种针叶树枯落物分解速率下降的程度则要低一些，下降幅度为70.2%。

同样由图2 中可知，枯落物分解速率的下降并不是一条平滑的曲线，而是反复出现波动。说明在分解初期，由于得到充分的N素供给，微生物以及酶的数量和活性快速提高，导致最快分解速率的出现，其后由于N素的逐渐消耗，微生物以及酶的数量和活性降低，分解速率下降。在C素分解到一定数量，枯落物的C/N重新达到适宜值后，微生物的活动和繁殖重新活跃起来，枯落物的分解速率出现小幅回升。其后又随着N素的逐渐消耗，枯落物的起始分解速率又出现了下降。

图2 不同树种枯落物分解速率的时间变化

3.3 不同处理固沙林枯落物的分解率

一般认为阔叶树凋落物分解快,可改良土壤；常绿针叶树凋落物由于分解慢，常被认为对土壤性质起破坏或恶化作用[9]。针叶树种叶片较厚，角质类物质多，风化、淋溶和机械破碎等促进凋落叶分解的作用对其影响不明显，也制约了分解速度[10]。

由表2可知，在140 d培养时间内，杨树枯落物分解了79.14%，三种针叶树虽然分解相对较慢，但平均也达到72.80%，仅比杨树枯落物的分解率低8.01%。而采用野外分解袋法在章古台固沙林中测得的樟子松的年分解率为19.62%，油松为20.50%，杨树为33.08%[11]，两种针叶树枯落物的平均分解率较杨树低39.4%。无论是室内培养试验，还是野外分解袋试验，杨树枯落物的分解率均大于针叶树。但在室内培养试验中，针叶树枯落物分解率较杨树降幅远小于野外分解袋测得的降幅，说明机械粉碎更有利于针叶树枯落物的分解。在室内培养试验中，樟子松、油松和赤松达到20%左右的分解率仅需21 d，杨树达到 35%的分解率仅需35 d，说明试验中测得的分解率要远较野外分解袋法测得的数据大。这主要与室内培养试验中枯落物样品粉碎过筛后，更容易分解，同时试验过程中保持20 ℃恒温和相对野外较高的土壤水分含量，有利于微生物的大量繁殖有关。

表2 不同固沙林枯落物的分解率

4 结论与讨论

在章古台固沙林下，不同树种枯落物的最大分解速率均出现在最大持水量、田间持水量的情况下。而章古台地处亚湿润干旱区，土壤水分状况保持在最大持水量和田间持水量的时段很短，集中出现在降雨集中的6—8月，频次仅为3～5次·a-1左右；而在漫长的春旱期(3月下旬—5月中旬)，土壤水分多保持在40%田间持水量以下；在9—10月，土壤水分多保持在40%～70%田间持水量之间。说明在章古台地区，水分是枯落物分解的重要限制因子[7]。在同一地区相同的环境条件下，不同树种间枯落物分解速率的差异主要是由于枯落物C/N值不同造成的，杨树枯落物的C/N值最低，所以其枯落物的分解速率最高；三种针叶树由于其枯落物C/N值相近，所以其分解速率也近乎相同。不同树种枯落物的分解速率均随时间的推移表现出下降的趋势，但这种下降并非表现为平滑的曲线，而是随着分解过程中C/N的变化及因之引起的微生物数量和活性的变化反复出现波动。与野外分解袋法相比，本试验属室内混土培养试验，测得的分解速率不同于野外林地土壤的实际状况，只具有相对的参考意义。

由于章古台风沙土的成土母质为风成沙，风成沙的物质来源为河湖相沉积物[12]，SiO2含量一般可达 85%以上，所以通过矿物分解为土壤提供的养分是极其有限的。可以认为固沙林土壤发育所需的养分主要来源于枯落物的分解和植物对养分的富集作用，因此加强对章古台固沙林枯落物分解速率及其对土壤性质影响的研究具有重要的理论意义和启示作用。

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