不同土壤厚度、水分和种植方式对喀斯特两种草本凋落物分解质量损失和化学计量特征的影响

赵雅洁,张 静,宋海燕,李 周,李素慧,陶建平,刘锦春

三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆市三峡库区植物生态与资源重点实验室,西南大学生命科学学院,重庆 400715

凋落物分解是控制植被结构和生态系统功能的一个复杂而重要的因素,它不仅影响着土壤理化性质和生物性质、水土保持功能和植被更新演替等,也是陆地生态系统正常物质循环和能量流动过程中的重要环节[1- 2]。凋落物质量和产量、组分随着外界气候、季候、土壤母质、地形和物种分布的变化而不断变化[3]。在凋落物质量指标中[4],其中凋落物的C、N、P养分元素及其化学计量比不仅反映凋落物分解速率,同时也是养分循环的重要环节之一,它们在分解过程中起着重要的作用[5- 6]。研究认为,凋落物初始元素含量及其计量比与凋落物分解速率有显著的相关关系,凋落物中N和P的含量越高、C/N和C/P比越低,凋落物分解速率越快[7- 9]。而有关凋落物数量对自身分解影响的研究中发现,凋落物输入量的增加能够改变凋落物分解速率,提高环境中CO2水平,影响着植被与土壤之间的C循环[3,10- 11]。同时,同种植物各器官形成和发育特征不同,导致其各组分凋落物分解速率差异较大[12- 13],且随着生境不同各组分所占的比值也发生变化。

我国的西南喀斯特地区,土壤浅薄化和岩溶干旱是限制该地区植物生长、发育和繁殖的关键因子[14]。植物在生长期间能够通过改变自身的理化性状以适应和响应喀斯特生境[15- 16]。研究发现,土壤厚度的减少和/或干旱胁迫可以降低植物各部分生物量的积累,植物也会适应性的改变地上和地下部分分配比例来提高自身土壤资源的利用效率[17- 18]。同时在干旱环境下,由于植物吸收和运输养分能力降低,植物N、P等营养元素含量显著降低,C/N、C/P等元素计量比也发生变化[19- 20],并且能够通过增加木质素的含量来提高自身抵抗外界胁迫的能力[21]。我们前期研究也发现,生长期间土壤资源和水分的减少限制了苇状羊茅(FestucaarundinaceaSchreb.)和黑麦草(LoliumperenneL.)生物量积累和根系生长,且在混种条件下,苇状羊茅能够减少根系生长和根生物量的投资以减缓两者加剧的竞争,而黑麦草则保持相对恒定的生物量分配策略来保持其在竞争中的优势地位[17]。那么,植物在生长期间适应和响应外界环境变化的过程中,是否会形成不同凋落物质量、产量和组分,从而间接影响凋落物分解,最终影响营养元素的归还？

目前研究者主要关注分解期间水分处理、养分添加等对凋落物分解的研究,而对生长期间不同土壤厚度、水分及种植方式处理对凋落物分解的研究较少,而在喀斯特地区的研究更为少见。那么在以土壤浅薄化和岩溶干旱为限制因子的喀斯特地区,生长期间不同土壤厚度、水分和种植方式对凋落物分解有何影响？植物是否通过改变其自身凋落物初始营养元素含量、计量比、产量和组分来影响其分解？苇状羊茅和黑麦草均为禾本科多年生草本植物,秆成疏丛,叶线型或条形,具有较浅的肉质根系,主要利用地表覆盖的土壤进行斑块生长,相对于乔木,更容易受到喀斯特土壤厚度变化的影响[22]。再者,两者耐旱耐瘠薄,适应性强,在喀斯特地区作为石漠化草地治理的草种,能够有效的改善当地生态环境,减轻农村贫困问题[23- 24]。由此,本研究在前期研究的基础上,继续以苇状羊茅和黑麦草为研究对象,通过分解袋法,探究：1)生长期间不同土壤厚度、水分和种植方式对苇状羊茅和黑麦草凋落物质量损失率的影响;2)凋落物营养元素含量、计量比、产量和组分与质量损失率的相关关系。期望研究结果有助于更好的理解日趋严重的干旱和土壤贫瘠对喀斯特地区养分循环的影响,为喀斯特地区植被的恢复和石漠化治理提供参考。

1 材料和方法

1.1 植物种植

以苇状羊茅和黑麦草为试验材料,试验土壤为重庆中梁镇海石公园黄色石灰土,土壤的基本理化性状：pH为7.4±0.14,有机质为(0.34±0.02)%,全氮为(0.28±0.03)g/kg,全磷为(0.39±0.02)g/kg,全钾为(23.7±3.22)g/kg,田间持水量为(39.8±2.23)%[14]。于2015年4月4日,选取大小均匀一致的植物移栽到容器中,同时将所有的容器置于西南大学生态试验园透明遮雨棚下(海拔249 m)进行相同条件的适应生长。

于2015年4月14进行试验处理,试验采用土壤厚度、水分和种植方式的3因素随机区组设计。其中,土壤厚度包括对照土壤厚度(15 cm)和浅土处理(5 cm),以自制的长方体栽培容器实现,底面积均为100 cm2,高度分别为15 cm(装入1500 g干土)和5 cm(装入500 g干土)。水分处理包括正常灌水处理(120 mL/3 d)和干旱处理(36 mL/3 d),正常灌水量是根据重庆地区1981—2011年间4—6月降雨量,计算出每100 cm2每日平均降雨量为40 mL,以40 mL作为对照,干旱处理在对照的水平上减少70%,每3天浇水1次。以上土壤厚度和水分处理的设置是根据前期预实验和野外实地考察设计。其中对照组(CK)为对照土壤厚度和正常灌水量,浅土组(S)为浅土处理和正常灌水量,干旱组(D)为对照土壤厚度和干旱处理,浅土+干旱组(SD)为浅土和干旱处理。种植方式包括单种(Mo,monoculture)和混种(Mt,mixture),每盆2株。实验共设置3个因素,每个因素2个水平,每个物种共计8个处理,每个处理10个重复,其中5个重复用于植物营养元素的的测定,另5个重复用于凋落物分解(详细实验设计图见赵雅洁等[14])。

1.2 试验设计

由于浅土、干旱和浅土+干旱处理下的植物比正常处理下的植物凋落的时间更早,为采集植物自然状态的凋落物,本研究于2015年8月至2015年9月期间采集植物地上部分和根系凋落物。所有样品自然风干后,称量植物地上和根系凋落物的风干重,整株装入大小为10 cm×12 cm,网孔为1 mm×1 mm的尼龙网布分解袋中。每一物种同一处理制作5个分解袋,2个物种共计80袋。另取凋落物样品烘干至恒重用于测定含水率,通过换算得出分解样品的烘干重。

2016年在西南大学生态试验园内布置5个2 m×1 m(深度为0.6 m)的露天分解床,相邻分解床之间缓冲带的距离大于1 m,且用木板和砖块隔开以避免相互影响。挖除分解床内原有的土壤基质,填入从重庆海石公园带回的黄色石灰土。于2016年7月21日将分解袋随机置于分解床上(分解袋平铺且不重叠放置),然后在分解床上罩上铁丝网以防止鸟类、老鼠等动物进入。试验处理期间,分解材料均处于相同自然降雨、温度等环境条件下进行分解,主要环境因子见图1。

1.3 初始营养元素的测定和凋落物样品的收获

图1 分解期间降雨量、温度和相对湿度月变化 Fig.1 Monthly changes of rainfall, temperature and relative humidity during the decomposition

凋落物初始营养元素的测定：(1)C和N元素：采用元素分析仪(Vario EL cube,Elementar,GER)测定C和N元素含量(mg/g);(2)P元素：使用微波消解仪(SeepWave MWS- 4,Berghof,GER)和iCAP6300电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES,Thermo Fisher,UK)测定P元素含量(mg/g)。

于2017年2月16日将分解袋1次全部取回,分解时间为210 d(7月)。材料取回后小心冲洗去除混入的杂草根系和泥土等杂物,于60℃下烘干至恒重,用于测量质量损失率。

1.4 数据分析及处理

凋落物地上组分比=地上部分凋落量/总凋落量;总凋落量=地上部分凋落量+根凋落量

凋落物质量损失：Mass loss ratio(%)= (M0-Mt)/M0×100%,M0=M×含水率

式中,M0为凋落物的初始干重;Mt为分解210 d后凋落物的残留干重;M为分解袋内装入的凋落物初始风干重;含水率是每一物种同一处理下烘干至恒重后的重量与该样品风干重的比值,以平均值表示。

用Microsoft Office Excel 2013软件整理数据,用SPSS 22.0软件分析数据。利用Two-way ANOVA分析土壤厚度和种植方式、水分和种植方式、土壤厚度+水分和种植方式对两物种质量损失的影响。采用Independent-samplesTtest分析相同土壤厚度和水分处理下同一物种各个指标在单种和混种处理下的差异显著性。两物种凋落物产量、组分比和营养元素指标与凋落物质量损失率的关系采用Pearson相关性分析。用Origin 8.6软件作图。

2 结果和分析

2.1 凋落物初始营养元素特征和产量

总体上来说,苇状羊茅和黑麦草凋落物地上、根系和总N、P元素含量及计量比随着资源和种植方式不同变化趋势一致,以总元素指标为例。在单种和混种下,与对照组(CK)相比,两物种总N含量在浅土组(S)显著降低,而在干旱组(D)和浅土+干旱组(SD)显著或接近显著增加。两物种的P含量在3种低资源水平下(S、D、SD)与对照相比呈降低或不变的趋势,且两物种的N和P含量在单种和混种间均无显著差异(表1)。

无论在单种还是混种下,两物种的总C/N在浅土组相比于对照显著的增加,而在干旱和浅土+干旱组显著降低或不变。与对照相比,两物种的C/P在3种低资源水平下(S、D、SD)显著增加或不变。除了在浅土和干旱组,混种后苇状羊茅的C/N和C/P显著低于单种,混种后黑麦草的C/P显著高于单种,其他资源水平下,两物种C/N和C/P在单、混种下均无显著差异(表1)。

表1 不同土壤厚度、水分和种植方式下苇状羊茅和黑麦草凋落物的营养元素指标(平均值±标准误)

CK：对照组,Control group;S：浅土组,Shallow soil group;D：干旱组,Drought group;SD：浅土+干旱组,Shallow soil+drought group;不同大写字母表示同一组分下不同资源水平间差异显著(P<0.05);ns/*,同一资源水平下单种和混种间差异显著性(ns,P>0.05;*,P<0.05)

在单种和混种下,与对照组相比,苇状羊茅和黑麦草的地上、根系和总凋落量在3种低资源水平下显著降低,且在各资源水平下,单种和混种之间均无显著差异(表2)。

与对照组相比,在单种下,苇状羊茅凋落物的地上组分比在浅土组显著降低,在浅土+干旱组显著增加,而在干旱组无显著变化;而在混种下,苇状羊茅的地上组分比在3种低资源水平下与对照相比均无显著差异,且在各资源水平下(CK,S,D,SD)单种和混种间无显著差异。对于黑麦草而言,随着资源减少和种植方式的不同,其凋落物地上组分比均无显著差异(表2)。

表2不同土壤厚度、水分和种植方式下苇状羊茅和黑麦草凋落物产量和组分比(平均值±标准误)

Table2LitterproductionandcomponentratioofF.arundinaceaandL.perenneunderdifferentsoilthickness,water,andplantingpatterns(M±SE)

物种Species资源水平Resources level凋落物产量 Litter production凋落物组分 Litter components地上部分 Aboveground part根系 Root整株 Whole plant地上组份比 Aboveground component ratio单种 MoMonoculture混种 MtMixture单种 MoMonoculture混种 MtMixture单种 MoMonoculture混种 MtMixture单种 MoMonoculture混种 MtMixture苇状羊茅CK1.60±0.29A/ns2.02±0.24A/ns0.42±0.09A/ns0.51±0.11A/ns2.02±0.38A/ns2.52±0.30A/ns0.80±0.01B/ns0.80±0.03AB/nsF. arundinaceaS0.56±0.06B/ns0.61±0.11B/ns0.27±0.04AB/ns0.28±0.05B/ns0.83±0.09BC/ns0.89±0.13B/ns0.67±0.02C/ns0.68±0.04B/nsD0.93±0.03BC/ns0.59±0.16B/ns0.22±0.02B/ns0.16±0.04BC/ns1.15±0.04B/ns0.75±0.19B/ns0.81±0.01B/ns0.77±0.04AB/nsSD0.27±0.01C/ns0.24±0.05B/ns0.05±0.01C/ns0.04±0.01C/ns0.31±0.09C/ns0.31±0.05B/ns0.85±0.02A/ns0.87±0.02A/ns黑麦草CK1.02±0.19A/ns0.80±0.17A/ns0.33±0.08A/ns0.33±0.04A/ns1.35±0.24A/ns1.13±0.19A/ns0.76±0.04A/ns0.73±0.02AB/nsL. perenneS0.45±0.07B/ns0.45±0.08BC/ns0.17±0.04BC/ns0.19±0.02B/ns0.62±0.10BC/ns0.64±0.09B/ns0.74±0.02A/ns0.69±0.03B/nsD0.80±0.12A/ns0.63±0.10AB/ns0.21±0.03AB/ns0.18±0.04B/ns1.00±0.14AB/ns0.81±0.13AB/ns0.79±0.02A/ns0.78±0.03A/nsSD0.17±0.03B/ns0.15±0.02C/ns0.04±0.00C/ns0.04±0.01C/ns0.21±0.03C/ns0.19±0.02C/ns0.78±0.03A/ns0.77±0.01A/ns

不同大写字母表示同一组分下不同资源水平间差异显著(P<0.05);ns/*,同一资源水平下单种和混种间差异显著性(ns,P>0.05;*,P<0.05)

2.2 凋落物质量损失率

无论是单种还是混种,苇状羊茅在浅土组的地上、根和总质量损失率与对照组相比无显著差异,而干旱组和浅土+干旱组相比于对照显著或接近显著增加。在各资源水平下,苇状羊茅的各部分质量损失率在单种和混种之间均无显著差异(图2)。

在单种和混种下,与对照相比,黑麦草在浅土组的地上和总的质量损失率无显著变化,在干旱组和浅土+干旱组显著增加,而其根质量损失率在3种低资源水平下相比于对照均无显著差异。在各资源水平下,黑麦草的各部分质量损失率在单种和混种间均无显著差异(图2)。

两因素方差分析表明,苇状羊茅和黑麦草的地上、根和总质量损失率在土壤厚度和种植方式、水分和种植方式、土壤厚度+水分和种植方式的交互作用下均无显著差异(表3)。

表3苇状羊茅和黑麦草凋落物质量损失率的双因素方差分析

Table3ResultsofTwo-wayANOVAtestfortheeffectsofsoilthicknessandplantingpatterns,waterandplantingpatterns,soilthicknesspluswaterandplantingpatternsonlittermassrateofF.arundinaceaandL.perenne

方差来源 Source of variation分子自由度ndfnumerator degrees of freedomF苇状羊茅 F. arundinacea黑麦草 L. perenne地上部分质量损失率Aboveground mass loss rate根质量损失率Root mass loss rate总质量损失率Total mass loss rate地上部分质量损失率Aboveground mass loss rate根质量损失率Root mass loss rate总质量损失率Total mass loss rate土壤厚度T Soil thickness 10.11ns0.06ns3.58+0.07ns0.01ns0.00ns种植方式P Planting patterns 10.94ns0.48ns0.78ns1.22ns0.04ns2.22ns土壤厚度×种植方式T× P10.19ns0.00ns0.03ns0.50ns0.21ns0.31ns水分W Water12.53ns4.36∗3.20+5.20∗0.17ns5.83∗种植方式 P10.59ns0.00ns0.24ns1.87ns0.50ns1.46ns水分×种植方式 W × P10.68ns0.36ns0.32ns0.61ns0.02ns0.85ns土壤厚度+水分T+W112.26∗∗10.75∗∗17.01∗∗∗83.17∗∗∗1.48ns52.04∗∗∗种植方式 P10.43ns0.00ns0.05ns4.59∗0.12ns3.57+(土壤厚度+水分)× 种植方式 (T+W) × P10.77ns0.24ns0.54ns0.15ns0.08ns0.18ns分母自由度 ddf Denominator degrees of freedom171717181818

ns未达到显著水平(P﹥0.1);+(0.05﹤P﹤0.1);*显著水平(P﹤0.05);**(P﹤0. 01)和***(P﹤0.001)极显著水平

图2 生长期间不同土壤厚度、水分和种植方式对苇状羊茅和黑麦草凋落物质量损失率的影响(平均值±标准误)Fig.2 Effect of soil thickness, water and planting pattern on litter mass loss rate of F. arundinacea and L. perenne during growing (M±SE)ns/*,同一资源水平下单种和混种间差异显著性(ns,P>0.05;*,P<0.05)

2.3 凋落物初始营养元素特征与质量损失率的相关关系

无论是单种还是混种,苇状羊茅和黑麦草地上质量损失率与地上初始N含量显著正相关,与地上C/N显著负相关,而与地上P含量和C/P无显著相关关系(表4)。

总体上来说,两物种的根系质量损失率与根系N含量和C/N有相关性,但均无显著性,而与根系P含量和C/P均无显著差异(苇状羊茅混种除外)(表4)。

两物种总质量损失率与总N含量呈显著正相关,与总C/N显著相关,而与总P含量和总C/P无显著相关关系(表4)。

表4 苇状羊茅和黑麦草凋落物营养元素指标与质量损失率的关系

ns未达到显著水平(P﹥0.1);+(0.05﹤P﹤0.1);*显著水平(P﹤0.05);**(P﹤0. 01)和***(P﹤0.001)极显著水平

2.4 凋落物产量、组分与质量损失率的相关关系

苇状羊茅地上、根系和总质量损失率在单种和混种下分别与地上凋落量、根凋落量和总凋落量呈负相关,但仅地上和总质量损失率在单种时,根质量损失率在混种时与对应的凋落量呈显著或稍显著负相关关系(表5)。对于黑麦草而言,无论在单种还是混种下,其地上、根系和总的质量损失率分别与地上凋落量、根凋落量和总凋落量呈显著负相关关系(表5)。

无论单种还是混种,苇状羊茅凋落物总质量损失率与地上组分比显著正相关,地上质量损失率仅在单种时与地上组分比显著正相关,根质量损失率与根组分比无显著相关性(表5)。

黑麦草总质量损失率与地上组分比呈正相关性,但仅在混种时有显著差异。无论单种还是混种,黑麦草地上质量损失率与地上组分比,根质量损失率与根组分比均无显著相关性(表5)。

表5 苇状羊茅和黑麦草凋落物量和组分比与质量损失率的关系

ns未达到显著水平(P﹥0.1);+(0.05﹤P﹤0.1);*显著水平(P﹤0.05);**(P﹤0. 01)和***(P﹤0.001)极显著水平

3 讨论

凋落物的元素含量及其化学计量比是影响凋落物分解的重要指标之一,能够很好的预测凋落物分解的快慢[25- 26]。有些研究发现,凋落物初始N含量与凋落物分解速率呈正相关,与P含量无相关性[27- 28]。而有研究认为,凋落物分解速率与P含量相关,而与N含量没有相关性[29- 30]。另有研究发现,凋落物分解速率与N和P含量均呈正相关[26,31]。对于元素计量比的研究发现,凋落物分解速率可能仅与C/N[27- 28,32],或C/N和C/P[33]呈负相关关系。本研究中,两物种凋落物的地上质量损失率与初始地上N含量呈显著正相关,与C/N呈显著负相关,与P和C/P无显著相关性,且总质量损失率与地上质量损失率类似。这表明两物种凋落物分解主要受初始N含量和C/N的影响,凋落物N含量越高,C/N越低,分解越快,这也与前人的研究一致[27- 28]。然而,在本研究中,两物种凋落物的根质量损失率与初始元素含量和计量比值无显著差异。这可能是因为两物种根系分解较慢,经过7个月分解,两物种的质量损失率为30%左右,导致根系元素指标与根系凋落物分解没有显著相关性。

研究发现,凋落物输入量(产量)的增加,相当于更大的不稳定C组分和可利用养分的输入增加,可能刺激微生物活动,进而加快凋落物分解速率[3,10,34]。本研究中,在单种和混种下,苇状羊茅和黑麦草的初始地上凋落量与地上质量损失率,根凋落量与根质量损失率,总凋落量与总质量损失率均呈负相关关系,这表明两物种各组分初始凋落物量越小,其质量损失率越大,分解越快,这与前人的研究相反[10,34]。我们发现前人研究中,所使用试验材料中凋落物质量一样,仅其凋落物数量(产量)增加,进而提高微生物活动,导致分解速率的增加[10,34];而在本研究中,水分和土壤厚度+水分资源减少(浅土组和浅土+干旱组)时,两种植物的各组分凋落量减少,但是其N含量显著增加,C/N显著降低,这可能是导致其分解加快的重要原因之一。另一方面也说明,相比与凋落物的数量,凋落物的质量(如元素含量和计量比)更是影响凋落物分解快慢的决定因素。

无论是单种还是混种,苇状羊茅和黑麦草凋落物的地上组分比与总质量损失率呈极显著正相关关系,这表明地上凋落物产量越多,两物种凋落物的总质量损失率越大,分解越快。我们发现两物种地上部分凋落物质量损失率是根系的2—3倍,地上凋落物比根系凋落物分解快,导致地上部分凋落物量越多,总质量损失越大。有研究表明,草本植物地上凋落物比根系凋落物分解快[35- 36],也有些研究发现,草本植物根系凋落物要比地上凋落物分解快[37]。而本研究中导致两物种地上凋落物分解快于根系的原因可能有以下两个方面：首先,两物种的地上凋落物N含量是根系的2—3倍,而C/N显著低于根系,地上部分凋落物含有高的N含量和较低C/N导致其分解速率高于根系(数据未给出)。其次,有研究发现,植物根系中酸不溶物(如木质素、角质等)和多酚类物质高于叶片,导致根系分解较慢[36,38]。本研究中,两物种在单种和混种下地上质量损失率与地上组分比(苇状羊茅单种除外),根质量损失率与根组分比无显著相关性。这表明地上或根系凋落物组分比对地上或根系分解无显著影响。我们发现,两物种的地上组分比(苇状羊茅单种除外)和根组分比随着所有资源的减少大体上无显著变化,这可能是导致地上和根系质量损失率与对应的凋落量无显著关系的主要原因。

与对照组相比,苇状羊茅和黑麦草凋落物的地上、根系和总质量损失率在浅土组无显著变化,而两物种的地上、根系和总质量损失在干旱组和浅土+干旱组显著或稍增加。这表明生长期间干旱和浅土+干旱处理加快落物分解,且双重胁迫比两者单独胁迫更能加快两物种各组分凋落物的分解。另一方面,在各资源水平下(CK、S、D、SD),两物种的地上、根系和总的凋落物质量损失率在单种和混种间无显著差异。这表明生长期间不同种植方式处理对两物种的各组分凋落物分解没有显著影响。而两物种各组分凋落物的元素含量、计量比、产量和组分比以及它们与质量损失率的相关系数在单种和混种下大体上也无显著差异,导致两物种凋落物质量损失率在单种和混种间无显著差异。Aerts和Heil[39]研究发现,在荷兰石楠灌丛中,生长在低养分环境中的杜鹃科植物Ericatetralix和欧石楠(Callunavulgaris)被能产生更多凋落物,且分解快、养分释放多的禾本科植物酸沼草(Moliniacaerulea)和曲芒发草(Deschampsiaflexuosa)替代。本实验中,我们发现苇状羊茅凋落物产量和元素积累量显著的高于黑麦草,但其总质量损失率显著低于黑麦草。从长远来看,两物种均有可能获胜或共存。有研究发现,容易分解的凋落物(如小檗属植物)可以相对快速增加土壤养分的可利用性,能够通过将地下竞争转移到地上竞争来影响植物间的竞争[40- 41]。我们前期研究发现,土壤厚度和水分资源减少时,混种苇状羊茅和黑麦草使得两物间的根竞争加剧,而地上竞争无影响[39]。因此,本研究中,黑麦草的凋落物分解快于苇状羊茅,可能导致未来两物种间的竞争由地下竞争转移到地上竞争。

4 结论

生长期间干旱和浅土+干旱处理能够通过影响苇状羊茅和黑麦草的初始凋落物质量、产量、组分比加快地上、根系和总凋落物分解,而不同种植方式因未显著改变两物种凋落物的质量、产量和组分比对其分解无显著影响,其中,凋落物N含量和C/N是影响两物种凋落物分解快慢的主要原因。未来随着我国西南地区降雨的减少和喀斯特石漠化的加剧,优先考虑苇状羊茅和黑麦草的种植,可能有利于当地养分循环,维持土力稳定。