四种南方常见速生树种凋落叶浸泡实验研究

伍琪, 任世奇, 项东云, 陈健波, 邓紫宇, 郭东强



四种南方常见速生树种凋落叶浸泡实验研究

伍琪1,2,3, 任世奇1,3,*, 项东云1, 陈健波1, 邓紫宇1, 郭东强1

1. 广西壮族自治区林业科学研究院, 南宁 530002 2. 广西大学轻工与食品工程学院, 南宁 530004 3. 广西南宁桉树林生态系统定位观测研究站, 南宁 530002

为了研究南方速生树种凋落叶浸泡特性, 以松、杉、桉、红锥为研究对象, 对比各凋落叶在浸泡过程中的水质变化特征。结果显示: 桉树凋落叶浸泡液pH值比其他低、臭味强且持久, 色度开始较大, 但随着浸泡时间的增加逐渐降低, 最终低于红锥叶。四种凋落叶总氮、总磷、总钾均呈现释放、积累、释放的波动过程, 差异不大。腐殖酸在一定程度上影响着pH值的大小, 而水质颜色的深浅与臭味的强弱并没有直接相关性。根据实验所得数据, 其中桉树凋落叶在水中浸泡最先引起水质发黑, 这可能与桉树人工林区偶有发生的黑水现象有关, 红锥次之; 松树与红锥凋落叶最先引起水质发臭, 但是强度逐渐降低, 只有桉树凋落叶在127天内一直保持强的臭味。

速生树种; 桉树; 凋落叶; 黑水

1 前言

至2015年底, 我国桉树面积达到450万hm2, 广西约200万hm2, 占全国总面积的44.4%。桉树的大面积种植, 不仅给当地农民带来了诸多好处, 对当地经济的发展也具有不容忽视的推动作用。松、杉、红锥等其他速生树种的种植面积在广西区内也逐年迅速增长。然而, 近年来对于大力发展速生树种是否有害生态健康、是否对林区内水资源产生不良影响等问题存在较大争议。例如, 2016年, 我国杨钙仁等[1]首次正式提出了桉树林区偶发的黑水现象, 并通过气象观测探讨了采伐迹地黑水发生的气象条件, 这为进行桉树林黑水的深入研究奠定了基础。另外, 许多科研工作者在人工林凋落物分解[2–3]、水量平衡[4]、凋落物归还[5]等方面做了许多研究, 结果发现, 水分、温度、酸度等是影响人工林凋落物分解速率的主要条件。但是, 以往的研究多采用网袋法在野外进行, 各种自然因素本来就差异较大, 导致实验结果也会存在较多差异, 对于凋落叶对水质的影响以及在水中分解特性无法直接了解。因此, 本文主要采用室内培养的方法, 以凋落物基本性质为主, 用蒸馏水进行浸泡, 研究凋落叶浸泡过程中水质成分变化特征, 测定其色度、单宁酸、浊度、臭等多项指标, 对比桉树、松树、杉木、红锥四种南方速生树种凋落叶浸泡液是否具有独特性质, 为进一步改善广西地区人工林生态效应提供建议, 为今后桉树等人工林科学发展规划的制定提供依据。

2 材料与方法

2.1 试验材料

桉树和松树叶采自广西国有七坡林场, 该林场位于东经107°59’ —108°18’, 北纬22°28’ —22°46’, 处于北回归线以南, 属南亚热带气候, 日照时间长, 全年日照时数在1800小时以上, 太阳辐射量在105—110 kal·cm-2年, 全年平均气温在21 ℃—22 ℃, 活动积温7500℃。全年降雨量1200—1300 mm, 年蒸发量1600—1800 mm, 相对湿度79%左右。区域土壤以砖红壤性红壤(赤红壤)为主, 有少量紫色土和棕色石灰土。土层较厚, 土壤酸度高; 土壤肥力中等。

杉木和红锥叶采自广西国有高峰林场, 该林场位于东经108°08’ —108°53’, 北纬22°49’ —23°15’之间。属于南亚热带气候, 年平均气温21 ℃左右, 大于或等于10 ℃活动积温7500 ℃左右, 极端最高气温40 ℃, 极端最低气温-2 ℃。年降雨量1200—1500 mm, 多集中在6—9月, 年蒸发量1250—1620 mm, 蒸发量稍大于降雨量。林地以赤红壤为主, 在垂直分布上有山地红壤和山地黄壤。海拔300 m以下的土壤绝大部分是赤红壤, 质地为中壤至轻壤, 保水保肥尚好。

据野外调查, 4—5月是树叶凋落的高峰期, 试验选择2016年5月收集新近的凋落叶作为原始样品。用干净抹布清洁粘附在叶面的泥土等杂物, 自然风干, 待用。

蒸馏水用ZLSC-5型不锈钢电热重蒸馏水器制得。

2.2 试验设计

本实验采用改进的凋落物对淋溶水质分解影响的设计方法[6], 将待用的凋落叶洗净、自然风干, 剪碎成1—2 cm, 分别以树叶: 蒸馏水=1:10的质量, 即树叶各取4 g, 分别加入40 g蒸馏水进行常温浸泡。所用容器为直径67 cm的塑料盆。每种叶子做两个平衡样, 所取数值为两个样的平均值。记录并标出实际水位, 因蒸发或取样等其他原因损失的水分及时补足, 使浸泡液水位保持在标线位置。每天定时搅拌, 保持叶水混合均匀。连续监测4个月以上, 观察浸泡液颜色变化情况, 不定时取样测定氮、磷、钾、腐殖酸、单宁酸、浊度等指标。取样时用纱网滤去大片杂质, 留过滤后液体进行测定。

2.3 测定指标及方法

色度: GB/T 11903—1989《水质色度的测定》; pH值: GB/T 6920—1986《水质 pH值的测定玻璃电极法》; 臭和味: 文字描述法《水和废水监测分析方法》(第四版)国家环保总局2002年; 总氮含量: GB 11891—1989《水质凯氏氮的测定》; 总磷含量: GB 11893—1989《水质总磷的测定钼酸铵分光光度法》; 钾含量: GB 11904—1989《水质钾和钠的测定火焰原子吸收分光光度法》; 浊度: GB/T 13200—1991《水质浊度的测定1992-6-1》; 腐殖酸: NYT 1971—2010《水溶肥料腐殖酸含量的测定》; 单宁酸: NY-T 1600-2008《水果、蔬菜及其制品中单宁含量的测定分光光度法》。

3 结果与分析

3.1 pH值变化情况

从图1可以看出, 四种凋落叶在蒸馏水中浸泡至第12 d时, 水质均呈现酸性状态。随着浸泡时间的增加, pH值逐渐升高。浸泡至第127 d时, 杉木叶浸提液呈现略碱性状态, 其他三种虽然pH值有所升高, 但仍处于酸性范围内。对比发现, 桉树叶浸泡液酸度最高。

3.2 氧化还原电位值变化情况

随着叶片浸泡时间的增加, 浸提液的氧化还原电位值逐渐降低。根据图2可知, 在浸泡第12 d时, 四种叶浸提液的平均ORP值均在130 mv左右。当浸泡至第92 d时, 松树叶和杉木叶浸提液降为负值, 到第127 d时杉木叶仍然降低, 而松树叶略有回升。整个过程中桉树叶浸提液下降最慢。这些与pH值的变化过程相对应。

3.3 电导率变化情况

电导率EC值反映的是浸提液中可溶性盐的含量。从图3可以看出松树和红锥叶浸提液的电导率值大致呈下降趋势,桉树叶浸提液随着时间的增加先下降再上升, 而杉木无明显规律变化。

3.4 色度和臭变化情况

随着浸泡时间的增加, 浸提液色度变化如图4所示。在同等质量同样比例条件下浸泡凋落叶, 桉树叶浸提液色度最大, 但整体呈现先上升后下降的趋势: 红锥叶和松树叶浸提液色度变化较慢, 大致呈上升趋势; 杉木叶在较短时间内就达到最大值, 即第12 d时色度已最高, 之后随着时间的增加色度值降低并稳定在一定范围内。

图1 pH值变化情况

图2 氧化还原电位变化情况

图3 电导率变化情况

图4 色度变化情况

四种凋落叶浸泡后臭变化情况如表1所示。桉树叶在浸泡至第127 d时, 浸提液仍然有明显的臭味, 整个过程臭味持续强烈; 而松树叶和红锥叶在浸泡过程中虽然一开始臭味很强, 且超过桉树和杉木, 但是随着浸泡时间的增加, 臭味减弱明显, 至第127 d时臭度等级已经降为3; 杉木叶浸提液也是呈现由强到弱的趋势。结合图4和表1得知, 凋落叶浸泡在水中, 水质颜色的深浅与臭味的强弱并没有直接相关性。

表1 臭变化情况

注: 臭强度等级: 0-无, 无任何气味; 1-微弱, 一般饮用者难于察觉, 嗅觉敏感者可以察觉; 2-弱, 一般饮用者刚能察觉; 3-明显, 已能明显察觉, 不加处理, 不能饮用; 4-强, 有明显的臭味; 5-很强, 有强烈的恶臭。

3.5 氮、磷、钾含量变化情况

凋落叶分解既有物理过程, 又有生化过程。物理过程是指样品通过机械或动物作用成为碎片; 生化过程指微生物使凋落叶分解的过程, 分解过程中凋落物养分含量的变化, 反映了样品在分解过程中的生化过程[7]。图5、图6和图7是四种凋落叶浸泡127 d时, 浸泡液中氮、磷、钾变化情况。由图5和图6可以看出, 氮、磷的动态变化大致分为释放、吸收、释放三个阶段[8], 凋落叶浸提液中氮含量在第12d迅速升高, 随后因叶片对N的吸收作用, 使得浸提液中N含量降低, 在第92 d又出现升高现象; 而磷含量, 在第12 d之前是叶片中磷释放到水中的过程, 水中磷含量增加, 到第34d水中磷相对减少, 说明凋落叶呈现磷积累状态, 接着第58 d, 磷释放, 再次增加, 这种波浪型的变化规律与以往的研究结论基本一致。水中氮、磷的变化量可能与外界环境和植物体本身因素有关[8]。有研究者认为是水中微生物等附着在落叶中, 吸收N元素, 从而导致落叶在分解过程中含氮量反而出现增加[9]，而刘昕[10]等研究也发现了叶片凋落物分解过程中磷含量的这种复杂变化特征。由图7可知松树凋落叶浸泡液总钾含量从第12 d开始逐渐降低, 其他三种均呈波浪式变化。

图5 总氮含量变化

图6 总磷含量变化

3.6 单宁酸、浊度、腐植酸变化情况

从表2中单宁酸变化情况可以看出, 四种凋落叶浸泡, 在前92 d桉树叶浸泡液单宁酸含量最大, 这是由于桉树凋落叶中单宁含量本来就较高[12],单宁的大量存在, 使得凋落叶分解中间产物不易于矿化, 导致浸泡液pH值低、色度高[1]。红锥和桉树的变化趋势相同, 都是先升高再下降, 升高是因为叶片中的单宁溶解到水中, 到第127 d浸泡液中单宁酸含量降低, 可能是因为单宁发生降解作用, 此时红锥叶浸泡液中单宁酸含量高于桉树叶, 说明桉树叶浸泡液中单宁酸降解速度更快。松树叶和杉木叶浸泡液中单宁酸含量相对较低。浸泡液浊度变化过程中, 桉树叶和红锥叶由于可溶性物质较多, 随着浸泡时间的增长, 浊度逐渐增大, 溶解性达到最大值后浊度开始变小; 松树叶和杉木叶在第12 d之前溶出率就已达到最高, 随着浸泡时间的增加, 浊度值随之变小。对比四种凋落叶分别浸泡至第127 d时, 桉树叶的浊度最大, 但是有减小的趋势。腐殖酸主要是指凋落叶在微生物作用下在水中形成的亲水性酸性物质。腐殖酸百分含量在一定程度上影响着pH值的大小。

图7 总钾含量变化

4 讨论

凋落叶在水中分解过程大致有两个阶段: 第一阶段是易溶复合物的迅速溶解, 属于物理过程; 第二阶段是凋落叶的缓慢分解, 属于分解作用[9]。以浸提液中N、P变化为例, 四种凋落叶在浸泡第12 d时, 浸提液中N、P含量迅速升高, 这是由于叶片中不稳定N、P在淋溶阶段的快速释放, 其中松树叶N溶出量最高, 桉树叶P溶出量最高, 杉木叶次之。随着第一阶段物理溶解过程的结束, 开始进入分解阶段。即叶片和水中的微生物开始强烈活动, 从而引起水中养分向凋落叶的转移[10]。在这个过程中, 凋落叶养分含量的多少直接影响着凋落叶的分解速率[11], 因此四种凋落叶浸提液中养分含量动态变化存在差异。影响凋落叶分解的因素通常包括: 水中微生物、温度、树叶种类、叶片化学成分含量、水流速度等[12]。本文为了排除干扰因素, 采用蒸馏水对叶片进行浸泡, 对比四种叶浸泡液成分差异。相同实验条件下, 桉树叶在水中分解会释放比松树叶、杉木叶、红锥叶颜色更深的分解产物, 但随着浸泡时间的增加, 即到第96 d时, 这种差距会逐渐减小, 当浸泡到第127 d时, 红锥浸泡液色度已经超过桉树叶。在整个浸泡过程中, 桉树叶浸泡液pH值几乎都比其他三个树种低, 臭度也始终处于强的范围, 但是色度从第34 d开始减小, 在第127 d时比红锥叶浸泡液更低。这可能是因为桉树叶在分解过程中产生了大量的有机物质(分解中间产物如有机酸), 而有机酸又可能以腐殖酸为主[1], 这刚好与树叶浸泡液中腐殖酸的测定结果相统一。有研究显示植物多酚能够减缓水中可溶性有机碳的矿化[13], 由于桉树凋落叶中单宁酸含量较高[14], 多酚(主要是单宁)的大量存在, 使桉树凋落物分解中间产物不易于矿化, 导致其液体色度高、pH值较低, 这与以往[15]的研究结果一致。氮磷钾的含量变化基本呈现释放、吸收、释放的规律, 但整体来看还是以释放为主。

表2 单宁酸变化情况

表3 浊度变化情况

表4 腐殖酸变化情况

5 结论

1)综上所述, 本实验测定的浸泡液相关指标, 在浸泡初期桉树叶与其他三种相比确实颜色较黑、酸度较低, 但是浸泡末期红锥叶的色度已经远远超过桉树叶; 从浸提液氮磷钾含量变化来看, 到第127d, 除杉木叶外, 其他三种人工林凋落叶并无太大差别。如果桉树凋落叶在一定条件下浸泡是形成桉树人工林区黑水的原因之一, 那么这种现象就并不是桉树人工林所特有的, 红锥叶浸泡液的色度在后期已经高于桉树叶。当然凋落叶分解本身就是一个复杂的生物化学过程, 在特定的环境条件下, 分解中产生的中间产物, 或者被分解者所利用, 或者重新合成新的化合物[13]。因此, 在一个复杂的基质内, 总有一些物质分解的快, 有一部分分解的慢, 分解过程中, 有些物质可能发生着相互变化[17]。本文主要进行的是室内凋落叶浸提试验, 而这与自然环境降水中凋落叶的分解存在一定的差距[18]。要弄清凋落叶在不同温度[19]、湿度、酸雨[20-21]等环境因素影响下, 会不会对人工林区坡面径流水质产生不利影响, 还需进一步研究, 这也是本实验室正在进行的课题。

2)桉树叶和红锥叶浸泡后都具有使水质发黑的特征且单宁酸含量较高, 而桉树叶分解使水质pH值较低, 这些都是人工林对区域水资源存在潜在威胁的影响因素。因此, 避免区域过度集中种植桉树及红锥、减小人工林连片单一种植面积、避免雨季大量采伐使凋落物过量堆积, 对于防控和保护人工林区域水资源安全具有一定的指导意义。

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Comparative study on soak characteristic of litters in four different southern fast-growing tree species

WU Qi1,2,3, REN Shiqi1,3,*, XIANG Dongyun1, CHEN Jianbo1, DENG Ziyu1, GUO Dongqiang1

1. Guangxi Forestry Reasearch Institute, Nanning 530002, China 2. Light Industry and Food Engineering College, Guangxi University, Nanning 530004, China 3.Nanning Forest Ecosystem Observation and Research Station for Guangxi, Nanning 530002, China

In order to investigate the soak characteristic of litters in southern fast-growing tree species, this experiment used pine, China fir, eucalyptus andto study the water quality alteration of them. The results showed that pH value of soak solution of eucalyptus was lower than others, and odour was stronger and more durable. Meanwhile the chromaticity color was very high in the beginning of the immersion, but decreased with the increase of soaking time, in the end lower than soak solution ofleaves. The values of TN, TP and TK were all followed the same rules as release-accumulation-release, with no significant difference. In addition, humic acid content affected the value of pH to a certain extent, but did not directly related to chromaticity color or odour. The immersion fluid soon turned black due to soak eucalyptus leaves in the water. This may explain why eucalyptus artificial forests occur black water pollution by accident. On the other hand, soak solutions of pine andsmell firstly, but the intensity gradually decreases. Only the odour of soak solution of eucalyptus has remained constant during the experiment.

quick growing species of trees ; eucalyptus; leaf litter; water black

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.06.008

S719

A

1008-8873(2018)06-060-07

2017-10-12;

2017-11-14

广西优良用材林资源培育重点实验室自主课题(16-A-04-03); 广西林科院基本科研业务费项目(林科201604号); 广西林业科技项目(桂林科字[2016]第30号)

伍琪(1986—), 女, 陕西宝鸡人, 在读博士, 工程师, 主要从事环境生态技术研究, E-mail: 549391722@qq.com

任世奇(1984—), 男, 博士, 高级工程师, 主要从事森林生态研究, E-mail:592566935@qq.com

伍琪, 任世奇, 项东云, 等. 四种南方常见速生树种凋落叶浸泡实验研究[J]. 生态科学, 2018, 37(6): 60-66.

WU Qi, REN Shiqi, XIANG Dongyun, et al. Comparative study on soak characteristic of litters in four different southern fast-growing tree species[J]. Ecological Science, 2018, 37(6): 60-66.