分解促进剂对九龙山林下凋落叶分解的影响

马淑敏，王海霞，辛学兵，裴顺祥，郭 慧，法 蕾

(中国林业科学研究院华北林业实验中心，北京102300)

森林凋落物是森林生态系统的组成部分和森林土壤物质转换的基础[1]，森林凋落物分解作为生态系统物质循环和能量流动的关键过程受到广泛关注[2].影响森林凋落物分解的因素有很多，主要可归纳为两方面：一是凋落物本身质量，即其理化性质和养分含量；二是凋落物分解的外在环境，主要是气候因子和土壤条件.但从小范围来看，凋落物质量和土壤中的分解者对分解过程影响较大.大量研究[3]表明，凋落物分解速率与凋落物本身的N含量、C/N、木质素/N，以及土壤中C/N、N含量和外源添加的N量有关.凋落物质量尤其是C/N和木质素/N最能反映凋落物分解的速率[4].凋落物分解前期，主要是N制约凋落物的分解速率，营养物质N的初始含量越高，凋落物的分解速率越大[5]；而外源N输入对凋落物分解的影响则不同，具有促进或抑制作用[6]，或没有明显作用[7].外源N添加对凋落物分解的作用及影响与很多因素有关，如凋落物本身质量，还有N沉降及施肥类型等.凋落物的彻底降解与微生物密不可分，凋落物的分解是不同时期、不同类群微生物连续作用的结果[8].微生物对森林凋落物的分解和利用是将有机物质矿化为无机物质，其中真菌(尤其是丝状真菌)被认为在凋落物分解中起主要作用[9].真菌微生物直接影响了大部分凋落物的分解[10-11]，真菌的菌丝能刺入植物残体内部并且分泌胞外酶，降解凋落物中的木质素等难分解物质，从而软化植物残体，改变凋落物的结构及其化学组成.凋落物中最难分解的木质素完全依赖于真菌的作用[11].真菌能释放漆酶、木质素过氧化物酶、纤维素分解酶、酸性和碱性磷酸酶等，而漆酶可能是木质素分解过程中最为重要的酶.凋落物的彻底降解本质上也是在微生物和土壤酶系统的综合作用下完成的，酶活性高低直接影响微生物对凋落物的分解[5，8，11].国外研究[12]发现，凋落物分解过程中纤维素酶和几丁质酶的活性与真菌的活动有很大关联.国内有关酶对凋落物分解影响的研究较为少见[13]，有学者研究了具有木质纤维分解能力的丝状真菌分解凋落物的酶活性动力学，发现凋落物不同分解时期依赖于不同的分解酶[14].凋落物分解过程中酶活性的高低与凋落物的分解密切相关，酶活性高，说明特定微生物对凋落物中特定化学成分的利用率高[15].

北京京西九龙山气候干旱，尤其秋冬季寒冷干燥，凋落叶分解缓慢，而且该林场与多地居民住地相互交错，人为火源管理困难，而减少林中地表可燃物不失为防火的一个好方法.九龙山林下凋落叶层厚，易燃物主要包括阔叶栓皮栎、针叶油松、落叶松.混合凋落叶主要是栓皮栎和油松的混合.而加快凋落叶的原地分解是减少林下地表可燃物的有效手段.基于此，本研究选取饲用复合酶制剂、益生菌，以及从九龙山凋落叶层中采集分离的大型真菌环炳菇和杯伞，以筛选出快速分解凋落叶的促进剂.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于北京市京西九龙山森林保护区.九龙山森林保护区位于北京市西郊，地理位置：115°59′—116°06′E，39°54′—39°57′N.气候条件：暖温带大陆东岸半湿润季风气候，夏季炎热多雨，降水主要集中在6—9月，年降水量650.4 mm，年蒸发量1 890.8 mm，秋冬季节寒冷干燥，持续干旱时长约5～6个月.九龙山地区植被是以人工林与天然次生灌丛为主，属典型的暖温带落叶阔叶林.

1.2 试验设计和样品处理

凋落叶包括针叶、阔叶、针阔混合叶3种类型，阔叶为栓皮栎凋落叶，针叶为油松凋落叶，混合叶为栓皮栎与油松按1∶1混合.选取了5种分解促进剂：(1)尿素；(2)对农作物秸秆分解效果较好的饲用复合酶制剂；(3)益生菌，购于洛阳欧科拜克生物技术有限公司；(4)九龙山凋落叶层真菌环炳菇(Lepiota)；(5)九龙山凋落叶层真菌杯伞(Clitocybe).

设置6个处理：清水对照(CK)、尿素(N)、饲用复合酶制剂(S)、益生菌(EM)、环炳菇(F.L)、杯伞(F.C).根据凋落叶类型的不同，样地分别设置在栓皮栎、油松、栓皮栎与油松的混交林下，每个类型的林下布设6个处理样地，每个处理样地设3个重复试验区，共设置54个试验区.每个试验区面积1 m2.在试验区内，以“S”型布设5个样点，共布设270个样点.分解促进剂喷施方法如下：尿素(27 g尿素＋1 kg水)溶液1 kg·m-2，喷洒均匀即可；益生菌(1 g菌剂＋0.1 kg红糖＋1 kg水)混合液1 kg·m-2，喷洒均匀即可；饲用复合酶制剂(0.15 g酶＋1 kg水)溶液1 kg·m-2，喷洒均匀即可；环炳菇培养液1 kg·m-2，喷洒均匀即可；杯伞培养液1 kg·m-2，喷洒均匀即可；对照喷洒水1 kg·m-2.每3个月补施1次促进剂，对照样地补施清水.

凋落叶的分解试验采用网袋法，采集油松林、栓皮栎林下当年新凋落叶作为试验材料，分别称取15 g样品装入分解袋(90目)，于2016年4月置于林下，清除枯枝落叶的地表层(0～5 cm)，使样品直接与土壤接触.2016年4月至2017年10月取样，对应分解时间分别为0、3、6、12、15、18个月，3个重复.装入尼龙袋带回实验室，将样品去除土壤、石块和根系等杂质，置于80℃烘箱中烘干至恒重，称量并计算其质量损失率.称取少量凋落叶在105℃下烘干，计算出水分质量分数的换算系数.

1.3 数据分析

凋落叶分解指数模型为：y＝ae-kt

式中：y为凋落叶的月残留率(%)；a为拟合参数；e为自然对数底；t为分解时间(月)；k为凋落叶的分解系数.

式中：M0为凋落袋埋置前的烘干凋落叶质量；(Mt-1-Mt)为相邻两阶段凋落叶分解袋的残留量差；MT为最后一次采样的凋落叶残留量.

采用SPSS 16.0进行数据统计与分析，采用非线性回归分析(nonlinear regression)拟合凋落叶分解曲线.采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较3种类型凋落叶在6种处理下的失重率.

2 结果与分析

2.1 不同处理对凋落叶失重率的影响

对不同处理的凋落叶失重率进行分析，结果如图1所示.不同促进剂、不同性质的凋落叶失重率存在差异.由图1A可知，针叶凋落叶经过18个月的分解，对照组的凋落叶失重率低于20%，添加促进剂的针叶凋落叶失重率达26.4%～35.7%，EM、S和F.C处理的凋落叶失重率均达到30%.分解到3个月时EM处理的凋落叶失重率显著高于对照组(P＜0.05)，其余各处理之间无显著差异(P＞0.05)；分解到6个月时，EM处理的凋落叶失重率显著高于其他处理(P＜0.05)；分解1 a后，除了N和F.L处理的凋落叶失重率与对照组无显著差异，其他各处理均显著高于对照组(P＜0.05).由图1A可以看出，试验初期针叶凋落叶分解速率比较大，随着时间的推移，分解速率有所下降，并逐渐趋于恒定；但S和EM处理在整个分解过程中表现较好.

由图1B可以看出，阔叶凋落叶分解3个月时，各处理的凋落叶失重率均无显著差异(P＞0.05)；但随着分解时间的延长，除了S处理，其他处理的凋落叶失重率都显著高于对照组(P＜0.05).在分解6个月时，EM处理表现最好；分解12月至试验结束，EM、F.L、F.C处理均呈现出明显优势；经过18个月的分解，F.C处理的阔叶失重率最大，达38.7%，比对照组高出17%.

由图1C可以看出，针阔混合凋落叶在整个分解过程中，F.L处理的失重率一直是最大；在分解3个月和12个月的时候，F.L处理的失重率显著高于其他处理(P＜0.05)；分解18个月后，F.L、F.C、S 3个处理的失重率显著高于其他处理(P＜0.05)，其中，F.L处理失重率最大，达到37.86%.

2.2 不同类型凋落叶的失重动态

对不同类型凋落叶失重率进行比较分析(图2)，在6种处理下，3种类型的凋落叶失重率均随时间的延长而增大；分解初期，分解速率最大；随着时间的延长，分解速率有所降低，失重动态趋于平缓.经过18个月的分解，3种类型凋落叶的失重率大小表现为：栓皮栎＞栓皮栎与油松混合＞油松，混合凋落叶的失重率居于阔叶与针叶凋落叶之间，更接近于阔叶.通过分析阔叶凋落叶与混合凋落叶的失重动态可以看出，在N处理下，阔叶凋落叶与混合凋落叶的失重率相差最大；分解18个月后，阔叶凋落叶失重率比混合凋落叶失重率高4.43%；其余处理下，两者失重率相差不超过3%.通过分析阔叶凋落叶与针叶凋落叶的失重动态可以看出，在F.L处理下，阔叶凋落叶与针叶凋落叶的失重率相差最大，经过18个月的分解，阔叶凋落叶失重率比针叶凋落叶失重率高10.8%.在S处理下，经过18个月的分解，3种类型凋落叶的失重率基本一致.

2.3 不同处理下凋落叶分解的指数模型

对凋落叶分解的指数模型进行分析，结果如表1所示.从表1可知，针叶凋落叶在6种处理下，年分解系数的排列顺序为S＞N＞F.C＞EM＞F.L＞CK；S处理的分解系数最大，95%质量损失时间最短，为13.3 a，比对照减少20 a；阔叶凋落叶的95%质量损失时间比针叶短.6种处理下的年分解系数大小表现为F.C＞F.L＞EM＞N＞S＞CK.F.C处理下阔叶凋落叶分解系数最大，95%质量损失时间为10 a；F.L处理下阔叶分解系数仅次于F.C，95%质量损失时间为11.1 a；F.L、F.C处理的95%质量损失时间明显比其他处理短.针阔混合凋落叶在6种处理下的年分解系数大小表现为F.L＞F.C＞S＞N＞EM＞CK.在F.L处理下年分解系数最大，95%质量损失时间最短，为12.5 a.表明针叶凋落叶在酶制剂S处理下分解效果最好，阔叶凋落叶在F.C处理下分解效果最好，针阔混合凋落叶在F.L处理下分解效果最好.

图1 不同处理对针叶(A)、阔叶(B)、混合(C)凋落叶失重率的影响Fig.1 Effects of different treatments on weight loss rate of coniferous(A)，broadleaf(B)and mixed forest(C)litters

图2 针叶、阔叶、混合凋落叶在6种处理下的失重动态分析Fig.2 Dynamic analysis of weightlessness of coniferous，broad-leaf and mixed forest litter under 6 treatments

2.4 不同处理下凋落叶分解各阶段的质量损失贡献率

分析凋落叶在不同时期的分解速率，结果如图3所示.从图3可知，经过18个月的凋落叶分解试验，3种类型凋落叶的质量损失主要发生在分解前期，凋落叶分解3个月的时候，3种类型凋落叶质量损失贡献率均达到30%以上；分解到12个月的时候，质量损失贡献率均达到50%以上.油松凋落叶在不同处理下分解到12个月的时候，质量损失贡献率为51.3%～70.7%；在EM菌处理下分解12个月的质量损失贡献率最大，为70.7%；分解3个月质量损失贡献率为46.6%.栓皮栎凋落叶分解的前3个月，S处理的质量损失贡献率最大，达40.4%；分解到12个月时，EM处理的质量损失贡献率最大，为76.3%.栓皮栎与油松的混合凋落叶在N处理下，前3个月的质量损失贡献率高达62.9%，而后续各分解时期F.L处理下的质量损失贡献率均较大.

表1 3种类型凋落叶在不同处理下的分解系数、复相关系数、半分解和95%分解时间Table 1 Decomposition coefficient， correlation coefficient， and time of 50%and 95%decomposition for 3 types leaf litter under different treatments

3 小结与讨论

本研究中北京九龙山不同类型凋落叶分解18个月后，栓皮栎和油松凋落叶的失重率与我国针叶林凋落物年失重率(20%～40%)[16]一致，阔叶林凋落物年失重率也在43.5%与85%之间[16].栓皮栎凋落叶分解最快，栓皮栎与油松1∶1混合凋落叶次之，油松凋落叶分解最慢，而且针阔混合叶的分解速率更接近于阔叶.本研究中栓皮栎凋落叶分解速率大于油松凋落叶，与文献[17]一致.不同类型凋落叶化学成分和物理结构均存在显著差异，从化学成分上看，阔叶凋落叶中的N含量显著高于针叶凋落叶，木质素含量显著低于针叶凋落叶[18].凋落叶中C/N越低，木质素含量越低，分解越快；从物理结构上看，针叶凋落叶与阔叶凋落叶相比，细胞壁较硬.针叶表面含有的角质层、蜡质层较厚，木质化程度高，透水性能较差，而且针叶在某种程度上影响微生物对凋落物易分解物质的利用，因此降低凋落叶的分解速率[19].

研究[20]表明，针阔凋落物混合分解具有促进效应，也有学者认为混合分解降低了分解速率[21].本研究中栓皮栎和油松的针阔混合凋落叶分解速率大于油松凋落叶，一是与针叶凋落叶相比针阔混合凋落叶更有利于分解者的小生境，能提高不同分解者的丰富度[22]，二是混合凋落物叶营养元素比针叶更全面，从而提高了凋落叶自身的质量，加速了凋落叶的分解[23].栓皮栎和油松的针阔混合凋落叶的分解速率小于栓皮栎，更接近于栓皮栎的分解速率.有研究[24]指出混合凋落叶在分解过程中也有可能发生养分传递、化学抑制等互作.质量相差较大的凋落叶混合，质量较低的常常会受到质量较高的凋落叶的刺激而使养分含量升高；而高质量的养分含量相应降低，即混合凋落叶中营养元素通过淋溶作用从高质量的凋落叶向较低质量的凋落叶转运[22，25].本研究中栓皮栎与油松凋落叶混合后，营养元素可能从栓皮栎向油松转移，而且混合后的分解是以高质量的栓皮栎分解为主，这方面有待进一步研究.

本研究中外源添加5种分解促进剂均加快了凋落叶的分解.外源添加N元素是以尿素的形式施入，加速了凋落叶的分解.因为北京九龙山属于华北石质山区，土壤比较贫瘠，营养匮乏，而在受N限制的林下环境中添加N元素往往会对凋落叶分解产生强烈刺激，而且外源输入N的含量比较低，一般来说低含量N的添加均能促进凋落叶分解[26].从凋落物自身性质来说，N元素输入使植物吸N量增加，从而提高凋落叶N含量或是N输入地表环境提高凋落叶质量，引起C/N降低，从而加速了凋落叶分解[27].凋落叶分解过程也有微生物与酶的参与，外源N输入满足了微生物对N的需求，提高了微生物的数量和活性，而且真菌分解的纤维素酶和淀粉酶的活性也受N限制，因此外源N增加会提高凋落叶分解酶和其他糖苷酶的活性，促使凋落叶分解，这是由微生物酶系统及其群落组成差异对N增加的响应差异所引起的[28，29]，凡是有利于分解者生存和活动的环境都会提高凋落叶的分解速率[30].EM、F.L、F.C及S处理均能加速九龙山凋落叶的分解，本试验选用的益生菌和复合酶制剂包含细菌、放线菌等六大微生物菌群及纤维素酶、淀粉酶等多种酶，外源菌和酶制剂的输入改变了分解者的生境，提高了微生物的活性和丰富度.研究[31]表明，真菌多样化加快针叶、阔叶和针阔混合凋落叶的分解，而且微生物的多样化本质上也是分解酶的多样化，凋落叶不同分解阶段依赖于不同的高活性酶.F.L和F.C是从本地分离出的菌种，从研究结果来看，F.L对混合凋落叶以及F.C对阔叶凋落叶的分解快，95%分解时间明显缩短，说明本地菌种更能适应当地林下凋落叶层的空间环境，施入后有助于提高微生物活性，与凋落叶和土壤中的微生物具有更好的协同作用.因此外源输入本地分离出来的真菌菌种有利于凋落叶的分解.

图3 不同处理下3种凋落叶各阶段对质量损失的贡献率Fig.3 Contribution rate of different treatments to mass loss 3 types of leaf litters in each decomposition stage

由于各处理在不同分解时期对凋落叶分解具有不同的作用机制，所以凋落叶在不同分解阶段表现出了不同的响应特征.本研究对九龙山林下凋落叶进行了1年半的分解试验，发现凋落叶分解主要发生在第1年，3种凋落叶第1年的质量损失贡献率占到了1年半质量损失总量的50%以上；前3个月凋落叶质量损失最大，占18个月质量损失总量的30%以上.这是因为N含量和C/N对凋落叶分解初期的分解速率具有决定性意义[32].凋落叶分解初期，主要分解非木质性纤维素和水溶性物质，新鲜凋落叶养分含量高，凋落叶中N含量高，C/N低，所以分解速率最大[33].外源促进剂的输入有利于提高分解过程中凋落叶的质量，提高凋落叶N含量，降低C/N，并增大分解初期N的积累[26].凋落叶分解后期，则是以木质素等难分解物质为主，所以分解较慢.本研究发现油松凋落物在0～3个月的分解初期，外源添加N素的质量损失率低于对照组；之后各阶段施入N元素后的质量损失率均高于对照.此现象说明外源性N输入对油松凋落叶不同分解时期表现出不同的作用，与文献[7，8]结果一致.

本研究发现各处理下，阔叶凋落叶分解最快，其次是针阔混合凋落叶，针叶分解最慢.其中，针叶凋落叶在S处理分解最快，阔叶凋落叶在F.C处理下分解最快，针阔混合凋落叶在F.L处理下分解最快.