水分变化对若尔盖高寒湿地木里薹草(Carex muliensis)枯落物分解及CO2排放的影响

丁 艳，张晓雅，高俊琴，李谦维，乐 艺，蒋丽华

(北京林业大学自然保护区学院，北京 100083)

枯落物是陆地生态系统的重要组成部分，是植物地上或者地下部分产生并归还于土壤的所有有机物的总称[1]。陆地生态系统中高达90%的净初级生产力都会以枯落物的形式返还于土壤[2-3]。枯落物在分解过程中能不断释放出碳、氮以及其他营养物质，供给植物生长发育，是陆地生态系统物质循环和能量流动的重要环节[4]。枯落物分解与大气CO2浓度变化密切相关，全球范围内枯落物分解所释放的CO2约占土壤呼吸CO2排放量的70%，是陆地生态系统碳素向大气输入的主要途径之一[5]。

枯落物分解主要包括淋溶、机械破碎、生物化学降解等过程，受温度、水分等非生物因子，土壤动物、微生物等生物因子及其自身性质的影响[6-7]。水分作为主要的影响因子，会对枯落物分解过程中的淋溶和微生物降解产生影响[8]。枯落物失重率及CO2排放是表征枯落物分解的重要指标[9-10]。研究表明，枯落物分解与水分变化呈正相关关系，高水分条件下枯落物失重率和CO2排放量均高于低水分条件下[11-12]。湿地的水淹条件可以有效降低枯落物的分解速率，水位越高，失重率越低，CO2排放量越小[13]，并且随着水淹时间的加长，枯落物失重率与分解速率均下降[14]。与持续水淹条件相比，水分干湿交替变化可以显著促进枯落物分解[15-16]，随着淹水频率的增加，枯落物失重率和CO2排放量也不断增加[11，17]。但也有研究表明，相较于恒定水分条件，干湿交替的水分变化可抑制枯落物分解，其效果与干湿交替的强度和频率有关[10，17]。因此，干湿交替水量和频率对枯落物分解及CO2排放具有重要影响，而目前相关研究多侧重于水量或者频率变化的影响，综合考虑水量和频率变化及其交互作用对枯落物分解影响方面的研究较少，尤其是关于我国独特的高寒湿地枯落物分解方面的研究更少。该研究以若尔盖高寒湿地优势植物木里薹草(Carexmuliensis)枯落物为研究对象，通过设置不同水量和频率的干湿交替处理，探讨枯落物分解及CO2排放对于水分干湿交替变化的响应，为深入理解高寒湿地生态系统物质循环过程及其对全球变化的响应奠定基础。

1 材料与方法

1.1 采样地概况

若尔盖湿地(32°20′～34°00′ N，101°36′～103°30′ E)地处青藏高原东部，平均海拔3 500 m，是典型的高寒湿地生态系统类型[18]。该地区为寒温带大陆性季风气候区，年均温为1.4 ℃，最高温为25.6 ℃，最低温为-30.6 ℃；平均年降水量为654 mm，降水集中在5—10月；光照强，平均年日照时数为2 417 h，昼夜温差大[19-21]。研究区优势植物包括木里薹草、华扁穗草(Blysmussinocompressus)、鹅绒委陵菜(Potentillaanserina)和黄帚橐吾(Ligulariavirgaurea)等[22]。木里薹草是一种多年生的莎草科薹草属草本植物，是若尔盖高寒湿地分布较为广泛的沼生植物，对若尔盖高寒湿地生态系统具有重要作用[23]。

1.2 采样方法

于2016年9月生长季末期在若尔盖国家级自然保护区实验区采集木里薹草枯落物及土壤样品。试验地地理位置为32°30′45″ N，102°39′17″ E，海拔3 500 m，群落盖度为90%，建群种为木里薹草，物种组成还包括鹅绒委陵菜、垂穗披碱草(Polygonumsibiricum)、川甘蒲公英 (Taraxacumlugubre)、华扁穗草、黄帚橐吾、矮蒿草(Kobresiahumilis)和车前(Plantagoasiatica)。在典型木里薹草沼泽湿地区域设置4个20 m×20 m的样方，每个样方利用5点取样法设置1 m×1 m的取样点格，采集1 kg木里薹草枯落物和5 kg表层土壤(0～15 cm)样品。将枯落物带回实验室用蒸馏水冲洗干净并风干，剪成2 cm的小段，充分混合均匀。将土壤装入自封袋带回实验室低温存放，用于制备微生物接种液。

1.3 试验设计

根据若尔盖地区2016年生长季野外观测的降水量和降水频率，设置2种干湿交替水量和2种干湿交替频率。干湿交替水量设置为高水量(100%野外实际降水量，即360 mm)和低水量(70%野外实际降水量，即252 mm)。降水频率设置为高频率(8 d·次-1，野外平均降水频率)和低频率(16 d·次-1，延长1倍野外平均降水频率)，其中高水量-高频率、高水量-低频率、低水量-高频率和低水量-低频率干湿交替处理的每次添加水量分别为3.5、7、2.45和4.9 mL，每种处理5个重复。

将野外采集的土壤过2 mm孔径筛剔除杂质，称取50 g于烧杯中，加入250 mL蒸馏水(土水质量比为1∶5)后置于振荡机中，在25 ℃条件下以120 r·min-1振荡90 min，再放入离心机(上海安亭飞鸽 LXJ-IIB 型)中以3 000 r·min-1(离心半径为21 cm)离心10 min，过滤后得到微生物接种液。称取1 g(干重)混合均匀的枯落物置于250 mL培养瓶中，并添加10 mL微生物接种液，在室温条件下预培养5 d。根据若尔盖高寒湿地植物生长季的平均温度，将人工气候箱温度设置为15 ℃，保持无光照条件下培养144 d(高频率干湿处理经历18个干湿周期，低频率干湿处理经历9个干湿周期)。培养期间根据不同的干湿交替处理定期进行水分添加。

1.4 样品采集与分析

在培养周期的前32 d每2 d采集测定1次CO2气体，之后每8 d采集1次，共采集36次。采样时使用注射器采集40 mL气体后迅速密封培养瓶，密闭30 min后使用注射器再次采集40 mL气体，并于24 h内采用GC Agilent 7890A气相色谱仪进行CO2浓度测定[24]。

CO2排放通量计算公式[25]为

(1)

CO2累积排放量计算公式为

(2)

式(2)中，C为气体累积排放量，g·kg-1；F为气体排放通量，μg·kg·h-1；ti-ti+1为采样时间间隔，d。

采用称重法测定枯落物含水量。培养结束后收集枯落物在65 ℃条件下烘干至恒重，采用称重法测定枯落物失重率。枯落物失重率计算公式[27]为

(3)

式(3)中，Pw为枯落物失重率，%；W0为枯落物的初始质量，g；Wt为分解t时间后枯落物的残留量，g。

1.5 数据分析

采用SPSS 17.0统计分析软件进行数据整理和分析。采用双因素方差(Two-way ANOVA)分析水量和频率对枯落物失重率和CO2排放的影响。使用Sigmaplot 11.0绘图软件作图。

2 结果与分析

2.1 枯落物含水量

不同水量和频率干湿交替处理下枯落物含水量的波动变化不同(图1)。高水量干湿交替中，高频率和低频率干湿处理下枯落物含水量w的波动范围分别为88%～137%和104%～173%。低水量干湿交替中，高频率和低频率干湿处理下枯落物含水量w的波动范围分别为22%～115%和57%～128%。其中高水量-高频率干湿交替处理下枯落物含水量的变化幅度最小，低水量-高频率干湿交替处理枯落物的含水量变化幅度最大。在同一干湿交替频率下，高水量处理枯落物的含水量普遍高于低水量处理。

图1 水量和频率对枯落物含水量的影响Fig.1 Effect of water volume and watering frequency on litter moistures

2.2 水分变化对枯落物失重率的影响

由表1可知，水量、频率及其交互作用对枯落物失重率均没有显著影响。在高水量干湿交替条件下，高频率和低频率处理枯落物失重率分别为31.64%和34.26%；在低水量干湿交替条件下，高频率和低频率处理枯落物失重率分别为31.9%和31.84%(图 2)。

2.3 水分变化对枯落物CO2排放的影响

水量、频率及其交互作用对枯落物CO2累积排放均有显著影响(表1)。在高频率干湿交替中，在培养周期的前80 d，低水量处理下的CO2累积排放量略高于高水量处理；而后续81～144 d的培养中，CO2累积排放量则表现为高水量处理高于低水量处理。在高频率干湿交替条件下，高水量和低水量处理CO2累积排放量分别为(6.86±0.18)和(6.10±0.43)g·kg-1(图3)。

表1 水量和频率对枯落物失重率和CO2排放的影响Table 1 Effect of water volume and watering frequency on the weightlessness rate of litter and CO2 cumulative emission

在低频率干湿交替条件下，高水量处理枯落物的CO2累积排放量始终高于低水量处理，高水量和低水量处理下的CO2累积排放量分别为(10.77±0.64)和(5.28±0.24)g·kg-1(图3)。在整个培养过程中，高水量和低水量处理下枯落物的CO2累积排放量变化趋势一致，即随着培养时间的延长，枯落物的CO2排放量均持续增加。其中低频率低水量处理下枯落物CO2排放量在培养前期增加幅度较大，之后逐渐趋于平缓(图3)。

在整个培养期间，高水量干湿交替条件下，高频率和低频率处理枯落物CO2排放量差异显著(P<0.001)，低频率处理下枯落物CO2排放量显著高于高频率处理。在低水量干湿交替处理中，2种频率下的枯落物CO2总排放量无显著差异(P=0.130，图 4)。

同一频率直方柱上方英文小写字母不同表示不同水量之间失重率差异显著(P<0.05)，同一水量直方柱上方英文大写字母不同表示不同频率之间失重率差异显著(P<0.05)。

图3 不同水量和频率下CO2累积排放量随培养时间的变化Fig.3 CO2 cumulative emission under different water volumes and watering frequencies during litter incubation period

3 讨论

水分变化对木里薹草枯落物分解过程中CO2排放具有显著影响。该研究结果表明高水量处理的枯落物CO2累积排放量高于低水量处理，这与前人研究结果[9，28]一致。水分在枯落物分解过程中主要对淋溶和微生物降解过程产生影响[8]。一方面，水分增加会导致枯落物湿度增加，促进枯落物中可溶性物质的淋溶，增强微生物对枯落物中淋溶养分的利用，从而促进枯落物分解时的CO2排放[25]。另一方面，还可能与水分对微生物的影响机制有关，微生物的活性、种类以及群落等是影响枯落物分解的重要因素[29]。已有研究表明，水分增加可以促进微生物生长繁殖，导致微生物群落结构及功能变化[30]，提升微生物活性[31]，还能促进微生物分泌纤维素酶和木质素降解酶等，进而促进枯落物中难降解物质的分解，增加CO2排放[8]。GLIKSMAN等[32]研究发现在自然条件下随着枯落物含水量w由7%增加至34%，微生物分解作用不断增强。随着水量增加至接近水淹状态，微生物对底物的利用增强，枯落物分解加速[33]。该研究中高水量处理下枯落物含水量变化幅度为88%～173%，低水量处理下枯落物含水量变化幅度为22%～128%，在高水量下枯落物分解时CO2排放量较大。

同一频率直方柱上方英文小写字母不同表示不同水量之间CO2排放量差异显著(P<0.05)，同一水量直方柱上方英文大写字母不同表示不同频率之间CO2排放量差异显著(P<0.05)。

干湿交替频率变化对木里薹草枯落物分解过程中CO2排放有显著影响。高水量下降低干湿交替频率可以显著增加枯落物CO2排放量。枯落物的破碎化对其分解过程有促进作用，干湿交替变化可以加速枯落物破碎进而促进降解[8]。研究表明，经历干湿交替后，微生物的生长繁殖存在滞后期，一般为4～7 d，之后其生长速率才会加快，其生长速率随着时间变化呈现指数型增长[34]。相较于高频率干湿交替，低频率干湿交替延长了干旱周期和湿润周期，即好氧和厌氧环境持续时间均增加，尤其是高水量下的干旱周期，为好氧微生物适应环境变化进而快速生长繁殖提供了足够时间，显著促进了好氧微生物分解枯落物，导致CO2排放增加[35]。此外，高水量高频率下枯落物含水量变化范围为88%～137%，高水量低频率下枯落物含水量变化范围为104%～173%，笔者研究中较高的枯落物含水量有利于CO2排放的结果与其相吻合。

该研究中，水量和频率对枯落物失重率均没有显著影响。一方面可能是由于水分差异不够大，还不足以显著影响枯落物分解的失重率。另一方面与木里薹草枯落物的性质有关。木里薹草属莎草科植物，难分解的纤维素和木质素含量相对较高[3]，因此在较为短期的培养过程中无法观测到明显的枯落物失重率变化。虽然水量和频率对枯落物失重率影响不显著，但其与枯落物分解过程中CO2累积排放量呈现较为一致的变化趋势，表明CO2排放量不仅能在一定程度上表征凋落物的分解，而且是相对更敏感的指标。在枯落物分解及其时间动态的相关研究中，由于对枯落物失重率的测定往往需要破坏性取样，研究者通常情况下会选择测定枯落物CO2排放量等指标来衡量枯落物的分解[9-10，36]，这样在避免破坏性采样的同时也能了解枯落物分解过程。

4 结论

水量和频率影响下木里薹草枯落物含水量变化介于22%～173%之间，枯落物失重率变化介于31.64%～34.26%之间。培养期间水量和频率及两者交互作用对木里薹草枯落物失重率均没有显著影响。水量、频率及两者交互作用对枯落物分解过程中CO2排放有显著影响。高水量显著增加了木里薹草枯落物CO2排放量。在高水量条件下，低频率处理的木里薹草枯落物CO2排放量显著高于高频率处理，分别为(10.77±0.64)和(5.28±0.24)g·kg-1。因此，未来降水格局变化(包括降水量和降水频率变化)将对若尔盖高寒湿地木里薹草枯落物分解过程中CO2的排放产生重要影响。