臭氧摩尔分数升高对不同树龄银杏凋落叶分解和养分变化的影响1)

付伟 苏丽丽 王楠

(宜春学院，宜春，336000) (沈阳工学院) (中国科学院沈阳应用生态研究所)

何兴元 徐胜

(中国科学院森林生态与管理重点实验室(中国科学院沈阳应用生态研究所))

自工业革命以来，随着工业化和城镇化进程的加快，臭氧(O3)的前体物氮氧化合物(NOX)和挥发性有机污染物(VOCS)浓度居高不下，近地层中O3摩尔分数每年以1～3 nmol·mol-1的速度上升，预计到21世纪末将高达84 nmol·mol-1[1-3]。自2015年起，O3污染已成为我国很多城市夏季空气不达标的首要大气污染物[4]。

大量研究表明，O3的强氧化性毒副作用会引起植物的生理生态变化，如光合速率降低、物质代谢发生变化等，对森林物质循环过程可能会产生直接或间接的影响[5-10]。德国联邦环境署(UBA)在对过去35 a间1 000多份文献进行研究后也指出，67%的木本植物和50%的草本植物对O3敏感，落叶树种较针叶树种对O3的响应更明显[11]。但是，目前O3污染对植物的相关影响研究多集中在活体植株叶片上，而有关高摩尔分数O3对树木叶片凋落物影响的研究还很少，且多见于国外。

O3对植物凋落物质量和分解速率的影响研究仅在少数几种草本和乔木上展开，且研究结果也存在分歧，但普遍认为高摩尔分数O3降低了凋落物分解速率[12-18]。Baldantoni et al.[17]在近地O3摩尔分数倍增环境下对冬青栎(Quercusilex)凋落叶进行了为期395 d的分解试验发现，冬青栎的分解速率显著降低，并推测其分解变化是由于酸性洗涤性纤维(ADF)和其他变量共同作用引起。Kainulainen et al.[19]研究了19个月的高摩尔分数O3处理对欧洲赤松(Pinussylvestris)凋落叶分解发现，其分解速率无显著影响。此外，之前研究所选用的植物本底凋落叶多为已经过不同摩尔分数和时间的O3熏蒸，其叶片化学组成发生变化，从而影响植物凋落叶的分解，而高摩尔分数O3对背景大气下生长的植物凋落叶分解动态研究很少[18]。全球气候变化背景下O3摩尔分数升高对城市森林凋落物的分解特征及其变化机理目前尚不清楚，O3摩尔分数、熏蒸时间、树种、树龄等许多不确定影响有待于深入研究和探讨或验证。

城市森林凋落物对于维持城市森林土壤肥力、促进城市森林生态系统养分循环具有重要影响[20-21]。不同树龄植物叶片的生理变化存在差异[22-23]，这对植物叶片的凋落物质量、分解速率、森林土壤养分积累等方面有一定程度的影响[24-26]，尤其在大气环境污染影响下，而O3摩尔分数升高对不同树龄植物凋落叶的研究还未见报道，相关影响机理也尚不清楚。因此，为了评估高摩尔分数O3熏蒸对城市森林不同树龄植物凋落叶前期分解及养分动态的影响，选取我国北方地区主要的城市森林树种之一的银杏(Ginkgobiloba)为研究对象，采用开顶箱(OTCs)模拟O3熏蒸处理10年生和30年生银杏叶凋落物，用尼龙网袋分解法，测定碳(C)、氮(N)、木质素质量分数等一些重要的凋落物化学成分变化指标。这对于全面了解全球气候变化背景下城市森林生态系统的碳氮收支情况及实现城市森林的可持续发展与经营具有重要科学价值和现实意义。

1 试验地概况

试验地位于沈阳市中心的中国科学院沈阳应用生态研究所树木园，是人口密集的商业文化中心地带，占地面积5 hm2。该区域属暖温带半湿润季风型大陆性气候，2014年年均温度9.5 ℃。试验期间，开顶箱(OTC)内最高温度达33.65 ℃，最低温度为11.0 ℃，平均温度为24.78 ℃(图1)。2014年总降水量487 mm，试验期间降水量占全年总量的57.04%。无霜期约为150 d[27]。园内植物区系隶属于长白植物区系、华北植物区和蒙古植物区系交汇处，土壤为棕壤[28]。

图1 试验期间开顶箱内基本条件

2 材料与方法

2.1 O3熏蒸模拟

本研究采用开顶箱(OTCs)模拟法，开顶箱(OTC)直径4 m、高3 m的正八边形，内含配套完整的通气、通风设备。本次试验共设置对照和高摩尔分数O3(约80 nmol·mol-1)2个处理，每个处理3个重复。OTC内土壤(0～20 cm)的基本理化性质如pH值、C、N、磷(P)、钾(K)、有机质等质量分数基本一致，无显著差异。整个处理期间，OTC内条件控制一致。

2.2 凋落叶收集与分解

2013年10月底，在叶凋落高峰期收集树木园内10、30年生银杏新鲜凋落叶，将收集来的落叶一部分于65 ℃条件下烘干至恒质量，用作初始化学成分测定及分析；另一部分在室温下充分风干后用于分解试验。凋落叶分解采用常规的分解袋法[29]，尼龙袋网孔为1 mm2，大小为20 cm×25 cm。分解试验中，准确称取8 g样品装入尼龙网袋中，进行编号，于2014年5月19日分别放置在2个O3模拟环境的开顶箱内，每个处理15袋，分解袋随机放置在土表。O3熏蒸时间为每天09:00—17:00。此后每个月收集1次，连续取5次，共分解150 d(无霜期)。每次随机回收各个处理3袋(即3个重复)，手工剔除杂草、昆虫等杂物后，用流水将凋落叶上的泥土等清洗干净，放在干净白纸上稍微晾干后装入牛皮信封袋，在恒温烘箱内65 ℃烘干，用测量精度为1/1 000 g的电子天平称量烘干后的干质量并记录，然后用高速磨样机(天津泰斯特生产，FW100)将样品磨碎后过80目筛装入自封袋内密封保存用于其他指标的测定。

2.3 化学指标测定

用元素分析仪(Vario MACRO Cube)测定碳(C)、氮(N)质量分数；用钼锑抗比色法测定P质量分数；用火焰燃烧法测定K质量分数；木质素质量分数采用紫外分光光度法[30]；缩合单宁质量分数用正丁醇—盐酸法测定[31]；用Foline-Ciocalteu法测定总酚质量分数[32]；其中w(C)∶w(N)、w(C)∶w(P)、w(木质素)∶w(N)值用上述值计算得出。不同树龄银杏凋落叶初始化学成分见表1。

表1 不同树龄银杏凋落叶的初始质量参数

树龄/a总酚质量分数/mg·g-1缩合单宁质量分数/mg·g-1w(C)∶w(N)w(C)∶w(P)w(木质素)∶w(N)10年生银杏(7.11±0.73)b(33.29±2.04)b(34.55±4.01)a(53.64±0.26)a(20.00±1.39)a30年生银杏(5.57±0.76)a(29.47±0.94)a(41.81±3.52)b(262.19±17.14)b(23.39±1.38)b

2.4 数据处理

分解速率采用Olson指数模型来计算[33]：

At/A0=ae-kt。

式中：A0为凋落物初始质量(g)，At为分解t天后的凋落物残留量(g)；a为拟合参数；k为年分解速率；t为分解时间(a)。

养分元素的释放用元素剩余率来计算[34-35]：

E=[(Mt×Ct)/(M0×C0)]×100%。

式中：E为养分元素剩余率(%)，Mt为时间t时的凋落叶干质量(g)；M0为凋落叶的初始干质量(g)；C0为初始养分质量分数(mg·g-1)；Ct为t时刻凋落叶的养分质量分数(mg·g-1)。当E<100%时表示元素净释放，E>100%时表示元素出现了富集。

数据采用Microsoft Office Excel 2016和PASW 18.0软件统计分析，用单因素方差分析的最小显著差异法(LSD)比较同一指标不同处理间的差异是否达到显著水平(P<0.05)，用Spearman相关系数分析不同指标间的相关性。

3 结果与分析

3.1 试验期间的OTC内O3摩尔分数变化

试验期间，每天8 h O3熏蒸处理，处理组OTC内平均摩尔分数为83 nmol·mol-1，O3变化幅度为51～119 nmol·mol-1。而对照组OTC内平均O3摩尔分数为25 nmol·mol-1，最高为60 nmol·mol-1，最低为4 nmol·mol-1(图2)。试验期间，沈阳地区降雨稀少(约278 mm)，没有明显大的雷雨天气，所以正常处理时(09:00—17:00)未关闭臭氧发生器。O3摩尔分数的升高没有显著改变OTC内的平均温度、最高温和最低温，2组处理OTC内每天的平均温度基本一致，亦无显著差异。同时，2组处理OTC内每天的平均湿度(HR)亦基本一致。

图2 试验期间开顶箱内8 h O3摩尔分数

3.2 不同树龄银杏凋落叶干质量残留率的变化

从图3可以看到，与对照相比，高摩尔分数O3处理下10年生银杏凋落叶的干质量残留率在分解前2个月略大，随着分解时间的延长其残留率越来越少，分解150 d后干质量残留率显著降低3.91%(P<0.05)，30年生银杏凋落叶高摩尔分数O3组的干质量残留率降低4.52%(P<0.05)。

图3 高摩尔分数O3熏蒸下生银杏叶凋落物干质量残留率变化

从不同树龄银杏凋落叶来看，30年生银杏凋落叶的分解速率较10年生银杏的快(P<0.05)。从2组不同处理来看，分解结束时，2种树龄银杏的凋落叶高摩尔分数O3组分解速率较对照组均更快，且高摩尔分数O3处理下30年生银杏的分解速率最快。

用Olson衰减指数模型能较好的模拟2种不同树龄银杏凋落叶在对照组和处理组的年分解速率(k)(表2)，与图3显示的干质量剩余率相对应，高摩尔分数O3处理下10年生银杏凋落叶分解速率较对照显著增加了19.4%，分解常数分别为1.39和1.17。在O3摩尔分数升高环境下分解50%和分解95%所需时间分别为0.41和2.06 a，分别比对照环境分别快0.05和0.37 a。高摩尔分数O3处理下30年生银杏凋落叶分解速率显著增加了10.6%，分解常数分别为1.68和1.52。表明O3浓度升高促进银杏凋落叶分解速率。

表2 高摩尔分数O3处理下不同树龄银杏凋落叶干质量残留率与时间的指数回归方程

在相同处理下，在分解后期(120 d)，30年生银杏凋落叶分解速率均显著高于10年生银杏(P<0.05)，半衰期和95%分解时间更短。表明随着树龄增加，银杏凋落叶分解速率更快。

3.3 分解过程中养分释放动态

经过150 d的O3熏蒸试验，10、30年生银杏凋落叶内的C、N、P、K、木质素、可溶性糖、总酚和缩合单宁质量分数均呈现净释放现象，但各组分的动态变化并不完全一致。

分解期间，与对照相比，O3熏蒸处理下10、30年生银杏凋落叶C剩余率在前2次取样时更高，但随着分解时间延长后含量更低，分解结束时10年生的对照组和高摩尔分数O3组银杏凋落叶C剩余率分别为58.48%和53.80%，30年生的分别为51.95%和47.91%。相同处理下，30年生银杏凋落叶的C释放较10年生更快(图4)。从图4中可以看到，N元素的剩余率变化呈波动性，无明显规律，分解结束时10年生银杏凋落叶的对照组和高摩尔分数O3组N剩余率分别为88.95和88.05%，30年生的分别为82.16和83.69%。相同处理下，随着分解时间延长，30年生银杏凋落叶的N释放较10年生也更快。

试验期间，对照组和高摩尔分数O3组处理下10年生银杏凋落叶P剩余率在分解过程中均表现为前30 d急剧下降，后释放缓慢。与对照相比，高摩尔分数O3组P释放速率在前120 d较慢(P<0.05)，分解结束时剩余率基本一致，分别为17.85%和17.55%。随着分解时间的延长，30年生银杏凋落叶高摩尔分数O3组的P剩余率较对照组更低，在分解后期(120 d)，高摩尔分数O3组的P剩余率显著更低(P<0.05)，分别为43.99%和27.80%。但在相同处理下，10年生银杏凋落叶的P剩余率在各个时期较30年生均显著更低(P<0.05)，表明随着树龄增加，P释放速率降低。10年生银杏凋落叶K元素的变化趋势与P元素的变化基本一致，试验结束时高摩尔分数O3组的K剩余率较对照组略高2.65%。30年生银杏凋落叶K元素的变化趋势与10年生K元素的变化基本一致，试验结束时高摩尔分数O3组的K剩余率较对照组略高1.42%。在相同处理下，30年生银杏凋落叶的K剩余率在分解各个时期较10年生均更低，结束时呈显著差异(P<0.05)(图4)。

与对照相比，10年生银杏凋落叶高摩尔分数O3组的木质素剩余率更低(除第60天时基本持平外)，且第90和120天时表现为显著降低(P<0.05)，分解结束时降低8.96%(图4)。而30年生银杏凋落叶木质素分解动态与10年生不同，从分解期整体来看，除前分解前期(60 d)木质素剩余率相差相对较大外，对照组和高摩尔分数O3组银杏凋落叶的木质素剩余率相当，分解结束时分别为56.46%和55.39%。在相同处理下，30年生银杏凋落叶的木质素剩余率在分解各个时期较10年生均更低，表明随着树龄增加，木质素分解速率更快。

在分解过程中，2树种可溶性糖分解初期迅速释放。与对照相比，10年生银杏凋落叶对高摩尔分数O3组的可溶性糖剩余率在分解前30 d更高(P<0.05)，随着分解时间延长，差异不显著，分解结束时略微高2.75%。从整体来看，30年生银杏凋落叶除分解第60天时高摩尔分数O3组的可溶性糖剩余率显著低于对照组外，其余时间点无显著差异，分解结束时对照组和高摩尔分数O3组的可溶性糖剩余率分别为35.72%和17.18%。在相同处理下，30年生银杏凋落叶的可溶性糖剩余率在分解后期与10年生的无明显差异。与对照相比，10年生银杏凋落叶高摩尔分数O3组总酚剩余率在前120 d显著更低，分解结束时降低7.33%。与对照相比，30年生银杏凋落叶高摩尔分数O3组总酚剩余率在前30 d更高，随着分解时间延长，其总酚释放显著加快，分解结束时降低11.64%(P<0.05)(图4)。在相同处理下，30年生银杏凋落叶的总酚剩余率较10年生更低，表明随着树龄增加，总酚分解速率更快。分解前30 d，对照组和高摩尔分数O3组的10、30年生银杏凋落叶的缩合单宁迅速释放，随后释放较缓慢，差异不大。在相同处理下，不同树龄银杏凋落叶的总酚剩余率变化也不大。

图4 高摩尔分数O3下不同树龄银杏凋落叶的变化

从表3可以看到，分解期间，不同树龄银杏凋落叶干质量残留率与C、P、K、木质素、可溶性糖及缩合单宁剩余率，w(C)∶w(N)比呈显著正相关(P<0.01)，O3熏蒸处理下，不同树龄银杏凋落叶干质量残留率与w(C)∶w(P)比呈显著负相关(P<0.01)。表明C、P、木质素、可溶性糖及缩合单宁剩余率，w(C)∶w(N)比越高，干质量残留率越高，分解速率越慢。w(C)∶w(P)比越大，分解速率越快。

表3 不同树龄银杏凋落叶分解过程中干质量残留率与其养分剩余率的相关性系数

4 结论与讨论

凋落物分解主要受生物因子和非生物因子的影响，前期的快速质量损失阶段主要是非生物作用过程，为可溶成分[38]。高摩尔分数O3熏蒸是一种强氧化胁迫，可能对凋落物分解过程产生一定程度的影响，促进或延缓其分解速率。本研究中，在分解前30 d，O3熏蒸处理下凋落叶干质量损失残留率更大，说明升高O3摩尔分数降低了不同树龄银杏凋落叶分解速率，这与之前的研究结果一致[15-16]。Baldantoni et al.[16]在O3摩尔分数升高处理下对地中海地区冬青栎分解影响发现，在180 d的分解期后，冬青栎的分解速率降低了5%左右。在分解结束时，O3摩尔分数升高处理下2种不同树龄银杏叶凋落物分解速率比对照显著提高(P<0.05)。说明O3摩尔分数升高加快银杏凋落叶的分解速率，半衰期和分解95%的时间更短。这与Parsons et al.[36]研究结果一致，而苏丽丽等[18]在OTC模拟环境中升高O3摩尔分数对城市自然环境下生长的10年生蒙古栎凋落叶进行了150 d的分解试验，结果表明O3摩尔分数升高未对蒙古栎凋落叶的分解速率产生显著影响，这可能与分解时间长短有关系。此外，O3对凋落物的影响程度与研究的O3摩尔分数、熏蒸时间、树种等差异有关[37]，没有统一的响应模式，相关问题仍需进一步长期、深入的研究。

本研究中，在相同处理下，随着银杏树龄的增大，其凋落叶分解速率加快。吕瑞恒等[26]对不同林龄油松针叶凋落物初期分解中也得出相似的结果。随着林龄的增大，油松针叶凋落物年平均分解速率逐渐增大。基质质量是影响凋落物分解的内在因素，特别是w(C)∶w(N)和w(木质素)∶w(N)比，最能反映凋落物分解速率[38]。在本试验中，30年生银杏凋落叶基质质量与10年生的多种元素之间都存在显著差异(P<0.05)。虽然10年生银杏凋落叶较30年生有更高的初始N质量分数，较低的w(C)∶w(N)及w(木质素)∶w(N)比，可能分解速率更快，但同时较难分解的木质素、总酚的质量分数也更高，这又抑制了其分解。因木质素是凋落物中分解最慢的组分，控制着凋落物的分解速率，所以木质素质量分数是预测凋落物分解的一个重要指标。Berg et al.[39]研究认为，凋落物质量损失约30%之前主要是受N质量分数控制，而后则受木质素或w(木质素)∶w(N)比的控制。本研究中，分解前30天，10、30年生银杏凋落叶的质量损失分别为30.95%和37.68%，而后受木质素质量分数等影响，10年生银杏凋落叶分解较30年生更慢。

凋落物在分解过程中元素发生迁移，分解过程中养分元素的淋溶、富集与释放有明显的阶段性特征，不同树种因化学组成和基质质量不同，养分固定和释放模式有所差异[40]。高摩尔分数O3熏蒸通过对凋落物分解的直接作用和间接作用而影响到城市森林生态系统的养分循环、C储量以及土壤与大气间的碳通量[18，35]。C是凋落叶的主要成分，约占40%～50%。一般情况下，随着分解的进行，凋落物的残留量会逐渐减少，C释放，其质量分数逐渐降低。本研究中，不同树龄银杏凋落叶在相同环境分解下均呈释放趋势，且随着树龄增加，C剩余率越低。在分解中后期，高摩尔分数O3熏蒸环境促进了10、30年生银杏凋落叶的C的释放速率。这与Fu et al.[41]的研究结果一致，与Baldantoni et al.[16]、苏丽丽等[18]的研究结果不一致。Baldantoni et al.[26]研究表明，高摩尔分数O3在凋落物分解期间显著降低C的损失速率，提高了w(C)∶w(N)，因此减缓了凋落物的分解速率。这可能与研究对象的树种差异有关。

许多研究表明，凋落物底物中初始N质量分数能满足微生物分解者对N的需求时分解速率较快，反之则分解较慢[42]。但是释放与富集临界值因不同的树种、分解环境等相差较大[43]。本研究中，10年生银杏凋落叶的初始N质量分数为12.72 mg·g-1，显著高于30年生的10.02 mg·g-1，但相同处理下，30年生银杏凋落叶分解速率较10年生更快，可能与分解时间较短(150 d)有关，主要受非生物因子影响。在试验期间，对照组和高摩尔分数O3组N元素动态变化无明显规律，但整体呈现净释放趋势，与之前研究的释放区间基本相同。说明O3摩尔分数升高环境对银杏凋落叶分解N动态无明显影响。Baldantoni et al.[16]对冬青栎的研究中也发现O3熏蒸对N动态无显著影响。

凋落物中P质量分数高低也是制约其分解的重要因子之一[44]。研究发现，当凋落叶初始P质量分数很低时，分解过程中P一般先富集；而初始P质量分数较高时，分解初期会迅速下降，而后基本保持不变，某些树种则有一定的上升趋势[45]。Gosz et al.[46]研究发现，当w(C)∶w(P)<480时，P净释放。本研究中，10年生银杏凋落叶的初始P质量分数远高于30年生的1.60 mg·g-1。因此，在分解前30 d，10年生银杏凋落叶的P元素迅速大量释放，随后变化较小，表面随着银杏树龄增加，P的释放速率降低。相关性分析表明，不同树龄银杏凋落叶干质量残留率与w(C):w(P)比呈显著负相关(P<0.01)(表3)，说明w(C)∶w(P)比越大，分解速率越快，这与本研究的结果一致。与对照相比，O3摩尔分数升高环境下10年生银杏在分解前120 d显著抑制了P的释放，而30年生的银杏在分解前30 d延缓了P的释放，随后促进其释放，分解结束时显著增加16.19%。表明高摩尔分数O3在分解初期(30～120 d)延缓了P素的释放，随后促进了P素的释放。这与苏丽丽等[18]的研究结果一致。

研究结果表明，K元素在凋落物分解早期就快速淋溶，表现为一直释放[47]。在本研究中，不同树龄银杏凋落叶K元素在分解前30 d即迅速释放，表现为净释放，随后释放速率较慢。O3摩尔分数升高处理下K的释放速率略慢，但不显著。

木质素结构不仅复杂，且含量较高，是凋落物中最难分解的成分。木质素含量高低是预测凋落物分解速率的一个重要指标[38]。酚类和单宁类是植物抵抗逆境环境下产生的次生代谢物。本研究中，30年生银杏凋落叶的木质素、总酚、缩合单宁质量分数显著低于10年生，所以分解速率更快。本分解试验中，分解结束时，高摩尔分数O3熏蒸处理促进了2种树龄银杏凋落叶木质素、总酚、缩合单宁的分解，表明O3摩尔分数升高可能促进银杏凋落叶的分解。这与我们之前的研究结果一致[41]。Liu et al.[15]对颤杨(Populustremuloides)研究表明，O3摩尔分数升高增加了植物叶片缩合单宁和可溶性酚类的质量分数，因此分解速率减低。但也有研究认为高摩尔分数O3对树木体内酚类物质质量分数没有影响[48]。

经过150 d的OTCs模拟分解试验发现，分解结束时，O3摩尔分数升高促进银杏凋落叶分解速率。在O3处理下，2种树龄银杏凋落叶的C、木质素、总酚、缩合单宁剩余率更低，能很好的解释分解速率的变化趋势。O3熏蒸下银杏凋落叶分解速率加快主要由叶片内元素动态变化引起。相同处理下，10年生银杏凋落叶的P释放较30年生显著更快，这可能与30年生银杏凋落叶初始P质量分数较低有关。随着树龄增加，银杏凋落叶分解速率加快。O3摩尔分数升高可能改变城市森林凋落物的分解速率和养分变化，这对于我们理解全球气候变化下城市森林生态系统C储量和排放过程起到积极作用。随着大多数城市O3污染成为主要污染物，应进一步长期、深入加强O3摩尔分数升高对城市主要树种(包括不同树龄、混合凋落物等)的养分循环和可持续研究。