邰憲武,張學利

(遼寧章古臺科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,遼寧省固沙造林研究所,遼寧 阜新 123000)

枯落物又稱凋落物或有機碎屑，指在生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)由地上植物組分產(chǎn)生并歸還到地表面，作為分解者的物質和能量來源，借以維持生態(tài)系統(tǒng)功能的所有有機質的總稱[1]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，枯落物分解是林地養(yǎng)分歸還的主要途徑，同時也是實現(xiàn)養(yǎng)分生物地球化學循環(huán)利用的重要環(huán)節(jié)[2]。所以，在森林生態(tài)系統(tǒng)研究中，林地枯落物分解率是研究森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的重要內(nèi)容之一。

固沙林枯落物是固沙林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分地球化學循環(huán)的物質基礎。枯落物分解是固沙林生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動的重要環(huán)節(jié)，并在維持和提高風沙土的土壤肥力等方面發(fā)揮著重要作用?？萋湮锏酿B(yǎng)分循環(huán)由其分解速率決定，在不同植被類型與環(huán)境條件下，枯落物的分解速率及其影響因子存在明顯差異。但迄今為止，有關固沙林枯落物的分解速率方面的研究卻鮮見報道。本文在實驗室條件下研究了不同水分梯度下樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、油松(Pinustabulaeformis)、赤松(Pinusdensiflora)、楊樹(Populusspp.) 4種林木枯落物的分解速率，為揭示這4個樹種固沙林枯落物分解速率的影響因子及其養(yǎng)分地球化學循環(huán)的研究提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

該項研究在遼寧章古臺科爾沁沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站進行。該生態(tài)站位于科爾沁沙地東南緣，地理位置42°43′ N，122°22′ E，年均氣溫6.3 ℃，≥10 ℃積溫2 890 ℃，全年無霜期150～160 d，年均降水量475.5 mm，降水變率大，60%～70%集中在6—8月，年蒸發(fā)量1 553.2 mm，約為降水量的3.27倍。該區(qū)土壤以風沙土為主，沙土顆粒均勻，沙層厚度126～128 cm，沙層的顏色和機械粒徑成層更迭分布，變化比較明顯，沙土瘠薄，有機質含量較低，一般為3.0～9.9 g.kg-1。主要代表性植物有色木槭(Acermono)、山里紅(Crataeguspinnatifidavar.major)、榆樹(Ulmuspumila)、大果榆(Ulmusmacrocarpa)、山杏(Armeniacasibirica)、胡枝子(Lespedezabicolor)、差巴嘎蒿(Artemisiahalodendron)、中華隱子草(Cleistogeneschinensis)等。

2 材料與方法

在樟子松、油松、赤松、楊樹純林林地內(nèi)收集枯落物并于實驗室內(nèi)60 ℃烘干，粉碎過60目篩， 不同樹種枯落物的養(yǎng)分含量見表1。另于試驗地中分別采取不同樹種0～20 cm土層土壤作為分解枯落物的微生物菌源。研究按文啟孝[3]的研究方法進行,在實驗室稱取土樣100 g，另稱取枯落物1 g，將土樣與相對應枯落物混勻后置于1 000 mL廣口瓶內(nèi)，吸取25 mL濃度為0.3 mol·L-1NaOH置于50 mL燒杯內(nèi)作為CO2的吸收杯，將吸收杯掛在廣口瓶內(nèi)塑料蓋的下方，再將吸收杯連同塑料內(nèi)蓋懸掛于瓶內(nèi)枯落物上端，設置20%田間持水量(T1)、40% 田間持水量(T2)、70%田間持水量(T3)、田間持水量(T4)和最大持水量(T5)5個水分梯度，觀察不同土壤含水量對枯落物分解速率的影響，每處理重復2 次。于20 ℃ 恒溫培養(yǎng)且定期稱重補充水分，通過標準鹽酸滴定測定不同時期釋放出的CO2，并計算枯落物的日分解速率。整個試驗共進行140 d。所有數(shù)據(jù)均為每處理2個重復的平均值，枯落物的日分解速率(Rd)和分解率(Pd)為：

Rd= (V1-V0)×N×0.006/W0×1/D×1 000

Pd= ∑Rd×D

式中，V0為對照鹽酸滴定量(mL)，V1為各處理鹽酸滴定量(mL)，N為鹽酸的當量濃度，W0為各處理樣品有機碳總量(g)，D為滴定的間隔天數(shù)。

表1 不同枯落物養(yǎng)分含量狀況

3 結果與分析

3.1 不同土壤含水量條件下枯落物分解速率變化

枯落物分解是由枯落物基質質量、土壤、氣候和生物等環(huán)境因子綜合作用下的復雜的降解、碎化和溶解過程[4]，土壤的水分狀況對枯落物的分解速率有顯著影響。已有研究表明，楊樹純林、刺槐純林和楊樹刺槐混交林的最大枯落物分解速率出現(xiàn)在70%田間持水量的情況下[5]。而在本研究中，不同土壤含水量各枯落物分解速率雖有不同，但不同樹種的枯落物分解速率均為最大持水量、田間持水量的處理最大，并隨著土壤含水量的下降而降低。這可能與風沙土的孔隙狀況有關，說明在最大持水量和田間持水量的情況下，風沙土仍能保持良好的通氣性能。

在相同土壤含水量情況下，不同枯落物分解速率存在較大差異，在各土壤含水量狀況下，分解速率依次為楊樹>赤松>油松>樟子松。有機物分解受C/N值的限制早已為人們所了解，凋落物的分解速率與碳氮比成負相關關系[6]，C/N達到一定比值時分解才能順利進行。由表1可知枯落物C/N值依次為楊樹(29.07)<油松(34.51)<赤松(35.58) <樟子松(35.72)。C/N值與植物殘體有機物組成關系較大，一般C/N值較低有機物含糖、淀粉等易分解成分較多，而含纖維素、半纖維素和木質素等難分解成分較少，故C/N值低的有機物易分解，所以一般針葉樹種的枯落物分解速率比闊葉樹種的枯落物分解速率慢[7]。本研究中的實驗結果也基本反映了這一規(guī)律，枯落物C/N值最小的楊樹，除了20%田間持水量的處理外，其他的處理皆為楊樹枯落物分解最快。

闊葉樹種楊樹枯落物的分解速率(6.80 mg·g-1·d-1)是三種針葉樹枯落物平均分解速率(5.83 mg·g-1·d-1)的1.17倍，略低于闊葉樹種凋落葉k值是針葉樹種的1.32倍的研究結果[8]，則可能與試驗中收集的針葉樹枯落物不僅有落葉，也包括樹皮、球果和細小的枝條，而楊樹枯落物僅與落葉有關。

圖1 不同土壤含水量枯落物分解速率

3.2 不同樹種枯落物分解速率的時間變化

枯落物的分解是一個動態(tài)的過程，在枯落物的分解過程中，枯落物的C/N值亦會變化，這種變化進而會影響主導枯落物分解的微生物區(qū)系組成和活性，最終引起枯落物分解速率的變化。由圖2 可知，不同樹種枯落物的最大分解速率均出現(xiàn)在第一周，第七周時不同樹種枯落物的分解速率均出現(xiàn)一個低谷，而后緩慢升高，在第九周時出現(xiàn)次高點，隨后再次下降，在試驗末期的分解速率僅為3.09 mg·g-1·d-1，為高峰時分解速率14.22 mg·g-1·d-1的21.7%。楊樹枯落物的起始分解速率最高，但其分解速率下降得也最快，由第一周的16.22 mg·g-1·d-1下降到第七周的1.96 mg·g-1·d-1，下降了87.9%；在同樣的時間段內(nèi)，三種針葉樹枯落物分解速率下降的程度則要低一些，下降幅度為70.2%。

同樣由圖2 中可知，枯落物分解速率的下降并不是一條平滑的曲線，而是反復出現(xiàn)波動。說明在分解初期，由于得到充分的N素供給，微生物以及酶的數(shù)量和活性快速提高，導致最快分解速率的出現(xiàn)，其后由于N素的逐漸消耗，微生物以及酶的數(shù)量和活性降低，分解速率下降。在C素分解到一定數(shù)量，枯落物的C/N重新達到適宜值后，微生物的活動和繁殖重新活躍起來，枯落物的分解速率出現(xiàn)小幅回升。其后又隨著N素的逐漸消耗，枯落物的起始分解速率又出現(xiàn)了下降。

圖2 不同樹種枯落物分解速率的時間變化

3.3 不同處理固沙林枯落物的分解率

一般認為闊葉樹凋落物分解快,可改良土壤；常綠針葉樹凋落物由于分解慢，常被認為對土壤性質起破壞或惡化作用[9]。針葉樹種葉片較厚，角質類物質多，風化、淋溶和機械破碎等促進凋落葉分解的作用對其影響不明顯，也制約了分解速度[10]。

由表2可知，在140 d培養(yǎng)時間內(nèi)，楊樹枯落物分解了79.14%，三種針葉樹雖然分解相對較慢，但平均也達到72.80%，僅比楊樹枯落物的分解率低8.01%。而采用野外分解袋法在章古臺固沙林中測得的樟子松的年分解率為19.62%，油松為20.50%，楊樹為33.08%[11]，兩種針葉樹枯落物的平均分解率較楊樹低39.4%。無論是室內(nèi)培養(yǎng)試驗，還是野外分解袋試驗，楊樹枯落物的分解率均大于針葉樹。但在室內(nèi)培養(yǎng)試驗中，針葉樹枯落物分解率較楊樹降幅遠小于野外分解袋測得的降幅，說明機械粉碎更有利于針葉樹枯落物的分解。在室內(nèi)培養(yǎng)試驗中，樟子松、油松和赤松達到20%左右的分解率僅需21 d，楊樹達到 35%的分解率僅需35 d，說明試驗中測得的分解率要遠較野外分解袋法測得的數(shù)據(jù)大。這主要與室內(nèi)培養(yǎng)試驗中枯落物樣品粉碎過篩后，更容易分解，同時試驗過程中保持20 ℃恒溫和相對野外較高的土壤水分含量，有利于微生物的大量繁殖有關。

表2 不同固沙林枯落物的分解率

4 結論與討論

在章古臺固沙林下，不同樹種枯落物的最大分解速率均出現(xiàn)在最大持水量、田間持水量的情況下。而章古臺地處亞濕潤干旱區(qū)，土壤水分狀況保持在最大持水量和田間持水量的時段很短，集中出現(xiàn)在降雨集中的6—8月，頻次僅為3～5次·a-1左右；而在漫長的春旱期(3月下旬—5月中旬)，土壤水分多保持在40%田間持水量以下；在9—10月，土壤水分多保持在40%～70%田間持水量之間。說明在章古臺地區(qū)，水分是枯落物分解的重要限制因子[7]。在同一地區(qū)相同的環(huán)境條件下，不同樹種間枯落物分解速率的差異主要是由于枯落物C/N值不同造成的，楊樹枯落物的C/N值最低，所以其枯落物的分解速率最高；三種針葉樹由于其枯落物C/N值相近，所以其分解速率也近乎相同。不同樹種枯落物的分解速率均隨時間的推移表現(xiàn)出下降的趨勢，但這種下降并非表現(xiàn)為平滑的曲線，而是隨著分解過程中C/N的變化及因之引起的微生物數(shù)量和活性的變化反復出現(xiàn)波動。與野外分解袋法相比，本試驗屬室內(nèi)混土培養(yǎng)試驗，測得的分解速率不同于野外林地土壤的實際狀況，只具有相對的參考意義。

由于章古臺風沙土的成土母質為風成沙，風成沙的物質來源為河湖相沉積物[12]，SiO2含量一般可達 85%以上，所以通過礦物分解為土壤提供的養(yǎng)分是極其有限的?？梢哉J為固沙林土壤發(fā)育所需的養(yǎng)分主要來源于枯落物的分解和植物對養(yǎng)分的富集作用，因此加強對章古臺固沙林枯落物分解速率及其對土壤性質影響的研究具有重要的理論意義和啟示作用。

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