張廣帥,張全軍,于秀波,*,閆吉順,趙全民,蔡悅蔭, 宮 瑋

1 國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心, 大連 116023 2 國(guó)家海洋局海域管理技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 大連 116023 3 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,中國(guó)科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 4 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049

植物分解是有機(jī)養(yǎng)分礦化的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是維持生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和養(yǎng)分平衡的重要生態(tài)過(guò)程[1]。濕地植物的分解會(huì)影響濕地生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)周期和濕地土壤肥力的可持續(xù)供給,進(jìn)而通過(guò)影響植物的生長(zhǎng)速率、發(fā)育水平、物種組成和分布格局等來(lái)影響植物種群間的關(guān)系和群落的構(gòu)建[2-3]。由于木質(zhì)素在植物中的生物學(xué)作用主要是提高細(xì)胞壁的完整性和抵御病原體的攻擊[4],通常被認(rèn)為是阻礙有機(jī)物進(jìn)行生物過(guò)程分解的難分解物質(zhì)[5],其保護(hù)下的水溶性成分等易分解組分是制約分解速率的主要因素[6],進(jìn)而控制著植物分解過(guò)程[7],因此,木質(zhì)素的分解速率在很大程度上可以調(diào)節(jié)生態(tài)系統(tǒng)的碳通量變化和養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程[8]。最近的研究則發(fā)現(xiàn),與陸地生態(tài)系統(tǒng)相比,濕地系統(tǒng)具有更強(qiáng)的木質(zhì)素可分解性,在0—60天內(nèi)木質(zhì)素分解速率即可達(dá)到最大值[9- 10]。然而鮮有研究關(guān)注濕地植物分解過(guò)程中,木質(zhì)素的降解對(duì)碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素釋放的影響。

鄱陽(yáng)湖是中國(guó)最大的淡水湖泊,同時(shí)也是世界上重要的季節(jié)性洪泛平原濕地[11]。水位波動(dòng)變化是鄱陽(yáng)湖濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的重要調(diào)控因子[12],不僅影響了濕地植物的生長(zhǎng)和空間分布[13],還會(huì)改變濕地植物分解、養(yǎng)分循環(huán)等生態(tài)過(guò)程,進(jìn)而對(duì)湖泊水體環(huán)境產(chǎn)生深刻作用[14- 15]。鄱陽(yáng)湖受長(zhǎng)江和“五河”的雙重影響,10月份后逐漸退水,洲灘出露[16],為以灰化薹草為代表的典型優(yōu)勢(shì)植物提供了適宜的生存環(huán)境,經(jīng)過(guò)2個(gè)多月的秋季生長(zhǎng)過(guò)程,薹草一般在12月開(kāi)始枯萎,進(jìn)入分解狀態(tài)[17],為鄱陽(yáng)湖洲灘濕地提供了穩(wěn)定的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。作者前期對(duì)鄱陽(yáng)湖濕地分解過(guò)程與地下水位變化的關(guān)系及其環(huán)境效應(yīng)展開(kāi)了系列研究[18- 20],而對(duì)分解過(guò)程中大分子物質(zhì)降解和元素的釋放關(guān)系研究尚有不足。此外,濕地洲灘植物衰亡凋落后的分解過(guò)程釋放的營(yíng)養(yǎng)元素會(huì)通過(guò)地表徑流和地下水輸送到水體,對(duì)湖泊水體產(chǎn)生明顯的污染效應(yīng)[20],本研究的開(kāi)展能夠?yàn)楹^(qū)營(yíng)養(yǎng)鹽管控和水體富營(yíng)養(yǎng)化監(jiān)視監(jiān)測(cè)提供重要的參考。本文以鄱陽(yáng)湖典型碟形子湖白沙湖洲灘濕地優(yōu)勢(shì)植物灰化薹草的分解過(guò)程為研究對(duì)象,分析了木質(zhì)素分解對(duì)碳、氮、磷元素釋放的影響,以期為深入理解濕地植物分解過(guò)程及濕地生物地球化學(xué)過(guò)程進(jìn)而強(qiáng)化對(duì)鄱陽(yáng)湖濕地生態(tài)系統(tǒng)的有效保護(hù)提供科學(xué)認(rèn)識(shí)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇位于鄱陽(yáng)湖南磯山濕地國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)代表性碟形湖泊濕地—白沙湖為試驗(yàn)地(圖1)。該保護(hù)區(qū)位于鄱陽(yáng)湖南部,地處贛江北支、中支和南支入湖沖擊形成的三角洲前緣,海拔在12—16 m,屬亞熱帶暖濕型季風(fēng)氣候,夏季炎熱多雨,冬季低溫少雨,年平均降雨量為1387—1795 mm, 年最大降雨量為2452.8 mm(1954年),年最小降雨量為1082.6 mm(1078年),年平均蒸發(fā)量800—1200 mm,多年平均氣溫17.6℃,最冷月平均氣溫5.1℃,最熱月平均氣溫29.5℃。受鄱陽(yáng)湖季節(jié)性水文節(jié)律的影響,研究區(qū)濕地有明顯的豐、枯水期,呈現(xiàn)出典型的水陸相交錯(cuò)變化：豐水期(4—9月)除南山島和磯山島外其他洲灘均被洪水淹沒(méi)；枯水期(10月—次年3月)湖水消退歸入河道和碟形洼地,不同高程洲灘相繼出露,呈現(xiàn)河、湖、洲交錯(cuò)景觀,發(fā)育有大量肥沃土壤和草洲,其中灰化薹草(Carexcinerascens)集中成片分布,遍及整個(gè)濕地草洲,蓋度為85%—100%。

圖1 研究區(qū)位置與樣點(diǎn)布設(shè)Fig.1 Location of the study area and sampling plots GT-A:地下水位為-50—-25 cm的梯度帶 Gradient of ground water level from -50 to -25 cm；GT-B:地下水位為-25—-15 cm的梯度帶 Gradient of ground water level from -25 to -15 cm；GT-C:地下水位為-15—-5 cm的梯度帶 Gradient of ground water level from -15 to -5 cm; GT-D:地下水位為-5— 5 cm的梯度帶 Gradient of ground water level from -5 to 5 cm

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品分析

研究樣地面積為200 m×300 m,由于灰化薹草分布面積最廣,優(yōu)勢(shì)度最大,因此選擇灰化薹草為分解實(shí)驗(yàn)材料。為了確保研究結(jié)果的典型性和科學(xué)性,根據(jù)地下水位將研究區(qū)樣地劃分為4個(gè)梯度帶,由湖岸到湖心的方向平行分布,依次為GT-A(-50—-25 cm),GT-B(-25—-15 cm),GT-C(-15—-5 cm),GT-D(-5—5 cm)(圖1),相鄰梯度帶間距約100m。每個(gè)地下水位梯度帶內(nèi)根據(jù)微地形差異設(shè)置3—6個(gè)監(jiān)測(cè)樣點(diǎn),共計(jì)20個(gè)分解試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn),每個(gè)樣點(diǎn)插入內(nèi)徑為2cm的PVC管(繞管壁等距離鉆取4個(gè)內(nèi)徑約3.5mm的小孔,埋入地下約70 cm,用鉛垂線(xiàn)保證管壁與水平面垂直)用于測(cè)定地下水位,地下水位測(cè)量時(shí)間為2016年10月15日,11月15日,12月15日和2017年1月15日,每日9:00,13:00和16:00各測(cè)量一次,測(cè)量方法為用鋼卷尺測(cè)量PVC管中水面與地表間的距離。具體方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[21]。

分解實(shí)驗(yàn)采用尼龍網(wǎng)袋法。為避免分解袋中植物殘?bào)w的非分解損失,同時(shí)保證不限制分解作用,選擇了100目(0.15mm)、規(guī)格為15 cm×15 cm的網(wǎng)孔分解袋。2016年10月10日在遠(yuǎn)離水體的高地草洲上采集灰化薹草的成熟葉片,用去離子水沖洗后,剪成10 cm長(zhǎng)的小段,置于60℃烘箱中烘干至恒重,每個(gè)分解袋中放入5.00 g烘干處理后的分解材料。將分解袋用竹竿固定在樣點(diǎn)地表。分解試驗(yàn)開(kāi)始于2016年10月15日,樣品回收時(shí)間分別為試驗(yàn)開(kāi)始后的第15、30、60、90、120天。分解袋帶回實(shí)驗(yàn)室后,清除表面雜物并用去離子水沖洗干凈后置于60℃烘箱中烘干至恒重,球磨儀研磨后測(cè)量其干物質(zhì)質(zhì)量、木質(zhì)素含量以及碳、氮、磷元素含量。木質(zhì)素的測(cè)定方法見(jiàn)文獻(xiàn)[22],碳、氮元素含量用元素分析儀(Elementar Vario Max CN; Hanau, 德國(guó))測(cè)定,磷元素含量用鉬銻抗比色法測(cè)定。

由于枯水期中期濕地洲灘不同地下水位土壤理化性質(zhì)差異最為明顯,而分解第60天植物分解過(guò)程受分解環(huán)境的影響最為顯著[18- 19],因此分別于2016年12月即枯水期的中期和分解第60天左右進(jìn)行分解試驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的土壤樣品采集。利用土鉆(內(nèi)徑5 cm)對(duì)每個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行五點(diǎn)法混合取樣,采集0—20 cm土壤樣品約500 g裝入聚乙烯自封袋內(nèi),編號(hào)后置于保溫箱內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)分析。土壤含水量采用烘干法測(cè)定,土壤容重(BD)采用環(huán)刀法測(cè)定,土壤pH采用水土比為2.5∶1的pH計(jì)測(cè)定(Sartorius, 德國(guó)),土壤有機(jī)碳(TOC)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定,土壤總氮(TN)采用元素分析儀測(cè)定(Elementar Vario Max CN; Hanau, 德國(guó)),土壤全磷(TP)采用鉬銻抗比色法測(cè)定,土壤微生物量碳(MBC)和微生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)

灰化薹草分解過(guò)程中木質(zhì)素的分解過(guò)程參數(shù)計(jì)算指標(biāo)與方法為：

實(shí)測(cè)瞬時(shí)殘留率(Rt)計(jì)算公式[23]：

式中,Rt表示t時(shí)刻殘留率,Mt表示t時(shí)刻重量,Lt表示t時(shí)刻木質(zhì)素的濃度,M0表示初始重量,L0表示木質(zhì)素的初始濃度,t表示分解時(shí)間。

瞬時(shí)分解速率(k)用Olson負(fù)指數(shù)衰減模型[24]計(jì)算：

Mt=M0e-kt

式中,k表示t時(shí)刻瞬時(shí)分解速率,k值越大分解速度越快。Mt表示t時(shí)刻重量,M0表示初始重量,t表示分解時(shí)間。

碳、氮、磷元素在分解過(guò)程中的相對(duì)養(yǎng)分歸還指數(shù)(RRI,Relative return index)計(jì)算方法為[23]：

式中,Ct為t時(shí)刻某元素的濃度,C0為某元素的初始濃度,Mt表示t時(shí)刻物質(zhì)重量,M0表示初始物質(zhì)重量。用CRRI、NRRI和PRRI分別表示碳的相對(duì)歸還指數(shù)、氮的相對(duì)歸還指數(shù)和磷的相對(duì)歸還指數(shù)。

采用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素方差分析不同地下水位環(huán)境梯度下的木質(zhì)素殘留率,碳、氮、磷元素相對(duì)歸還指數(shù)及土壤理化性質(zhì)的變化,多重比較方法選擇用Dunnett′s T3 比較檢驗(yàn), 采用線(xiàn)性回歸分析研究木質(zhì)素分解速率與碳、氮、磷元素相對(duì)歸還指數(shù)的關(guān)系,以及土壤木質(zhì)素酶與碳、氮、磷含量的關(guān)系,采用CANOCO(Canoco for Windows 5.0)進(jìn)行冗余分析(RDA)研究土壤環(huán)境因子對(duì)木質(zhì)素分解速率與碳、氮、磷元素相對(duì)歸還指數(shù)的影響。制圖選用Orignin lab Pro 8.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同地下水位環(huán)境木質(zhì)素分解過(guò)程

不同地下水位梯度木質(zhì)素殘存率隨時(shí)間變化的方差分析表明(圖2),分解第15天,木質(zhì)素殘留率隨地下水位梯度的升高而增大,分解第30天,不同地下水位梯度木質(zhì)素分解殘留率差異性顯著(P>0.05),而分解30 d后,木質(zhì)素殘留率隨地下水位的升高而顯著降低(P<0.05)。不同地下水位梯度木質(zhì)素分解速率隨時(shí)間的變化均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)(圖2)。低地下水位梯度(GT-A和GT-B)木質(zhì)素分解速率的最大值出現(xiàn)在15—30 d,高地下水位梯度(GT-C和GT-D)木質(zhì)素分解速率的最大值出現(xiàn)在30—60 d。分解初期(20 d之前),木質(zhì)素分解速率隨著地下水位的升高而降低,而分解30 d以后,木質(zhì)素分解速率隨著地下水位的升高而升高。

圖2 灰化薹草分解過(guò)程中木質(zhì)素殘存率及分解速率動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Proportion of lignin remaining and lignin decay rates in the litter bags of Carex cinerascens 不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上具有顯著差異

2.2 不同地下水位環(huán)境碳、氮、磷釋放過(guò)程

在整個(gè)分解過(guò)程中灰化薹草的碳、氮、磷元素都表現(xiàn)為凈釋放(RRIs>0；圖3)。不同地下水位梯度間,CRRI在分解60 d之前和120 d均無(wú)顯著性差異(P>0.05),而60 d—90 d 表現(xiàn)為GT-D顯著高于其他梯度(P<0.05)；NRRI隨時(shí)間的變化與CRRI趨勢(shì)相似,在分解60 d之前無(wú)顯著性差異(P>0.05),60 d—90 d為GT-D顯著高于其他梯度(P<0.05),而分解第120天則又表現(xiàn)為GT-A顯著高于GT-C和GT-D(P<0.05),而GT-D與其他地下水位梯度差異性不顯著(P>0.05)；PRRI則在整個(gè)分解過(guò)程中均為隨著地下水位的升高而顯著增大(P<0.05)。隨著分解時(shí)間的延長(zhǎng),CRRI呈先升高后降低的趨勢(shì),最高值出現(xiàn)在分解第60天；NRRI呈上下波動(dòng)變化；PRRI則隨著時(shí)間持續(xù)升高,60 d后趨于穩(wěn)定。

圖3 灰化薹草分解過(guò)程中碳、氮、磷元素相對(duì)歸還指數(shù)(CRRI、NRRI、PRRI)動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Variation of CRRI, NRRI, PRRI during Carex cinerascens decomposition CRRI: 碳的相對(duì)歸還指數(shù) Relative return indexof carbon; NRRI: 氮的相對(duì)歸還指數(shù) Relative return index ofnitrogen; PRRI: 磷的相對(duì)歸還指數(shù) Relative return index of phosphorus;不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上具有顯著差異

2.3 木質(zhì)素分解與碳、氮、磷釋放的關(guān)系

碳、氮、磷元素相對(duì)歸還指數(shù)與木質(zhì)素分解速率的線(xiàn)性回歸分析表明(圖4),分解0—60 d,CRRI和NRRI與木質(zhì)素分解速率的正相關(guān)性逐漸增強(qiáng),分解60 d后相關(guān)性減弱,分解第60天相關(guān)性顯著程度最高(P<0.01)。PRRI在分解第3天隨著木質(zhì)素分解速率的增大而顯著降低(P<0.01),分解60 d以后則隨著木質(zhì)素分解速率的增大而顯著升高(P<0.05)。

在分解第60天對(duì)應(yīng)的洲灘出露中期,隨著地下水位的升高,土壤TOC、TN和土壤容重均逐漸降低(P<0.05),土壤TP表現(xiàn)為GT-D顯著低于其他地下水位梯度(P<0.05),而其他梯度間差異不顯著(P>0.05),土壤pH、含水量和土壤微生物量碳氮均隨地下水位升高顯著增大(P<0.05)；微生物量碳、氮在GT-D顯著高于其他地下水位梯度(P<0.05)。

表1 不同地下水位環(huán)境土壤參數(shù)

不同小寫(xiě)字母表示不同地下水位梯度間具有顯著性差異(P<0.05); GT-A：地下水位為- 50—- 25 cm 的梯度帶 Gradient of ground water level from - 50 to -25 cm；GT-B：地下水位為- 25—- 15 cm的梯度帶Gradient of ground water level from -25to-15cm；GT-C：地下水位為-15—-5cm的梯度帶Gradient of groundwater level from-15to-5cm；GT-D:地下水位為-5—5cm的梯度帶Gradient of ground water level from -5—5cm;MBC： 微生物量碳 Microbial biomass carbon; MBN:微生物量氮Microbial biomass nitrogen

對(duì)分解第60天灰化薹草分解過(guò)程中所有地下水位帶木質(zhì)素分解速率及碳、氮、磷的相對(duì)歸還指數(shù)進(jìn)行冗余分析發(fā)現(xiàn),前2個(gè)排序軸累積貢獻(xiàn)值為94.8%,其中第1排序軸解釋了99.3%的變異(圖5)。分解過(guò)程中,土壤環(huán)境因子對(duì)木質(zhì)素分解速率及碳、氮、磷元素相對(duì)歸還指數(shù)的作用一致。在所有環(huán)境因子中, Monte Carlo檢驗(yàn)表明,木質(zhì)素分解速率及碳、氮、磷元素的相對(duì)歸還指數(shù)與土壤含水量,pH和微生物量碳、氮含量呈顯著正相關(guān)性(P<0.05),而與土壤有機(jī)碳、全氮和土壤容重呈顯著的負(fù)相關(guān)性(P<0.05)?？傮w上,在分解第60天,隨著地下水位環(huán)境梯度升高,土壤含水量、pH和土壤微生物量升高,土壤有機(jī)碳、全氮、容重含量降低,灰化薹草木質(zhì)素分解速率降低,碳、氮、磷元素相對(duì)歸還指數(shù)減少。

3 討論

地下水位環(huán)境梯度和時(shí)間是影響植物分解過(guò)程的主要因素。在整個(gè)分解時(shí)間段,不同地下水位環(huán)境梯度灰化薹草木質(zhì)素殘存率、分解速率以及磷元素的相對(duì)歸還指數(shù)均具有顯著差異,且在干濕交替環(huán)境下的高地下水位梯度條件下木質(zhì)素的分解程度和磷元素的歸還程度最高。這說(shuō)明,較高的地下水位和間歇性的淹沒(méi)會(huì)通過(guò)促進(jìn)微生物代謝水平和物質(zhì)淋溶過(guò)程來(lái)增加植物的分解速率[25]。Foulquier等[26]曾提出,較高的地下水位梯度能夠?yàn)榉纸膺^(guò)程提供合適的微生態(tài)環(huán)境,因?yàn)檫m宜的土壤pH,土壤質(zhì)地以及土壤微生物群落會(huì)促進(jìn)有機(jī)碳的可利用性和周轉(zhuǎn)速率,進(jìn)而直接影響有機(jī)質(zhì)的分解過(guò)程[27]。土壤微生物群落結(jié)構(gòu)可能是影響植物分解過(guò)程中養(yǎng)分遷移轉(zhuǎn)化和改變土壤生物、物理、化學(xué)進(jìn)程的重要因素[28-29]。

圖5 不同環(huán)境梯度灰化薹草分解參數(shù)與土壤環(huán)境因子的RDA排序Fig.5 Redundancy analysis (RDA)of lignin decay rate, CRRI, NRRI, PRRI constrained by soil properties along ground water level gradients during Carex cinerascens decompositionRD: 冗余分析排序軸 Axis of redundancy analysis; RDA: 冗余分析 Redundancy analysis; TOC: 有機(jī)碳 Total organic carbon; TN: 總氮 Total nitrogen; TP: 總磷 Total phosphorus; BD: 容重 Bulk density; MBC: 微生物量碳 Microbial biomass carbon; MBN: 微生物量氮 Microbial biomass nitrogen

不同地下水位環(huán)境梯度間,有機(jī)碳和總氮的相對(duì)歸還指數(shù)差異不顯著,這主要是因?yàn)樵谠厮缴?微生物在分解有機(jī)質(zhì)的同時(shí)也會(huì)同化固定外界環(huán)境中的無(wú)機(jī)物,進(jìn)而在分解殘?bào)w中表現(xiàn)為元素的內(nèi)外雙向流動(dòng),而不是和木質(zhì)素一樣的單調(diào)減少[30]。但是整體上在灰化薹草的分解過(guò)程中,木質(zhì)素的分解速率與碳、氮、磷元素表現(xiàn)出一定的相關(guān)性,且相關(guān)程度與分解時(shí)間密切相關(guān),在分解第60—90天相關(guān)性最強(qiáng)。相關(guān)研究表明,相對(duì)濕潤(rùn)環(huán)境下的分解過(guò)程中微生物作用在30—90天迅速增強(qiáng)[31],并分泌出大量分解木質(zhì)素的胞外酶[32],說(shuō)明在灰化薹草分解第60—90天內(nèi),木質(zhì)素在強(qiáng)烈的微生物作用下快速分解為小分子的化合物[4],這一時(shí)間段內(nèi)有機(jī)碳的釋放和歸還主要來(lái)自于木質(zhì)素的降解。在分解0—30 d,由于有機(jī)碳和氮的釋放主要靠糖類(lèi)、低分子酚類(lèi)等易分解物質(zhì)[33],因此碳、氮元素的相對(duì)歸還指數(shù)與木質(zhì)素分解速率相關(guān)性較弱。在分解90天后,由于在微生物的同化作用下,外部碳、氮元素富集程度升高,而內(nèi)部碳、氮的釋放速率減慢[34],所以碳、氮元素相對(duì)歸還指數(shù)與木質(zhì)素相關(guān)性顯著降低。Connin等[35]通過(guò)分析分解過(guò)程中δ13C的變化發(fā)現(xiàn),早期分解過(guò)程以碳的釋放為主,而分解后期外部碳元素開(kāi)始逐漸富集。Oson等[36]研究發(fā)現(xiàn),分解過(guò)程中磷元素的凈釋放量與木質(zhì)素的凈損失量具有顯著的相關(guān)性,并且磷元素對(duì)木質(zhì)素分解速率的敏感性比碳和氮更強(qiáng),與本研究的結(jié)果一致, 然而木質(zhì)素降解對(duì)磷元素釋放的影響機(jī)制至今尚不明確?？傮w上木質(zhì)素分解速率與碳、氮、磷釋放歸還量變化的關(guān)系在一定程度上能夠反映濕地植物分解階段性差異。

本研究冗余分析表明分解過(guò)程中木質(zhì)素分解速率與碳、氮、磷元素的相對(duì)歸還指數(shù)對(duì)土壤環(huán)境因子的響應(yīng)特征相同,進(jìn)一步說(shuō)明了木質(zhì)素分解與碳、氮、磷元素的釋放過(guò)程具有協(xié)同性。地下水位變化是影響土壤理化性質(zhì)分異的主要原因[37],濕地土壤在干濕交替條件下會(huì)產(chǎn)生土壤的膨脹和收縮,使土壤團(tuán)聚體中有機(jī)質(zhì)暴露,激發(fā)土壤微生物代謝活性,促進(jìn)有機(jī)質(zhì)的分解[38]。本研究中不同地下水位梯度土壤在洲灘出露中期差異性顯著。高地下水位梯度環(huán)境下,水體波動(dòng)引起的沖刷和篩選及淋溶作用導(dǎo)致土壤膠體形態(tài)變化,引起土壤pH、容重等性質(zhì)的變化,使原來(lái)無(wú)法分解的有機(jī)質(zhì)因團(tuán)聚體崩潰而加速分解,因此土壤有機(jī)碳和全氮含量隨著地下水位的升高而降低。洲灘出露中期,土壤微生物量碳氮均隨著地下水位升高而顯著增大, 主要是因?yàn)橥寥纏H和含水量綜合作用的結(jié)果[37]。較高的地下水位梯度能夠?yàn)榉纸膺^(guò)程提供合適的微生態(tài)環(huán)境,因?yàn)檫m宜的土壤含水量、pH及土壤微生物活性的增強(qiáng)都會(huì)提高有機(jī)碳的可利用性和周轉(zhuǎn)速率[22],進(jìn)而促進(jìn)了木質(zhì)素的分解和碳、氮、磷等元素的釋放。

已有研究表明,木質(zhì)素能通過(guò)提升土壤中水溶性磷等有效磷的含量來(lái)減少土壤對(duì)磷元素的固定[39], 并且土壤中木質(zhì)素的降解與土壤碳、氮含量顯著相關(guān)。本研究從濕地植物分解過(guò)程入手,揭示了木質(zhì)素分解速率與碳、氮、磷元素釋放的關(guān)系,尤其是分解15 d后,木質(zhì)素的快速分解對(duì)磷元素的釋放具有顯著的促進(jìn)作用,說(shuō)明在土壤-植物系統(tǒng)中,木質(zhì)素的含量及其分解過(guò)程對(duì)碳、氮、磷元素的遷移轉(zhuǎn)化和生物地球化學(xué)循環(huán)具有重要的作用。然而,木質(zhì)素如何通過(guò)影響元素的形態(tài)和轉(zhuǎn)化來(lái)改變其在土壤及植物分解殘?bào)w中的含量有待進(jìn)步深入研究。

4 結(jié)論

地下水位環(huán)境梯度對(duì)灰化薹草分解過(guò)程中木質(zhì)素分解速率受分解時(shí)間的影響,在分解第15天,木質(zhì)素分解速率隨地下水位升高而降低,15 d后則隨地下水位升高而顯著升高,直至90—120 d后趨于穩(wěn)定；地下水位升高顯著加強(qiáng)了灰化薹草分解過(guò)程中碳、磷元素的相對(duì)歸還指數(shù),而氮元素相對(duì)歸還指數(shù)在不同地下水位梯度間的差異不顯著；在分解第60—90 d,碳、氮、磷元素的相對(duì)歸還指數(shù)隨著木質(zhì)素分解速率的增大而顯著升高,在分解第30天,碳、磷元素的相對(duì)歸還指數(shù)也與木質(zhì)素分解速率具有顯著正相關(guān)性?？傮w上碳、氮、磷元素相對(duì)歸還指數(shù)與木質(zhì)素分解速率的相關(guān)性隨著分解時(shí)間先增強(qiáng),后減弱；較高的地下水位梯度能夠?yàn)榉纸膺^(guò)程提供了適宜的pH、含水量及土壤微生物生物量等微生態(tài)環(huán)境條件,進(jìn)而促進(jìn)了木質(zhì)素的降解和碳、氮、磷元素的釋放和歸還。