曾 嘉,陳 槐,劉建亮,楊隨莊,嚴(yán) 飛,曹 芹,楊 剛,*

1 西南科技大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院,綿陽 621000 2 中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所,山地生態(tài)修復(fù)與生物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；生態(tài)恢復(fù)與生物多樣性保育四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041 3 中國(guó)科學(xué)院,全球變化研究若爾蓋生態(tài)站,紅原 624400

泥炭地作為重要的陸地生態(tài)系統(tǒng),以不到3%的全球陸地面積儲(chǔ)藏著約1/3的土壤碳[1],近年來由于氣候變化及人為活動(dòng)改變水文條件,大量泥炭地退化甚至消失[2]。這一過程中,大量土壤碳經(jīng)微生物代謝分解以CO2、CH4的形式進(jìn)入大氣環(huán)境[3—4],或以可溶性有機(jī)碳(Dissolved organic carbon,簡(jiǎn)稱DOC)的形式經(jīng)水文活動(dòng)進(jìn)入河流等其他生態(tài)系統(tǒng)[5],最終導(dǎo)致泥炭地碳損失。然而,酚類化合物能通過抑制微生物活動(dòng)和土壤酶活性減緩泥炭地碳分解[6]。同時(shí),植被作為重要的有機(jī)碳輸入源[7],對(duì)水位波動(dòng)十分敏感[8—9],在泥炭地碳循環(huán)過程中也起著極為關(guān)鍵的作用[10]?？梢钥闯?水位下降過程中,無論是DOC、酚類化合物還是植被都是泥炭地碳循環(huán)過程中相當(dāng)關(guān)鍵的一環(huán)[11—12]。

植物通過根系及其凋落物分解調(diào)控DOC[13]含量,酚類物質(zhì)亦可抑制土壤有機(jī)碳(如DOC等)及凋落物分解,進(jìn)而調(diào)控泥炭地碳循環(huán)。但目前DOC、酚類物質(zhì)和植被群落結(jié)構(gòu)對(duì)水位波動(dòng)的響應(yīng)存在較大爭(zhēng)議。(1)DOC積累存在爭(zhēng)議：Strack和Hribljan等人[3,14]認(rèn)為低水位條件下,植物生物量增加,DOC的凈生產(chǎn)增加。而Ellis等人[15]卻認(rèn)為水位下降導(dǎo)致分解增加,因此DOC濃度下降；(2)酚類化合物積累存在較大爭(zhēng)議：Bragazza等人認(rèn)為水位下降,促進(jìn)維管植物生長(zhǎng),根系分泌物(酚酸等)增加,增加土壤酚類物質(zhì)含量[16—17]。然而,Mcanallen等[18]認(rèn)為維管束植物會(huì)導(dǎo)致氧氣通過根系擴(kuò)散到地下,促進(jìn)酚氧化酶分解酚類物質(zhì),導(dǎo)致酚類物質(zhì)減少。(3)植被群落演替存在爭(zhēng)議：一些研究認(rèn)為水位下降會(huì)導(dǎo)致維管束植物入侵增加,植被生物量明顯增加[19]；然而有研究學(xué)者[20]認(rèn)為高寒濕地土壤水分減少會(huì)導(dǎo)致植被生物量以及蓋度高度明顯下降[21]。綜上,可以看出DOC、酚類物質(zhì)和植被三者緊密聯(lián)系,然而它們?nèi)邔?duì)泥炭地水位下降的響應(yīng)如何及其過程中三者間存在怎樣的協(xié)同關(guān)系尚未明確。

青藏高原主要位于中國(guó)西南部,介于北緯26°—39°,東經(jīng)73°—104°之間。因其獨(dú)特的氣候和地理環(huán)境,形成大量濕地且分布較廣。但目前該區(qū)域顯著變暖且變暖趨勢(shì)仍將持續(xù)[22],打破了當(dāng)?shù)氐牡乇硭胶?蒸發(fā)量總體呈增加趨勢(shì),部分地區(qū)降雨減少[23]。導(dǎo)致大面積泥炭草甸退化,溫室氣體排放增加[24—25],因此該區(qū)域研究泥炭濕地具有重要意義。本研究選取位于青藏高原東部的紅原縣日干喬國(guó)家濕地自然保護(hù)區(qū)附近一斜坡面泥炭地(形成不同的地下水位)作為研究對(duì)象。旨在探討以下問題：(1)DOC、酚類化合物及植被群落結(jié)構(gòu)對(duì)水位下降的響應(yīng)；(2)水位下降過程中酚類化合物及植被群落結(jié)構(gòu)與DOC間存在怎樣的響應(yīng)關(guān)系？(3)三者間的聯(lián)系對(duì)泥炭地碳循環(huán)的潛在影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域

位于紅原縣日干喬國(guó)家濕地自然保護(hù)區(qū)附近(圖1),當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟葹?.9℃(2018),較歷史年均氣溫(1.4℃)有明顯增加。實(shí)驗(yàn)區(qū)極端最高氣溫：24.6℃,極端最低氣溫：-22.8℃,年降水量：860.8 mm,平均海拔3507 m(數(shù)據(jù)來源于紅原縣人民政府http://www.hongyuan.gov.cn)。該區(qū)域自1970年至今經(jīng)歷著持續(xù)的增溫和降雨減少的影響[26],水文變化導(dǎo)致大量泥炭濕地逐步退化甚至消失,且有大量研究顯示青藏高原區(qū)域?yàn)橹匾奶荚?即使是在非生長(zhǎng)季亦是如此。該區(qū)域泥炭土壤pH呈弱酸性或中性,主要優(yōu)勢(shì)物種為木里薹草Carexmuliensis、驢蹄草Calthapalustris、節(jié)節(jié)草Equisetumramosissimum、龍膽Gentianaformosa和矮金蓮花Trolliusfarreri等。

圖1 實(shí)驗(yàn)地樣地地理信息Fig.1 Geographical information of the experimental siteS1：樣地1 Site 1；S2：樣地2 Site 2；S3：樣地3 Site 3,三處不同地下水位泥炭樣地

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)選取一斜坡面的3處不同地下水位(年均水位依次為：-1.9、-10、-19 cm)泥炭地,依水位由高到低命名為S1、S2、S3三個(gè)樣地,于生長(zhǎng)季(8月)進(jìn)行地表植被群落調(diào)查。在樣地內(nèi)按對(duì)角線法選取6個(gè)1 m×1 m的樣方進(jìn)行植被調(diào)查,記錄樣方內(nèi)植物種類、豐富度、蓋度、高度等信息,取完整地上植株和地下根系帶回實(shí)驗(yàn)室烘干稱重。在樣方內(nèi)用土鉆取完整的泥炭土(0—30cm)帶回實(shí)驗(yàn)室,一部分用于測(cè)定DOC、總碳含量,另一部分用于測(cè)定酚類物質(zhì)含量(每個(gè)樣地6個(gè)重復(fù))。

1.3 樣品分析測(cè)定

DOC測(cè)定參考Jones等人[27]的方法,取現(xiàn)場(chǎng)濕潤(rùn)土壤用2M KCL,在20℃下振蕩提取1 h,土壤與溶液的比例為1∶5(10 g∶50 mL)。總碳用總有機(jī)碳分析儀(LIQUIL TOCII, Elementar, Germany)進(jìn)行測(cè)定。酚類物質(zhì)測(cè)定分為總酚、水溶性酚、植物體總酚和酚酸測(cè)定。總酚、水溶性酚和植物體總酚測(cè)定采用Folin-Ciocalteu 比色法[28]；酚酸測(cè)定：取鮮土用pH=7的檸檬酸鈉緩沖液提取,經(jīng)乙酸乙酯二次提取,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)濃縮。采用高效液相色譜(HPLC, Agilent 1260 Infinity, Agilent Technologies)對(duì)濃縮液進(jìn)行分析[29]。測(cè)定了沒食子酸、龍膽酸、鄰苯二酚、對(duì)羥基苯甲酸、4-香豆酸、丁香酸、水楊酸、咖啡酸、阿魏酸9種酚酸。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有的數(shù)據(jù)經(jīng)直方圖檢驗(yàn)均服從正態(tài)分布和同質(zhì)性,Bartlett檢驗(yàn)各樣本方差齊性。采用單因素方差分析比較不同地下水位下土壤DOC含量、酚類物質(zhì)含量及植被生物量等。采用線性回歸分析不同地下水位土壤中總碳、DOC含量與酚類物質(zhì)含量及生物量間的關(guān)系。對(duì)所有回歸變量都進(jìn)行單因素篩查和共線性診斷,并進(jìn)行結(jié)構(gòu)方程模型分析。采用SPSS 22.0以及spssAU進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；用Origin2019繪圖。

2 結(jié)果

2.1 泥炭地植被對(duì)地下水位的響應(yīng)

水位波動(dòng)下,植被群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。對(duì)實(shí)驗(yàn)地不同地下水位泥炭地植被群落的調(diào)查發(fā)現(xiàn),水位降低顯著改變地上優(yōu)勢(shì)種,同時(shí)其植物生物量和總酚含量也存在顯著差異(P<0.05)(表1)。此外,水位的變化還顯著影響群落高度,由高水位下的(15.96±8.22)cm增加到(35.16±13.64)cm,大量植株個(gè)體較高的莎草科(薹草Scirpustriqueter)和禾本科(發(fā)草Deschampsiacespitosa)植物替代了三列堿毛茛(Halerpestestricuspis)等矮小植物。值得注意的是地下生物量與群落高度均在S2中出現(xiàn)峰值,這與群落結(jié)構(gòu)組成密切相關(guān)。調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn),S1中主要集中一些小而矮的植物,如三裂堿毛茛(Halerpestestricuspis)、荸薺(Heleochariskamtschatica)等等；S2中則主要為植株高度較高的植物,但它們的個(gè)體數(shù)量仍然較少；S3中有數(shù)量眾多的植物,不僅有個(gè)體較高的植物,還有大量呈匍匐狀生長(zhǎng)的矮地榆(Sanguisorbafiliformis)、鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)和山莓草(Sibbaldiaprocumbens),以及植株矮小的藍(lán)白龍膽(Gentianaleucomelaena)和細(xì)莖驢蹄草(Calthascaposa)。綜上,說明水位下降促進(jìn)植被群落結(jié)構(gòu)變化,促進(jìn)莎草科和禾本科植物大量繁殖,同時(shí)生物量、群落高度及植物體總酚也明顯增加。

表1 植被群落隨水位變化

2.2 土壤酚類物質(zhì)和碳含量對(duì)地下水位的響應(yīng)

酚類物質(zhì)是緩解泥炭地有機(jī)碳分解的重要有機(jī)化合物,其含量的變化直接影響泥炭地土壤碳動(dòng)態(tài)。隨泥炭地水位下降,土壤酚酸總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。其中以多元酚(沒食子酸)含量最高,且隨水位下降顯著增加(P<0.05)。二元酚含量隨水位下降無明顯變化,一元酚在S2樣地呈現(xiàn)出最高值,總體趨勢(shì)表現(xiàn)為隨水位下降而增加(圖2)。此外,土壤水溶性酚和總酚含量也隨水位下降呈現(xiàn)出顯著上升趨勢(shì)(P<0.05)(圖3)。酚類物質(zhì)含量增加在一定程度上會(huì)影響土壤碳分解。通過圖3可以看出,土壤DOC含量隨水位下降顯著增加。土壤總碳在S1和S2間表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05),S2和S3間無顯著差異,總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)?？梢园l(fā)現(xiàn),總酚和總碳的含量波動(dòng)表現(xiàn)出一定的相似性。

圖2 酚酸隨地下水位下降的變化Fig.2 Phenolic acid changes with the water table drawdownPP：多元酚 Polyphenol；DP：二元酚 Diphenol；MP：一元酚 Monophenol；不同字母代表差異顯著(P<0.05)

圖3 土壤碳和酚隨水位下降的變化Fig.3 Soil carbon and phenols change with the water table drawdownDOC：可溶性有機(jī)碳 Dissolved organic carbon；不同字母代表差異顯著(P<0.05)

2.3 植被生物量及酚類物質(zhì)影響土壤碳

從圖4中可以發(fā)現(xiàn),DOC濃度與地上生物量(R2=0.69)、土壤總碳含量與地上生物量(R2=0.40)、地下生物量(R2=0.75)均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01),且具有較高的擬合度。DOC濃度與地下生物量(R2=0.35)也呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(P<0.05)。此外植物體總酚(地上部和地下部)含量與DOC和土壤碳含量均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)(P<0.01)。說明植被群落與土壤碳含量間存在緊密聯(lián)系,植被生物量以及植物體總酚含量是調(diào)控土壤碳含量的可能原因。

圖4 植物生物量和總酚含量與土壤碳的回歸分析Fig.4 Regression analysis of plant biomass and total phenol content with soil carbon灰色點(diǎn)和黑色點(diǎn)分別代表地下和地上生物量或地下和地上植物體總酚,灰色線段和黑色線段分別代表地下和地上生物量與土壤碳的擬合曲線或地下和地上植物體總酚與土壤碳的擬合曲線

水溶性酚酸是DOC的重要組成部分,研究發(fā)現(xiàn)水溶性酚與DOC呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(R2=0.66,P<0.01),與總碳無顯著相關(guān)關(guān)系(圖5)?？偡优cDOC(R2=0.81)和土壤總碳(R2=0.90)均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)?？偡硬粌H包括少量的簡(jiǎn)單酚酸,還包括大量復(fù)合態(tài)酚,都是土壤碳的重要組成部分,因此與土壤總碳在含量變化上呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

2.4 不同酚酸對(duì)泥炭地碳的影響

可以看出土壤碳與酚類物質(zhì)聯(lián)系十分密切,但酚類物質(zhì)依據(jù)其化學(xué)結(jié)構(gòu)(酚羥基個(gè)數(shù))的差異可以分為多元酚、二元酚、一元酚等。故此,為了探明不同酚酸對(duì)土壤碳的影響程度,及其水位下降對(duì)各變量的影響程度差異,采用多元線性回歸模型對(duì)DOC進(jìn)行分析,并建立結(jié)構(gòu)方程模型(圖6)。發(fā)現(xiàn)水位能極顯著的直接影響DOC以及多元酚含量(P<0.01),對(duì)一元和二元酚含量無顯著影響關(guān)系,且水位對(duì)一元酚和二元酚的解釋度很小,說明影響一元和二元酚含量的主要因素并非水位。從結(jié)構(gòu)方程模型中還可以清晰看出,一元酚和多元酚均能顯著的直接影響土壤DOC含量,進(jìn)而間接影響總碳。此外,一元、二元和多元酚酸間存在顯著的影響關(guān)系,一元酚能極顯著影響二元酚,而二元酚顯著影響多元酚含量。通過總影響結(jié)果也可以發(fā)現(xiàn),水位對(duì)土壤DOC和總碳的影響最大,且呈負(fù)向影響,即水位下降促進(jìn)土壤DOC和總碳含量增加。除此之外,一元酚、多元酚都對(duì)土壤DOC和總碳有較大的正向影響效應(yīng)。但二元酚與土壤DOC和總碳間無顯著影響關(guān)系?？傮w而言,酚酸能對(duì)土壤碳產(chǎn)生一定的影響,特別是一元和多元酚的影響最為顯著。

圖5 土壤碳與酚類物質(zhì)的回歸分析Fig.5 Regression analysis of soil carbon and phenolic substance灰色點(diǎn)和黑色點(diǎn)分別代表總酚和水溶性酚,灰色線段和黑色線段分別代表總酚和水溶性酚與土壤碳的擬合曲線

圖6 泥炭地碳含量的結(jié)構(gòu)方程模型Fig.6 Structural equation model of carbon content in peatland WT：水位 Water table；TC：總碳 Total carbon；紅色和藍(lán)色實(shí)線分別代表顯著正向和負(fù)向影響,黑色實(shí)線代表無顯著影響,e代表剩余影響因子

3 討論

3.1 泥炭地水位下降提高植物的碳輸入能力

泥炭地地表植被作為泥炭地主要的碳源,植被群落結(jié)構(gòu)改變對(duì)于泥炭地碳收支具有重要意義[30—31]。通過線性回歸模型也可以發(fā)現(xiàn),隨著水位下降,地上地下生物量都與土壤DOC和總碳呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系,其中地上生物量與DOC(R2=0.69)以及地下生物量與土壤總碳(R2=0.75)的線性回歸擬合度均較高。大量研究發(fā)現(xiàn),水位波動(dòng)會(huì)改變土壤理化性質(zhì)及其微環(huán)境,植物生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分、氧氣和含水量等都發(fā)生改變。這將導(dǎo)致植物根莖葉生物量重新分配[32],以及群落結(jié)構(gòu)重組[7,33]。本研究也發(fā)現(xiàn),水位下降改變了植被群落組成,優(yōu)勢(shì)種發(fā)生明顯的更替,這與Weltzin等人[30]的研究結(jié)果一致。這種變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響是十分明顯的,群落結(jié)構(gòu)的變化及生產(chǎn)力的改變會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)和抗擾動(dòng)能力[34]。從植物生物量的角度也可以發(fā)現(xiàn),植物生物量增加意味著有更多的凋落物和植物殘?bào)w進(jìn)入土壤系統(tǒng),大量有機(jī)碳輸入有利于維持泥炭地碳收支平衡[35]。植物地下生物量被認(rèn)為是調(diào)節(jié)泥炭地碳循環(huán)的關(guān)鍵因子[36],S2具有較高的地下根系生物量,且S2、S3顯著高于S1(表1),這與地下生物量和總碳的回歸分析一致。說明地下生物量確實(shí)是影響土壤碳的重要因子。此外,水位下降增加了禾本科(如發(fā)草Deschampsiacespitosa等)和莎草科(如木里薹草Carexmuliensis、藨草Scirpustriqueter)植物豐度。研究證實(shí),禾本科和莎草科植物生長(zhǎng)速度快并具有龐大的根系,能產(chǎn)生大量凋落物[37—38],進(jìn)而增加對(duì)土壤的碳輸入。這樣的變化似乎促進(jìn)了碳循環(huán)[17],使大量的土壤碳以植物為中間媒介,經(jīng)植物代謝活動(dòng)輸入大氣環(huán)境；同時(shí)植物以凋落物和根系分泌物的形式又向土壤輸入大量有機(jī)碳(如DOC以及糖類等)[17],便于微生物利用,在大氣和土壤界面間加速循環(huán)。此前的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)水位下降促進(jìn)CO2排放增加[39],且增加了土壤總碳的含量[40]。這是否意味著水位下降雖然增加了土壤碳分解[39],但地表植被的碳輸入彌補(bǔ)了這部分的損失?？梢园l(fā)現(xiàn),水位下降對(duì)土壤碳和植物固碳的影響是截然不同的。土壤碳分解增加以及植物固碳增加之間需要更多的權(quán)衡,才能明確水位下降對(duì)泥炭生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的影響。這也讓我們意識(shí)到泥炭碳儲(chǔ)量的多少不僅僅關(guān)注土壤系統(tǒng),而應(yīng)該關(guān)注整個(gè)泥炭地生態(tài)系統(tǒng)。

3.2 酚酸利于土壤DOC積累

DOC和酚類物質(zhì)對(duì)水位的響應(yīng)存在爭(zhēng)議,本研究的結(jié)果認(rèn)為水位下降顯著增加了DOC和酚類物質(zhì)含量,并且這種增加趨勢(shì)可能主要受植物的影響。研究發(fā)現(xiàn),水位下降促進(jìn)泥炭地植物群落結(jié)構(gòu)改變[7,33],群落生物量[19]以及植物體總酚含量明顯增加,大量植物殘?bào)w通過凋落物分解的形式向土壤系統(tǒng)輸入大量有機(jī)質(zhì)(如酚)[16,41],這與土壤水溶性酚、總酚和酚酸含量增加的結(jié)果是吻合的。因此水位下降改變了植被結(jié)構(gòu)、生物量以及生產(chǎn)力水平[42],增加了植物向土壤輸入酚類物質(zhì)的能力。

水溶性酚和總酚與DOC均呈顯著正相關(guān)關(guān)系(圖5)。對(duì)不同酚酸進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),一元酚和多元酚均能顯著正向影響DOC(圖6)。這說明諸如水溶性酚和一元、多元酚這樣的簡(jiǎn)單酚能夠?qū)OC的積累起到十分關(guān)鍵的作用。酚類物質(zhì)促進(jìn)DOC積累主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：其一,較強(qiáng)的抗氧化性,抑制土壤有機(jī)碳氧化降解過程[43]。其二,較強(qiáng)的生物毒性,能抑制微生物的代謝活動(dòng),減小對(duì)有機(jī)碳的代謝強(qiáng)度[44—45]。其三,本身作為一種可溶性有機(jī)碳,其含量的增加,也會(huì)導(dǎo)致DOC積累。值得注意的是,二元酚對(duì)DOC無顯著影響,這可能與整個(gè)水位下降過程中,二元酚含量一直維持在較為穩(wěn)定的低含量有關(guān)。但結(jié)合水溶性酚和總酚與土壤DOC以及總碳的回歸分析,還是可以看出,酚類物質(zhì)對(duì)與土壤DOC固存具有十分顯著的影響,進(jìn)而顯著影響到整個(gè)泥炭地的碳儲(chǔ)量。此外,酚類物質(zhì)作為植物體重要的次生代謝產(chǎn)物,在植物體中有著相當(dāng)大的一部分占比,其含量由23.57到31.72 mg/g不等。植物以凋落物等形式將原本植物體的酚酸經(jīng)降解作用進(jìn)入土壤系統(tǒng),進(jìn)而增加土壤中酚酸含量,抑制一系列的土壤有機(jī)碳氧化分解過程,進(jìn)而達(dá)到固定土壤有機(jī)碳的目的。

4 結(jié)論

(1)泥炭地水位下降,土壤DOC和總碳含量顯著增加。這與以往認(rèn)為水位下降會(huì)導(dǎo)致土壤碳大量損失的結(jié)論存在一定分歧。說明水位對(duì)泥炭地碳含量的影響可能被其他因素所彌補(bǔ),如：地表植被生物量、凋落物以及土壤酚酸含量和組成等等。

(2)泥炭地水位下降促使植被群落結(jié)構(gòu)改變,生物量顯著增加,提高植物對(duì)泥炭地的碳輸入能力。植物作為泥炭地重要的碳源,其群落結(jié)構(gòu)及生物量改變,無論是從凋落物還是分泌物等方面,都會(huì)產(chǎn)生更多的有機(jī)質(zhì)進(jìn)入土壤系統(tǒng)。

(3)水位下降促進(jìn)酚類物質(zhì)積累,能顯著正向影響土壤DOC含量。酚類物質(zhì)作為泥炭地重要的有機(jī)碳組成部分,具有較強(qiáng)的生物毒性和抗氧化性。其含量增加,對(duì)于穩(wěn)固泥炭地有機(jī)碳具有顯著的正向影響效應(yīng)。