云杉與闊葉樹種新鮮凋落葉混合分解特征

張曉曦 ，劉慧，王博雅，李佳佳，雷航宇，劉增文

1. 延安大學生命科學學院/陜西省區域生物資源保育與利用工程技術研究中心，陜西 延安 716000；2. 西北農林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3. 西北農林科技大學資源環境學院，陜西 楊凌 712100

近數十年來，對被過度采伐的秦嶺地區的天然林的保護工作使其形成了大面積的天然次生林，這些次生林在防治土壤侵蝕和涵養水源等方面發揮了重要生態作用。然而，與原始天然林相比，次生林物種組成和群落結構相對單一，物種多樣性較低，尚需長時間的自然演替以使受損生態系統逐漸恢復，增強其穩定性（迪瑋峙，2012）。云杉（Picea asperata）是秦嶺地區重要的天然次生林樹種之一，相較于當地其他次生林樹種，如油松（Pinus tabuliformis）和銳齒櫟（Quercus aliena），云杉林自我萌蘗更新能力較強，其林下光照條件較弱，其他樹種很難在其林下生存（康冰等，2011；迪瑋峙，2012）。這一更新特征在保證云杉次生林更新的連續性的同時，由于單一樹種長期生長對于土壤養分的吸收利用和歸還（主要是凋落物分解）具有選擇性，也將不可避免地導致其林地土壤出現養分失衡、pH降低和陽離子交換量下降等其他極化現象，從而降低其林分穩定性（Mi et al.，2013；劉增文等，2008）。因此，有必要人為引入其他樹種對其進行混交改造，以保證云杉天然次生林長期穩定發揮其生態服務功能（Zhang et al.，2016）。

用于混交造林的樹種間應具有和諧的種間關系（Zhang et al.，2016）。從調節次生林地土壤養分平衡、維持地力的角度出發，除平衡混交種對光照、水分和土壤養分的競爭外，種間凋落物混合分解是否受到抑制也是需要加以考慮的因素。大量研究表明，凋落物混合分解中往往存在明顯的非加和效應（Santos et al.，2018；Song et al.，2010；李宜濃等，2016），如果混合分解出現彼此抑制，則必將妨礙凋落物向土壤歸還養分，而當某一樹種凋落物分解受到促進而另一樹種凋落物分解受到抑制時，則可能加劇或緩解林地土壤養分失衡現象。鑒于不同種間混合分解結果多樣，且難以通過現有單種分解結果加以預測，有必要對特定的擬混交造林樹種的凋落物混合分解效應進行試驗驗證。

目前，國內外已有大量關于凋落物混合分解的研究，研究內容也從單純檢測凋落物組成和種間基質質量差異（C、N、P、Mn、木質素和纖維素含量及其比值等）對凋落物分解速率、養分釋放的影響深化至探究凋落物間養分和次生代謝物轉移以及微生物生境和凋落物化學多樣性的改變等混合分解的產生機理（Berger et al.，2014；Gessner et al.，2010；陳法霖等，2011；李宜濃等，2016）。然而，現有多數研究是將混合凋落物作為一個整體研究其混合效應，而對混合物中不同凋落物間的互相影響考慮尚顯不足（Leppert et al.，2017；肖玲艷，2015）。在混合物中一種凋落物分解加速而另一種分解受抑的情況下，其混合分解效應可能難以被檢測，導致研究結果無法反映混合凋落物中每種組分所受到的真實影響，難以用于指導營林實踐。因此，本研究以云杉及5種擬用于對其次生林進行混交改造的闊葉樹種的凋落物為研究對象，在室溫（20－25 ℃）、恒濕條件下進行為期180 d的早期分解培養試驗，研究云杉和闊葉凋落物混合對彼此分解速率的影響。此外，鑒于凋落物分解實質上是一個酶解過程（肖文婭等，2018），而混合分解往往對參與凋落物不同階段分解的水解酶和氧化還原酶的活性也產生非加和性作用，如Li et al.（2013；2016）等研究表明，白榆（Ulmus pumila）和油松（Pinus tabuliformis）凋落物混合分解導致土壤多酚氧化酶活性較單獨分解顯著提高，而袁亞玲等（2018）發現針闊凋落物混合顯著提高C、N循環相關水解酶的活性。本研究選取主要在凋落物分解前期（蔗糖酶）、中期（纖維素酶）以及前期和后期（多酚氧化酶）分解產生作用的3種酶（張瑞清等，2008）為代表，分析混合分解對上述酶活性的動態影響，以輔助分析混合分解效應產生的機理。本研究結果有助于進一步探討混合分解中凋落物相互影響的機制，為秦嶺地區云杉次生林混交改造提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于陜西省周至縣厚畛子林場（東經108°44′－108°57′，北緯 33°46′－33°57′）。當地處于秦嶺北麓中段，海拔1300－2650 m，屬暖溫帶濕潤大陸性季風氣候，多年平均氣溫6.4 ℃，年均降水量1001.7 mm，土壤屬山地棕壤和暗棕壤。當地分布有大面積的云杉、油松、日本落葉松（Larix kaempferi）、紅樺（Betula albo-sinensis）和銳齒櫟等天然次生林和人工林。

1.2 凋落物和土壤樣品采集

在研究區內選擇立地條件相似的云杉（以 Pas表示）、紅樺（Ba）、灰楸（Catalpa fargesii，Cf）、太白楊（Populus purdomii，Pp）、杜仲（Eucommia ulmoides，Eu）和秦嶺槭（Acer tsinglingense，At）的成熟林分，于秋末在每一林分中隨機選擇 10株樹木，采用震動樹枝的方式震落凋落物，并用凋落物收集器收集新鮮凋落物。每種凋落物充分混勻后陰干至恒重。部分凋落物于 65 ℃下烘干，用于計算陰干與烘干質量的換算系數。

采集凋落物的同時，在林分周圍選擇無林荒草地，在其內設置樣方，收集0－10 cm土層土壤，各樣方土壤均勻混合后過5 mm篩，測定含水率及飽和持水量后適當風干，以便在后續試驗中控水。以處理過的荒草地土壤作為分解介質，以避免林地土壤特殊性質導致的“主場效應”（立天宇等，2015）影響分解試驗結果。土壤初始理化性質如表1所示。

1.3 凋落物分解試驗

分別稱取云杉和闊葉樹種混合凋落物（兩者均為6 g）或單種凋落物12 g，裝入尼龍網分解袋中（規格為10 cm×20 cm、孔徑為0.5 mm，略小于云杉針葉直徑），每種凋落物準備15袋。將上述凋落物（每種 5袋）豎向間隔埋入規格為 30 cm×40 cm×20 cm、盛有4.0 kg土壤的不透水培養缽中，保證凋落物與土壤充分接觸以加速分解。每種凋落物設置3缽處理，用以模擬獨立的3次分解過程。埋設完畢后，使用噴霧器向缽內均勻加水，調節土壤含水量為前期測定的飽和持水量的50%（該濕度略高于采集土樣的實測含水量以適當促進分解，縮減試驗耗時），以帶孔保鮮膜封口，防止過度蒸發并為微生物提供空氣。在室溫（20－25 ℃）、避光條件下進行180 d模擬分解培養試驗。在此過程中，每隔1周稱量培養缽質量，根據失重程度進行噴霧補水，以保持土壤濕度相對恒定。

表1 供試土壤基本性質Table 1 Basic properties of the tested soil

1.4 指標測定

為準確模擬分解過程，分解進行第30、60、90、120、180天時分5次回收凋落物分解殘留物。每次回收時，在3個分解缽中各隨機回收1袋（即每次測定均為 3個重復），將偶然漏出分解袋的云杉針葉回收，并人工分離混合分解殘留物中的兩種凋落物（本試驗凋落物分解程度不高，可直接通過目視分離）。迅速漂洗除去其上附著的土壤和菌絲等雜物后，將殘留物于65 ℃下烘干，準確測定其質量。回收殘留凋落物時，分別在分解進行第30、90、180天采集凋落物分解袋周圍的分解介質（土壤）樣品，同樣在每種處理的3個分解缽中各采集1份土樣作為重復。回收的土樣經風干、磨碎、過1 mm篩后，采用 3, 5-二硝基水楊酸比色法測定其蔗糖酶和羧甲基纖維素酶活性，采用鄰苯三酚比色法測定其多酚氧化酶活性（關松蔭，1986）。

分別采用重鉻酸鉀外加熱法、濃硫酸-過氧化氫消煮-凱氏定氮法、釩鉬黃比色法測定凋落物初始C、N、P含量，馬弗爐灰化-HCl溶解-原子吸收光度法測定其初始Mn含量（鮑士旦，2000）。

1.5 數據處理

鑒于凋落物在不同基質質量指標上的高低順序存在明顯差異，為評價6種凋落物基質質量的總體優劣，采用SPSS軟件中的綜合主成分分析法對凋落物基質質量指標進行分析（其中C/N和C/P比值取倒數后納入分析范圍），計算綜合主成分值，作為基質質量相對優劣的排序依據（僅依據數值大小排序，不考慮正負號）（張曉曦等，2013）。計算每種凋落物5次回收時的質量殘留率，應用Olson指數衰減模型對分解過程進行擬合，據此計算每種凋落物的分解常數k。

對于混合凋落物及其分解介質而言，采用下式計算混合凋落物分解常數及土壤酶活性的理論預測值：

式中，Pkm和PEm分別為混合物分解常數和土壤酶活性的理論預測值；Okp和Okb以及OEm和OEb分別為云杉和闊葉凋落物單獨分解時的分解常數和土壤酶活性的實測值；0.5為云杉或闊葉樹種在混合凋落物中所占的質量比。

運用SPSS 21.0軟件對混合物分解速率的實測值和預測值、特定凋落物單獨及在混合物中分解時的分解速率進行t檢驗，并對混合分解中土壤介質酶活性的實測值、預測值以及響應2種凋落物單獨分解時的土壤介質酶活性進行單因素方差分析，采用 LSD法進行多重比較，顯著性檢驗水平均為0.05。繪圖均在SigmaPlot 12.5軟件中完成。

2 結果與分析

2.1 凋落物基質質量

一般認為，凋落物的易分解性與其C含量、C/N和C/P比呈負相關，而與其N、P和Mn含量呈正相關。除C含量外，供試凋落物的養分含量和化學計量比間存在顯著差異（圖1），依據綜合主成分分析結果，6種凋落物中紅樺凋落物的總體基質質量最佳，表現為N、P含量最高， Mn含量中等以及C/N和C/P比最低，其次依次為灰楸、太白楊、云杉和杜仲凋落物，秦嶺槭凋落物基質質量總體最差，主要表現為N含量較低和C/N比最高，但其Mn含量顯著高于其他凋落物。

2.2 分解速率

依據Olson模型計算的6種凋落葉單獨和混合分解時的分解常數（表2）以及混合物分解常數的理論預測值和實測值計算結果（表 3），杉×樺混合將顯著促進紅樺分解，從而提高混合物整體的分解速率；杉×楸和杉×杜混合將顯著抑制灰楸和杜仲分解，從而降低整體分解速率；杉×楊和杉×槭混合時針闊凋落物顯著促進彼此分解。具體至前期分解過程（圖2），杉×樺混合在分解第180天時顯著促進彼此分解，呈正非加和效應；杉×楸混合在第 60、90、120天時顯著抑制彼此分解，呈負非加和效應，而在第180天時云杉分解受到顯著促進，灰楸分解則受到顯著抑制，總體轉呈加性效應；杉×楊混合在第120天時促進彼此分解，整體呈正非加和效應，第180天時僅太白楊分解受到顯著促進，但整體呈加和效應；杉×杜混合在分解期間整體呈負非加和效應，其中第60天時抑制彼此分解，而在120－180 d時抑制杜仲凋落物分解；杉×槭混合在第120－180天時顯著促進秦嶺槭凋落物分解，整體呈正非加和效應。總體而言，混合分解過程中凋落物間的相互影響隨分解時間延長而更加顯著（圖2）。

表2 Olson模型計算的分解常數（k）Table 2 Decomposition constant(k) calculated by the Olson model

圖1 供試凋落物基質質量Fig. 1 Substrate quality of the tested litter

表3 混合凋落物分解常數k的實測值和預測值Table 3 The observed and predicted decomposition constant k of litter mixtures

圖2 凋落物分解過程Fig. 2 Decomposing processes of litter

2.3 酶活性動態

混合分解對土壤蔗糖酶活性影響普遍不顯著（圖3），僅杉×楊混合在分解第90天時對其產生顯著促進效應，使蔗糖酶活性較預測值以及云杉、太白楊單獨分解時顯著提高，杉×槭混合分解使蔗糖酶活性較秦嶺槭單獨分解時顯著提高。杉×樺、杉×楊和杉×槭混合分別在第120－180、30、180天以及第180天時產生促進效應，使羧甲基纖維素酶活性較預測值以及云杉、紅樺、太白楊和秦嶺槭單獨分解時顯著提高；杉×楸混合在第 180天時產生促進效應，使纖維素酶活性較預測值和云杉單獨分解顯著提高，但較灰楸單獨分解顯著降低；杉×杜混合在第30天時產生抑制效應，使纖維素酶活性較預測值以及云杉、杜仲單獨分解時顯著降低，在120－180 d則使其活性較云杉單獨分解顯著提高而較杜仲單獨分解顯著降低。杉×樺、杉×楊和杉×槭混合在第 30天時均對多酚氧化酶活性產生促進效應，使其活性較預測值以及云杉、紅樺、太白楊和秦嶺槭單獨分解時顯著提高，杉×楸和杉×杜混合則完全相反；5種混合在第90天時普遍未產生非加和效應，但多使多酚氧化酶活性較云杉單獨分解顯著降低；5種混合處理在第180天時普遍產生促進效應，使多酚氧化酶活性較預測值、云杉以及闊葉樹種凋落物單獨分解時顯著提高。

3 討論

圖3 分解過程中酶活性動態Fig. 3 Dynamics of the enzymatic activities during decomposition

本研究結果表明，云杉與5種闊葉凋落物混合分解均產生顯著非加和效應，這與 Mao et al.（2015）、Santonja et al.（2017）和李英花等（2017）的研究結果一致。現有多數研究表明，混合分解中基質質量較高的凋落物可促進基質質量更差的凋落物的分解，而其自身分解則受到一定限制（Chomel et al.，2015；郭鯤等，2015；Liu et al.，2016），本研究部分結果與之相符。例如，杉×槭混合時，秦嶺槭凋落物分解在120 d和180 d時受到顯著促進（圖 2e）。盡管兩者基質質量相似，但云杉凋落物C/N比更低，N素相對豐富，因此在混合分解中云杉凋落物中的N可能被動（通過淋溶）或主動（通過菌絲）地轉移至秦嶺槭凋落物，從而促進其分解（Zhang et al.，2014）。此外，混合分解可能通過改變凋落物的空間結構而為微生物提供更優的水分、空間、溫度條件，從而加速其繁殖，并提高其活性，最終加速凋落物的分解（Gessner et al.，2010）。（前期研究表明蔗糖酶、羧甲基纖維素酶和多酚氧化酶分別主要在凋落物分解前期、分解中期以及分解前期和后期參與分解（張瑞清等，2008），本試驗主要涉及前半程分解，因此與之對應的時間為分別為分解試驗第 30天、分解試驗第180天和第30天左右。本研究中，杉×槭混合時分解介質中蔗糖酶、羧甲基纖維素酶和多酚氧化酶在其參與分解的主要時期較之秦嶺槭單獨分解時均有顯著提高（圖3），表明混合分解對分解介質酶活性具有顯著非加和效應，與袁亞玲等（2018）的結論相似。鑒于微生物是土壤酶的主要來源之一（肖文婭等，2018），上述事實也證實了混合分解提高了分解介質中微生物的活性。另外，有研究表明，混合物中基質質量較高的凋落物可吸引大量分解者定殖，由于空間（表面積）限制，過剩的微生物可能定殖在與其毗鄰的凋落物上，從而加速其分解（郭鯤等，2015）。另外，多數研究認為，針闊混合分解將顯著促進針葉凋落物的分解及其養分釋放（袁亞玲等，2018；覃宇等，2018），相應地，闊葉凋落物分解則受到一定抑制，本研究結果與之部分結果相符，例如杉×楸混合在分解第180天時灰楸凋落物分解受到顯著抑制，而云杉凋落物分解受到顯著促進，其主要原因可能是分解過程中出現養分（主要是N和P）和次生代謝物的轉移（Zhang et al.，2014），導致前者養分損失，分解抑制物含量增加，不利于微生物分解，而后者則相反。例如凋落物浸水后將釋放一定的N、P養分（如 NH4+、NO3-和 PO43-，Del Giudice et al.，2017），而筆者的前期研究表明針葉凋落物浸提液中含有大量的酚、萜類衍生物，其中云杉凋落物浸提液中檢出α-蒎烯、β-蒎烯、樟腦、異龍腦、氧化芳樟醇、苯甲酸和鄰苯二甲酸二丁酯等（Zhang et al.，2018）。因此，混合分解中灰楸凋落物可能通過淋溶損失大量養分促進云杉分解而減緩自身分解，而云杉則因釋放次生代謝物抑制分解者活性從而妨礙灰楸分解，同時在一定程度上提高自身基質對分解者的可利用程度。本研究中，云杉凋落物的加入使分解介質中纖維素酶活性（第180天）和多酚氧化酶活性（第30天）較灰楸單獨分解時顯著降低，其可能原因為云杉釋放的上述酚、萜類衍生物抑制芽孢桿菌（Cho et al.，2015）、白腐菌、褐腐菌、絲狀真菌（Roy et al.，2006）、青霉、毛霉（Hammer et al.，2003；Shi et al.，2015）和黑曲霉（Shi et al.，2015）等分解者的生長，從而抑制酶分泌，并通過與蛋白質結合改變酶構象或通過酸化土壤（Guan et al.，2014）降低酶活性（Adamczyk et al.，2015；Adamczyk et al.，2013；Triebwasser et al.，2012），從而抑制灰楸凋落物的分解。此外，本研究中云杉凋落物的Mn含量最低，其與灰楸凋落物混合后對Mn的供應產生限制，不利于多酚氧化酶的合成，這也可能是造成混合分解介質中多酚氧化酶活性低于灰楸分解介質中的，抑制灰楸分解的原因之一（Liu et al.，2016）。

然而，與前人研究相反，本研究表明凋落物基質質量差異較大的情況下，基質質量較差的凋落物亦可促進基質質量較高的凋落物的分解，如云杉顯著促進了混合物中紅樺和太白楊凋落物的分解。其原因可能是混合分解提高了凋落物基質質量的異質性（Chomel et al.，2015），一定程度上為微生物提供了更為全面的養分（Guénon et al.，2017），從而促進其生長并提高其活性，上述推測也得到了土壤酶活性檢測結果的支持：杉×樺和杉×楊組合均使分解介質中蔗糖酶、纖維素酶和多酚氧化酶活性較對照以及上述樹種凋落物單獨分解時顯著提高（圖3）。另一方面，有研究表明，混合分解中養分的被動轉移并非絕對依從養分濃度梯度，而是可從低基質質量凋落物向高基質質量凋落物逆向轉移（Leppert et al.，2017）。本文推測，同時定殖于針闊凋落物的真菌將獲取的養分優先供給闊葉一側的生長和有機物降解活動，因此可能主動從針葉凋落物處獲取養分轉移給闊葉凋落物，從而加速其分解。除此之外，有研究表明，較之單種凋落物，混合凋落物中的土壤動物（如螨類和其他小型節肢動物）數量顯著提高，從而促進混合凋落物的分解進程（李宜濃等，2016）。本研究中，混合分解可為微生物提供多樣的碳源和養分（不同凋落葉間基質質量存在顯著差異），使其避免了因資源供應條件大幅變動而導致種群數量劇烈波動，從而保證了土壤動物穩定的食物來源；且微生境的改變為土壤動物提供了更有利的繁殖和發育的環境，從而促進土壤動物種群數量增加（李宜濃等，2016）。當然，由于針闊葉凋落物的適口性差異，云杉凋落物質地堅硬，且含有較多酚類和萜類次生代謝物，適口性較差（Zhang et al.，2018），混合分解對土壤動物的促進作用最終更傾向于促進闊葉凋落物的分解。在后續研究中，可通過采用不同孔徑的分解袋限制不同體型的土壤動物與凋落物的接觸，配合鏡檢分類，進一步研究混合分解對不同分解者的具體影響（張瑞清等，2008）。

需要說明的是，（1）凋落物分解是一個復雜過程，凋落物混合對微生境、分解者和酶所產生的正向或負向影響以及凋落物間的物質（養分、次生代謝物）轉移往往同時作用于混合分解過程（李宜濃等，2016），因此非加和效應以及凋落物間彼此影響的具體結果應當視為上述多種機制的相互抵消后的最終結果，而非某種機制單獨作用。當然，本文為簡化描述，在觀察結果為抑制效應時著重分析產生負向影響的因素，反之亦然。（2）混合分解效應與針闊葉分解的相互影響均隨時間增強，至試驗末期才達到顯著水平。上述結論與 Zhang et al.（2014）的研究結果相似，其原因可能是凋落物分解前期以淋溶形式為主，因此由凋落物基質質量差異和分解者化學和物理環境改變導致非加和效應難以體現；同時，由于分解抑制物的降解，凋落物間的養分轉移產生的非加和效應在分解后期更明顯（Liu et al.，2016）；此外，隨分解進行，微氣候和凋落物的化學組成可導致分解者的種群演替，后期分解者趨向于以大型食腐生物為主，而該類生物可產生較微生物而言更為明顯的非加和效應（Liu et al.，2016）。（3）本研究結果表明，凋落物分解過程中，盡管非加和效應以及凋落物間相互影響的多次實測結果與Olson模型的預測結果在總體趨勢上基本一致，然而對凋落物混合分解效應以及凋落物間相互影響的判斷中，兩種方法仍然存在一定差異，上述差異出現的具體原因尚有待進一步研究分析，但在應用模型預測凋落物分解過程時尚需慎重考慮。（4）純林混交改造涉及樹種對光照、水分和空間的競爭，彼此間的化感影響以及混交對養分循環影響等多個方面的問題，本文僅從混交應不妨礙林地凋落物分解（即不限制林地養分循環）這一原則考慮，以針闊葉凋落物對彼此分解影響的實測情況為依據，認為除杜仲外其他4種闊葉樹種均適宜于與云杉進行混交。當然，后續工作中尚需全面考慮各樹種凋落物的分解特征（養分釋放和后續的腐殖質形成等），佐證和豐富本研究的結論。

4 結論

混合分解非加性效應及凋落物間相互影響均隨時間延長趨于明顯。至分解試驗結束時，杉×樺混合促進紅樺分解；杉×楸混合中云杉分解受到顯著促進，灰楸分解受到顯著抑制，整體呈加性效應；杉×楊和杉×槭混合促進太白楊和秦嶺槭分解；杉×杜混合抑制杜仲分解，上述趨勢與Olson模型預測有所差異。混合分解對土壤蔗糖酶、羧甲基纖維素酶和多酚氧化酶的非加和影響與其對凋落物分解的影響一致。總體而言，某些情況下混合分解的總體非加和效應因凋落物間的相互作用而無法被檢測，但鑒于不同凋落物分解特征的差異，混合后其對彼此分解的影響仍可能干擾林地物質循環。僅從引入闊葉樹種后應不妨礙林地凋落物分解的角度考慮，除杜仲外，其他4種闊葉樹種均適宜于云杉純林改造。