水分變化對若爾蓋高寒濕地木里薹草(Carex muliensis)枯落物分解及CO2排放的影響

丁 艷，張曉雅，高俊琴，李謙維，樂 藝，蔣麗華

(北京林業(yè)大學(xué)自然保護(hù)區(qū)學(xué)院，北京 100083)

枯落物是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是植物地上或者地下部分產(chǎn)生并歸還于土壤的所有有機物的總稱[1]。陸地生態(tài)系統(tǒng)中高達(dá)90%的凈初級生產(chǎn)力都會以枯落物的形式返還于土壤[2-3]?？萋湮镌诜纸膺^程中能不斷釋放出碳、氮以及其他營養(yǎng)物質(zhì)，供給植物生長發(fā)育，是陸地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動的重要環(huán)節(jié)[4]。枯落物分解與大氣CO2濃度變化密切相關(guān)，全球范圍內(nèi)枯落物分解所釋放的CO2約占土壤呼吸CO2排放量的70%，是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳素向大氣輸入的主要途徑之一[5]。

枯落物分解主要包括淋溶、機械破碎、生物化學(xué)降解等過程，受溫度、水分等非生物因子，土壤動物、微生物等生物因子及其自身性質(zhì)的影響[6-7]。水分作為主要的影響因子，會對枯落物分解過程中的淋溶和微生物降解產(chǎn)生影響[8]?？萋湮锸е芈始癈O2排放是表征枯落物分解的重要指標(biāo)[9-10]。研究表明，枯落物分解與水分變化呈正相關(guān)關(guān)系，高水分條件下枯落物失重率和CO2排放量均高于低水分條件下[11-12]。濕地的水淹條件可以有效降低枯落物的分解速率，水位越高，失重率越低，CO2排放量越小[13]，并且隨著水淹時間的加長，枯落物失重率與分解速率均下降[14]。與持續(xù)水淹條件相比，水分干濕交替變化可以顯著促進(jìn)枯落物分解[15-16]，隨著淹水頻率的增加，枯落物失重率和CO2排放量也不斷增加[11，17]。但也有研究表明，相較于恒定水分條件，干濕交替的水分變化可抑制枯落物分解，其效果與干濕交替的強度和頻率有關(guān)[10，17]。因此，干濕交替水量和頻率對枯落物分解及CO2排放具有重要影響，而目前相關(guān)研究多側(cè)重于水量或者頻率變化的影響，綜合考慮水量和頻率變化及其交互作用對枯落物分解影響方面的研究較少，尤其是關(guān)于我國獨特的高寒濕地枯落物分解方面的研究更少。該研究以若爾蓋高寒濕地優(yōu)勢植物木里薹草(Carexmuliensis)枯落物為研究對象，通過設(shè)置不同水量和頻率的干濕交替處理，探討枯落物分解及CO2排放對于水分干濕交替變化的響應(yīng)，為深入理解高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)過程及其對全球變化的響應(yīng)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 采樣地概況

若爾蓋濕地(32°20′～34°00′ N，101°36′～103°30′ E)地處青藏高原東部，平均海拔3 500 m，是典型的高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)類型[18]。該地區(qū)為寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫為1.4 ℃，最高溫為25.6 ℃，最低溫為-30.6 ℃；平均年降水量為654 mm，降水集中在5—10月；光照強，平均年日照時數(shù)為2 417 h，晝夜溫差大[19-21]。研究區(qū)優(yōu)勢植物包括木里薹草、華扁穗草(Blysmussinocompressus)、鵝絨委陵菜(Potentillaanserina)和黃帚橐吾(Ligulariavirgaurea)等[22]。木里薹草是一種多年生的莎草科薹草屬草本植物，是若爾蓋高寒濕地分布較為廣泛的沼生植物，對若爾蓋高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)具有重要作用[23]。

1.2 采樣方法

于2016年9月生長季末期在若爾蓋國家級自然保護(hù)區(qū)實驗區(qū)采集木里薹草枯落物及土壤樣品。試驗地地理位置為32°30′45″ N，102°39′17″ E，海拔3 500 m，群落蓋度為90%，建群種為木里薹草，物種組成還包括鵝絨委陵菜、垂穗披堿草(Polygonumsibiricum)、川甘蒲公英 (Taraxacumlugubre)、華扁穗草、黃帚橐吾、矮蒿草(Kobresiahumilis)和車前(Plantagoasiatica)。在典型木里薹草沼澤濕地區(qū)域設(shè)置4個20 m×20 m的樣方，每個樣方利用5點取樣法設(shè)置1 m×1 m的取樣點格，采集1 kg木里薹草枯落物和5 kg表層土壤(0～15 cm)樣品。將枯落物帶回實驗室用蒸餾水沖洗干凈并風(fēng)干，剪成2 cm的小段，充分混合均勻。將土壤裝入自封袋帶回實驗室低溫存放，用于制備微生物接種液。

1.3 試驗設(shè)計

根據(jù)若爾蓋地區(qū)2016年生長季野外觀測的降水量和降水頻率，設(shè)置2種干濕交替水量和2種干濕交替頻率。干濕交替水量設(shè)置為高水量(100%野外實際降水量，即360 mm)和低水量(70%野外實際降水量，即252 mm)。降水頻率設(shè)置為高頻率(8 d·次-1，野外平均降水頻率)和低頻率(16 d·次-1，延長1倍野外平均降水頻率)，其中高水量-高頻率、高水量-低頻率、低水量-高頻率和低水量-低頻率干濕交替處理的每次添加水量分別為3.5、7、2.45和4.9 mL，每種處理5個重復(fù)。

將野外采集的土壤過2 mm孔徑篩剔除雜質(zhì)，稱取50 g于燒杯中，加入250 mL蒸餾水(土水質(zhì)量比為1∶5)后置于振蕩機中，在25 ℃條件下以120 r·min-1振蕩90 min，再放入離心機(上海安亭飛鴿 LXJ-IIB 型)中以3 000 r·min-1(離心半徑為21 cm)離心10 min，過濾后得到微生物接種液。稱取1 g(干重)混合均勻的枯落物置于250 mL培養(yǎng)瓶中，并添加10 mL微生物接種液，在室溫條件下預(yù)培養(yǎng)5 d。根據(jù)若爾蓋高寒濕地植物生長季的平均溫度，將人工氣候箱溫度設(shè)置為15 ℃，保持無光照條件下培養(yǎng)144 d(高頻率干濕處理經(jīng)歷18個干濕周期，低頻率干濕處理經(jīng)歷9個干濕周期)。培養(yǎng)期間根據(jù)不同的干濕交替處理定期進(jìn)行水分添加。

1.4 樣品采集與分析

在培養(yǎng)周期的前32 d每2 d采集測定1次CO2氣體，之后每8 d采集1次，共采集36次。采樣時使用注射器采集40 mL氣體后迅速密封培養(yǎng)瓶，密閉30 min后使用注射器再次采集40 mL氣體，并于24 h內(nèi)采用GC Agilent 7890A氣相色譜儀進(jìn)行CO2濃度測定[24]。

CO2排放通量計算公式[25]為

(1)

CO2累積排放量計算公式為

(2)

式(2)中，C為氣體累積排放量，g·kg-1；F為氣體排放通量，μg·kg·h-1；ti-ti+1為采樣時間間隔，d。

采用稱重法測定枯落物含水量。培養(yǎng)結(jié)束后收集枯落物在65 ℃條件下烘干至恒重，采用稱重法測定枯落物失重率?？萋湮锸е芈视嬎愎絒27]為

(3)

式(3)中，Pw為枯落物失重率，%；W0為枯落物的初始質(zhì)量，g；Wt為分解t時間后枯落物的殘留量，g。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析。采用雙因素方差(Two-way ANOVA)分析水量和頻率對枯落物失重率和CO2排放的影響。使用Sigmaplot 11.0繪圖軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 枯落物含水量

不同水量和頻率干濕交替處理下枯落物含水量的波動變化不同(圖1)。高水量干濕交替中，高頻率和低頻率干濕處理下枯落物含水量w的波動范圍分別為88%～137%和104%～173%。低水量干濕交替中，高頻率和低頻率干濕處理下枯落物含水量w的波動范圍分別為22%～115%和57%～128%。其中高水量-高頻率干濕交替處理下枯落物含水量的變化幅度最小，低水量-高頻率干濕交替處理枯落物的含水量變化幅度最大。在同一干濕交替頻率下，高水量處理枯落物的含水量普遍高于低水量處理。

圖1 水量和頻率對枯落物含水量的影響Fig.1 Effect of water volume and watering frequency on litter moistures

2.2 水分變化對枯落物失重率的影響

由表1可知，水量、頻率及其交互作用對枯落物失重率均沒有顯著影響。在高水量干濕交替條件下，高頻率和低頻率處理枯落物失重率分別為31.64%和34.26%；在低水量干濕交替條件下，高頻率和低頻率處理枯落物失重率分別為31.9%和31.84%(圖 2)。

2.3 水分變化對枯落物CO2排放的影響

水量、頻率及其交互作用對枯落物CO2累積排放均有顯著影響(表1)。在高頻率干濕交替中，在培養(yǎng)周期的前80 d，低水量處理下的CO2累積排放量略高于高水量處理；而后續(xù)81～144 d的培養(yǎng)中，CO2累積排放量則表現(xiàn)為高水量處理高于低水量處理。在高頻率干濕交替條件下，高水量和低水量處理CO2累積排放量分別為(6.86±0.18)和(6.10±0.43)g·kg-1(圖3)。

表1 水量和頻率對枯落物失重率和CO2排放的影響Table 1 Effect of water volume and watering frequency on the weightlessness rate of litter and CO2 cumulative emission

在低頻率干濕交替條件下，高水量處理枯落物的CO2累積排放量始終高于低水量處理，高水量和低水量處理下的CO2累積排放量分別為(10.77±0.64)和(5.28±0.24)g·kg-1(圖3)。在整個培養(yǎng)過程中，高水量和低水量處理下枯落物的CO2累積排放量變化趨勢一致，即隨著培養(yǎng)時間的延長，枯落物的CO2排放量均持續(xù)增加。其中低頻率低水量處理下枯落物CO2排放量在培養(yǎng)前期增加幅度較大，之后逐漸趨于平緩(圖3)。

在整個培養(yǎng)期間，高水量干濕交替條件下，高頻率和低頻率處理枯落物CO2排放量差異顯著(P<0.001)，低頻率處理下枯落物CO2排放量顯著高于高頻率處理。在低水量干濕交替處理中，2種頻率下的枯落物CO2總排放量無顯著差異(P=0.130，圖 4)。

同一頻率直方柱上方英文小寫字母不同表示不同水量之間失重率差異顯著(P<0.05)，同一水量直方柱上方英文大寫字母不同表示不同頻率之間失重率差異顯著(P<0.05)。

圖3 不同水量和頻率下CO2累積排放量隨培養(yǎng)時間的變化Fig.3 CO2 cumulative emission under different water volumes and watering frequencies during litter incubation period

3 討論

水分變化對木里薹草枯落物分解過程中CO2排放具有顯著影響。該研究結(jié)果表明高水量處理的枯落物CO2累積排放量高于低水量處理，這與前人研究結(jié)果[9，28]一致。水分在枯落物分解過程中主要對淋溶和微生物降解過程產(chǎn)生影響[8]。一方面，水分增加會導(dǎo)致枯落物濕度增加，促進(jìn)枯落物中可溶性物質(zhì)的淋溶，增強微生物對枯落物中淋溶養(yǎng)分的利用，從而促進(jìn)枯落物分解時的CO2排放[25]。另一方面，還可能與水分對微生物的影響機制有關(guān)，微生物的活性、種類以及群落等是影響枯落物分解的重要因素[29]。已有研究表明，水分增加可以促進(jìn)微生物生長繁殖，導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)及功能變化[30]，提升微生物活性[31]，還能促進(jìn)微生物分泌纖維素酶和木質(zhì)素降解酶等，進(jìn)而促進(jìn)枯落物中難降解物質(zhì)的分解，增加CO2排放[8]。GLIKSMAN等[32]研究發(fā)現(xiàn)在自然條件下隨著枯落物含水量w由7%增加至34%，微生物分解作用不斷增強。隨著水量增加至接近水淹狀態(tài)，微生物對底物的利用增強，枯落物分解加速[33]。該研究中高水量處理下枯落物含水量變化幅度為88%～173%，低水量處理下枯落物含水量變化幅度為22%～128%，在高水量下枯落物分解時CO2排放量較大。

同一頻率直方柱上方英文小寫字母不同表示不同水量之間CO2排放量差異顯著(P<0.05)，同一水量直方柱上方英文大寫字母不同表示不同頻率之間CO2排放量差異顯著(P<0.05)。

干濕交替頻率變化對木里薹草枯落物分解過程中CO2排放有顯著影響。高水量下降低干濕交替頻率可以顯著增加枯落物CO2排放量。枯落物的破碎化對其分解過程有促進(jìn)作用，干濕交替變化可以加速枯落物破碎進(jìn)而促進(jìn)降解[8]。研究表明，經(jīng)歷干濕交替后，微生物的生長繁殖存在滯后期，一般為4～7 d，之后其生長速率才會加快，其生長速率隨著時間變化呈現(xiàn)指數(shù)型增長[34]。相較于高頻率干濕交替，低頻率干濕交替延長了干旱周期和濕潤周期，即好氧和厭氧環(huán)境持續(xù)時間均增加，尤其是高水量下的干旱周期，為好氧微生物適應(yīng)環(huán)境變化進(jìn)而快速生長繁殖提供了足夠時間，顯著促進(jìn)了好氧微生物分解枯落物，導(dǎo)致CO2排放增加[35]。此外，高水量高頻率下枯落物含水量變化范圍為88%～137%，高水量低頻率下枯落物含水量變化范圍為104%～173%，筆者研究中較高的枯落物含水量有利于CO2排放的結(jié)果與其相吻合。

該研究中，水量和頻率對枯落物失重率均沒有顯著影響。一方面可能是由于水分差異不夠大，還不足以顯著影響枯落物分解的失重率。另一方面與木里薹草枯落物的性質(zhì)有關(guān)。木里薹草屬莎草科植物，難分解的纖維素和木質(zhì)素含量相對較高[3]，因此在較為短期的培養(yǎng)過程中無法觀測到明顯的枯落物失重率變化。雖然水量和頻率對枯落物失重率影響不顯著，但其與枯落物分解過程中CO2累積排放量呈現(xiàn)較為一致的變化趨勢，表明CO2排放量不僅能在一定程度上表征凋落物的分解，而且是相對更敏感的指標(biāo)。在枯落物分解及其時間動態(tài)的相關(guān)研究中，由于對枯落物失重率的測定往往需要破壞性取樣，研究者通常情況下會選擇測定枯落物CO2排放量等指標(biāo)來衡量枯落物的分解[9-10，36]，這樣在避免破壞性采樣的同時也能了解枯落物分解過程。

4 結(jié)論

水量和頻率影響下木里薹草枯落物含水量變化介于22%～173%之間，枯落物失重率變化介于31.64%～34.26%之間。培養(yǎng)期間水量和頻率及兩者交互作用對木里薹草枯落物失重率均沒有顯著影響。水量、頻率及兩者交互作用對枯落物分解過程中CO2排放有顯著影響。高水量顯著增加了木里薹草枯落物CO2排放量。在高水量條件下，低頻率處理的木里薹草枯落物CO2排放量顯著高于高頻率處理，分別為(10.77±0.64)和(5.28±0.24)g·kg-1。因此，未來降水格局變化(包括降水量和降水頻率變化)將對若爾蓋高寒濕地木里薹草枯落物分解過程中CO2的排放產(chǎn)生重要影響。