有機碳質量對黃河三角洲蘆葦凋落物分解及其溫度敏感性的影響

陶寶先,張保華,董 杰,劉晨陽

聊城大學環境與規劃學院, 聊城 252059

凋落物分解是陸地生物地球化學循環過程中的重要環節[1]。凋落物分解不僅為絕大多數陸地及水生生態系統的微生物提供養分,在全球碳循環過程中也起著重要作用[2]。研究表明,凋落物分解受制于氣候及凋落物質量[3- 6],但在不同尺度范圍內,這些因素對凋落物分解的影響仍存在差異。在全球或區域尺度上,影響凋落物分解的主要因素是氣候條件；而局部范圍內則是凋落物質量[7]。有研究發現,凋落物生態化學計量比也是影響凋落物分解的重要因素[8]。在局部范圍內,凋落物質量及生態化學計量比對凋落物分解的影響仍不確定。早期研究認為,生態化學計量比是控制凋落物分解的主要因素[8]。其后研究發現,有機碳質量對凋落物分解的影響遠大于生態化學計量比[9],或生態化學計量比對凋落物分解無明顯作用[10]。因此,研究生態化學計量比及有機碳質量對凋落物分解的影響,對于深入了解凋落物分解及其影響因素具有重要意義。

固態13C核磁共振技術作為一種非破壞性研究手段,可以研究化合物的結構特征,已被廣泛用于凋落物[11]及土壤[12- 13]有機碳結構及穩定性的研究。而且,近期研究發現,相對于凋落物生態化學計量比,利用13C核磁共振技術評價凋落物有機碳質量能夠更充分的解釋凋落物分解[11]。因此,利用13C核磁共振技術研究凋落物有機碳質量不僅能清晰地表明不同碳官能團(碳組分)的相對比例,而且能深入反映凋落物有機碳質量的變化及有機碳的穩定性。

凋落物呼吸是土壤呼吸的一個重要組成部分,占土壤呼吸的比例約為10%—40%[14- 19]。研究凋落物呼吸溫度敏感性的變化特征及其影響因素對準確理解地區的土壤碳循環具有重要意義[20]。有研究發現,凋落物呼吸的溫度敏感性受溫度[21]、水分[22]及凋落物質量[20- 21]等因素的影響。而且,隨土壤溫度[22]及水分[20]增加凋落物呼吸溫度敏感性呈增加趨勢。早期研究發現,有機碳質量能夠影響有機碳分解溫度敏感性,但有機碳質量對土壤有機碳分解溫度敏感性的影響仍不確定。土壤有機碳易分解組分分解的溫度敏感性可能大于[23]、小于[24- 25]或等于[26]土壤有機碳難分解組分分解的溫度敏感性。這表明,有機碳質量能夠影響有機碳分解的溫度敏感性。凋落物是土壤有機碳的主要來源之一,凋落物有機碳質量與土壤有機碳質量有著密切的聯系[27]。然而,凋落物有機碳質量是否影響凋落物呼吸的溫度敏感性？這方面的研究仍不充分。

濱海濕地僅占全球陸地表面積的0.22%—0.34%[28],其土壤及植物有機碳貯量卻高達13—17.2 Pg[29],在全球碳循環過程中起著重要作用。黃河三角洲河口濕地是我國重要的河口濕地之一,它由黃河攜帶大量泥沙填海淤積而成,是我國暖溫帶保存最完整、最年輕的濕地生態系統。本研究以黃河三角洲典型植被——蘆葦(Phragmitesaustralis)為例,通過凋落物袋法、室內模擬實驗及固態13C核磁共振技術,研究有機碳質量對凋落物分解及凋落物呼吸溫度敏感性的影響,探討預測凋落物分解及其溫度敏感性的指標。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區設置于山東省東營市中國科學院黃河三角洲濱海濕地生態試驗站(37°45′50″N,118°59′24″E)。該區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,四季分明,雨熱同期。年均氣溫12.9℃,年降水量530—630 mm,且主要集中在5—9月,年蒸發量為1962 mm。濕地植被的建群種和優勢種有蘆葦(Phragmitesaustralis)、鹽地堿蓬(Suaedasalsa)和檉柳(Tamarixchinensis)等。該區土壤類型以潮土和鹽土為主,土壤質地主要為砂質黏壤土[30- 31]。

1.2 野外實驗

2015年10月底,在研究區采集當年立枯蘆葦植株上葉凋落物。于實驗室內用去離子水洗凈,60℃烘干至恒重。取部分烘干凋落物剪至2 cm左右,裝入1 mm孔徑的尼龍分解袋(長×寬=20 cm×20 cm),每袋放入凋落物共10 g,共設置18袋。2016年4月將上述凋落物袋平鋪于研究區地表,實驗開始的第0、30、70、160、360、720天,每次取3袋凋落物,于實驗室內用去離子水洗凈,60℃烘干至恒重,稱重,計算凋落物的失重率。然后,將凋落物樣品粉碎、過0.1 mm篩,測試有機碳、總氮、總磷含量及有機碳官能團相對含量。剩余樣品裝入自封袋保存、用于室內模擬實驗。有機碳含量采用外加熱-重鉻酸鉀氧化法測定,總氮及總磷采用濃硫酸-H2O2消煮法制備待測液,總氮含量采用靛酚藍比色法,總磷含量采用鉬銻抗比色法測定[32]。

1.3 室內模擬實驗

2017年4月,采集研究區蘆葦濕地表層(0—20 cm)土壤樣品,實驗室內手工挑出石塊、動植物殘體等雜物,過2 mm篩,于4℃冷藏備用。采用環刀法測試表層土壤最大持水率(WHC)[32]。取20 g(干重)新鮮土樣于500 mL廣口瓶,并加入0.2 g野外實驗收集、不同分解日期的凋落物樣品(粉碎、過0.1 mm篩),混勻；設置無凋落物的土樣作為對照；用去離子水調節土壤含水率至100% WHC,稱重并記錄,作為后期補充水分的依據。將上述培養瓶于10℃、20℃、30℃恒溫培養箱內培養；每個培養溫度條件下各處理設置3個重復。

在培養實驗的第1、3、8、15、25、40、60天,抽取瓶內空氣樣品。采樣時,用大功率風扇對廣口瓶逐個通風2 min,用新鮮空氣置換瓶內空氣,隨即用帶三通的膠塞密封瓶口,并放入相應培養箱內培養5 h。取樣時,用帶三通的注射器抽取瓶內空氣50 mL,采用氣相色譜法(Aglient 7890A, USA)測試CO2濃度。含凋落物土樣的呼吸速率與對照的差值即為凋落物呼吸速率。采樣結束后,打開膠塞上的三通,使瓶內外空氣流通。每隔3—5 d采用稱重法補充瓶內水分,使之保持恒定的土壤含水率。將相鄰兩次測得的呼吸速率均值乘以其時間間隔,即得該時段CO2的累積釋放量,將各時段CO2的累積釋放量相加,即得凋落物總的CO2累積釋放量。

凋落物呼吸的溫度敏感性(Q10)采用如下方法計算[33]：

Q10= (R2/R1)[10 / (T2-T1)]

式中,R1和R2分別代表10℃(T1)和30℃(T2)條件下凋落物呼吸速率。

1.4 凋落物有機碳分子結構測定

凋落物有機碳分子結構測試采用核磁共振儀(AVANCE Ⅲ 400MH,布魯克公司)、固態13C-交叉極化魔角旋轉技術測試,轉子直徑4 mm,13C譜共振頻率為100.62 MHz,旋轉頻率5000 Hz,接觸時間2 ms,循環延遲時間3 s。核磁共振功能基團面積積分用MestReNova軟件(v.12.0)分析,共劃分7個功能區[11- 13]：烷基碳(0—45 ppm,alkyl C),主要來自角質、蠟質等植物聚合物及微生物代謝物；甲氧基碳(45—60 ppm,methoxyl C),是木質素的重要官能團；烷氧碳(60—90 ppm,O-alkyl C)、雙烷氧碳區(90—110 ppm,di-O-alkyl C),主要來自纖維素、半纖維素等碳水化合物；芳香碳(110—140 ppm,H- and C-substituted aromatic C；140—160 ppm,O-substituted aromatic C),主要來自木質素等；羰基碳(160—190 ppm,carboxyl C),主要來自脂肪酸、氨基酸、酰胺、酯等。其中,烷基碳+芳香碳=疏水碳,烷氧碳+羰基碳=親水碳。

1.5 統計分析

采用單因素方差分析(LSD法)統計不同分解日期凋落物失重率、元素含量及生態化學計量比、有機碳官能團相對含量、凋落物有機碳穩定性指標、凋落物CO2累積釋放量及凋落物呼吸溫度敏感性(Q10)等指標的差異,顯著性水平P=0.05；采用Pearson相關分析和逐步回歸分析凋落物失重率及剩余率、凋落物CO2累積釋放量及凋落物呼吸溫度敏感性(Q10)與生態計量比、有機碳官能團相對含量、凋落物有機碳穩定性指標之間的關系。采用SPSS軟件(v.17.0)進行數據統計,采用Origin 8.0進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 凋落物分解及元素含量

圖1 凋落質量損失率Fig.1 Mass loss rate of litter

前70 d凋落物失重較少,失重率僅為7.3%；第160—720天凋落物失重率顯著增加(P<0.05),160 d時失重率達32.3%,360 d時失重率達39.9%,720 d時失重率為50.3%(圖1)。

相對于實驗初始(第0天),凋落物分解過程中,有機碳含量基本無明顯變化,僅第160天的有機碳含量有明顯增加(P<0.05)。前70 d凋落物總氮含量無顯著變化；第160天后,凋落物總氮含量較實驗初期顯著增加(P<0.05),增幅達57.33%(160 d)、55.30%(360 d)、73.52%(720 d)。第30天,凋落物總磷含量較實驗初始(第0天)下降了70.67%；其后總磷含量顯著增加,增幅達61.54%(70 d)、187.50%(160 d)、215.38%(360 d)、206.25%(720 d；圖2)。前70 d凋落物C/N無顯著變化,第160—720天顯著降低(P<0.05)。第30天凋落物C/P明顯增加,其后C/P顯著降低(P<0.05)。第30天凋落物N/P明顯增加(P<0.05),其后N/P無顯著變化(圖3)。

圖2 凋落物元素含量Fig.2 Concentrations of organic carbon, nitrogen and phosphorus of litter

圖3 凋落物生態化學計量比Fig.3 C/N, C/P, and N/P ratios of litter

2.2 凋落物有機碳分子結構

前70 d凋落物烷基碳相對含量無明顯變化,其后則明顯增加(P<0.05)；甲氧基碳相對含量僅在第720天顯著增加(P<0.05)；烷氧碳及雙烷氧碳相對含量在實驗初期均無顯著變化,其后則明顯下降(P<0.05)；芳香碳相對含量在第30天無明顯變化,其后則顯著增加(P<0.05)；羰基碳相對含量隨分解時間延長逐漸增加(P<0.05；圖4)。疏水碳/親水碳、芳香碳/烷氧碳在第30天無明顯變化,其后則顯著增加(P<0.05)；烷基碳/烷氧碳在前70 d無顯著變化,其后則逐漸增加(P<0.05；圖5)。

圖4 凋落物有機碳分子結構Fig.4 Molecular structure of organic carbon of litter

2.3 凋落物CO2釋放量及其溫度敏感性

10℃培養條件下,野外分解30 d的凋落物CO2累積釋放量與第0天的無明顯差異；野外分解70 d及分解時間更長的凋落物CO2累積釋放量隨凋落物分解時間的延長逐漸下降,降幅達21.00%(第70天)、32.60%(第160天)、37.26%(第360天)、54.45%(第720天)。20℃、30℃培養條件下,野外分解30及70 d的凋落物CO2累積釋放量與分解0天的無明顯差異,野外分解160天及分解時間更長的凋落物CO2累積釋放量隨凋落物分解時間的延長逐漸下降。20℃培養條件下,相對于分解0天的凋落物,CO2累積釋放量降幅達20.66%(第160天)、27.77%(第360天)、49.73%(第720天)；30℃培養條件下,相對于分解0天的凋落物,CO2累積釋放量降幅達13.02%(第160天)、28.94%(第360天)、34.06%(第720天；圖6)。分解0—720天的凋落物呼吸溫度敏感性(Q10)處于1.52—1.83之間。隨著凋落物野外分解時間延長,凋落物呼吸溫度敏感性Q10值逐漸增加(P< 0.05),第720天的凋落物呼吸溫度敏感性最大(圖7)。

圖5 凋落物有機碳穩定性指數Fig.5 Index of organic carbon stability of litter

圖6 凋落物CO2累積釋放量Fig.6 Cumulative CO2 emissions of litter

圖7 凋落物呼吸的溫度敏感性Fig.7 Temperature sensitivity of litter respiration

2.4 凋落物分解及其溫度敏感性(Q10)與有機碳質量及生態化學計量比的關系

由表1可知,有機碳組分相對含量及有機碳穩定性指標與凋落物分解及其CO2釋放均呈顯著相關關系(P<0.05),而且有機碳組分相對含量及有機碳穩定性指標與凋落物呼吸溫度敏感性(Q10)也存在顯著相關關系(P<0.05)。表明凋落物分解與有機碳質量及生態化學計量比之間存在密切關系。由于很多指標與凋落物分解及其溫度敏感性存在共線性關系,單因素相關分析結果不能準確解釋有機碳質量及生態化學計量比對凋落物分解及其溫度敏感性的關系。因此,采用逐步回歸的方法,將各有機碳質量及生態化學計量比指標逐步納入回歸模型,回歸模型如下：

凋落物失重率(%)=249.403X1-0.393X2+29.916,P<0.05,r2=0.97,F=184.048；

10度CO2累積釋放量=29.272X3-448.574,P<0.001,r2=0.836,F=87.821；

20度CO2累積釋放量=297.307X3-1478.786,P<0.01,r2=0.793,F=61.366；

30度CO2累積釋放量=247.693X3-921.646,P<0.05,r2=0.787,F=63.917；

凋落物呼吸溫度敏感性(Q10)=0.026X4+1.553,P<0.001,r2=0.276,F=7.465。

式中,X1為烷基碳/烷氧碳；X2為C/N；X3為烷氧碳；X4為羰基碳。

3 討論

凋落物有機碳質量是影響凋落物分解的內在因素[34]。凋落物分解初期,大量水溶性有機質快速淋溶釋放,為微生物的生長繁殖提供養分與能量[35],這可能進一步促進微生物對凋落物的降解。凋落物分解后期,隨著縮合單寧、木質素、角質等難溶的和不規則的高分子有機物的富集,凋落物分解的抵抗性增加[36]。本研究結果顯示,隨著凋落物分解時間延長,凋落物易分解有機碳組分(烷氧碳、雙烷氧碳)相對含量隨之下降,而難分解有機碳組分(烷基碳、芳香碳)相對含量逐漸增加(圖4)。這與諶賢等[37]關于川西高山森林凋落物分解的研究結果相似。疏水碳/親水碳、芳香碳/烷氧碳、烷基碳/烷氧碳是反映有機碳質量的重要指標,其值越大,有機碳越穩定[11- 13]。本研究也發現,隨著凋落物分解,疏水碳/親水碳、芳香碳/烷氧碳、烷基碳/烷氧碳也隨之增大(圖5)；凋落物CO2累積釋放量也逐漸降低(圖6)；同時,分解第160—720天凋落物失重率(18%)也低于前160天的失重率(32.3%)。表明：隨著凋落物分解,易分解碳組分在逐漸消耗,而難分解碳組分在累積,有機碳穩定性逐漸增加,CO2釋放量及失重率也在逐漸下降。

有機碳質量是影響凋落物分解的重要因素,其影響凋落物分解的重要性甚至高于生態化學計量比[9, 11]。本研究發現,凋落物CO2累積釋放量分別與有機碳易分解組分相對含量呈顯著正相關關系(P<0.001),與難分解有機碳組分相對含量以及疏水碳/親水碳、芳香碳/烷氧碳、烷基碳/烷氧碳均呈顯著負相關關系(P<0.05；表1)。然而,凋落物失重率與疏水碳/親水碳、芳香碳/烷氧碳、烷基碳/烷氧碳均呈顯著負相關關系(P<0.01)；且凋落物剩余率與易分解碳組分相對含量呈顯著正相關,而與難分解碳組分相對含量呈顯著負相關關系(P<0.01；表1)。表明：凋落物易分解碳組分含量越低,凋落物有機碳越穩定,其分解速率越小。據此推測,有機碳質量是預測凋落物分解及其CO2釋放的敏感性指標。

表1 相關分析結果

CP10:10度條件下凋落物CO2累積釋放量， cumulative production of CO2at 10 degree; CP20:20度條件下凋落物CO2累積釋放量， cumulative production of CO2at 20 degree; CP30:30度條件下凋落物CO2累積釋放量， cumulative production of CO2at 30 degree; MLR:凋落物失重率, mass loss rate of litter; RRL:凋落物剩余率, rate of residual litter;HB/HI:疏水碳/親水碳,hydrophobic C/hydrophilic C; *在0.05水平(雙側)上顯著相關；**在0.01水平(雙側)上顯著相關

凋落物生態化學計量比與有機碳質量均對凋落物的分解有顯著影響,然而兩因素對凋落物分解的影響仍存爭議。研究表明,生態化學計量比也是控制凋落物分解的主要因素[8]； 其中,C/N是預測凋落物分解的敏感指標[38]。也有研究發現,相對于生態化學計量比,有機碳質量能更好的解釋凋落物的分解[9, 11]。本研究發現,生態化學計量比(C/N、C/P、N/P)與凋落物失重率及CO2累積釋放量呈顯著相關關系(P<0.05；表1),這與Parton等[38]的結論相似。意味著生態化學計量比也能顯著影響凋落物分解及CO2釋放。逐步回歸結果顯示,烷基碳、烷氧碳相對含量及C/N能很好的解釋凋落物失重率,而烷氧碳及雙烷氧碳相對含量可以較好的解釋CO2累積釋放量。據此推斷,有機碳質量與生態化學計量比均是預測凋落物分解及CO2釋放的敏感性指標,且有機碳質量較生態化學計量比更為敏感。

有機碳質量能夠影響有機碳分解的溫度敏感性,但影響結果仍不確定[23- 26]。本研究發現,凋落物分解時間越長,有機碳越穩定(圖4、5),凋落物呼吸的溫度敏感性Q10值越大(圖7)。這暗示有機碳難分解組分CO2釋放的溫度敏感性可能大于有機碳易分解組分。這與Vanhala等[24]與Conant等[25]關于土壤有機碳組分礦化溫度敏感性的結論相同。其原因可能是：根據化學動力學理論(Chemical kinetic theory),難分解有機物具有較高的活化能(activation energy),故難分解有機質礦化具有較高的溫度敏感性[39- 40]。而且,Q10值與凋落物有機碳難分解組分(芳香碳,110—140 ppm)及有機碳穩定性指數(疏水碳/親水碳)均呈顯著正相關關系(P<0.05),而與凋落物有機碳易分解組分(烷氧碳、雙烷氧碳)相對含量呈顯負相關關系(P<0.05),這進一步解釋了Q10值的上述變化趨勢。由此可知,隨著凋落物分解,有機碳的穩定性逐漸增加,CO2釋放速率雖然降低,但其對溫度的響應程度則進一步增加,這可能進一步增加其對全球變暖的積極響應。此外,Q10值與生態化學計量比無顯著相關性(表1)。而逐步回歸的結果顯示,羰基碳相對含量可以用來解釋Q10的變異,但僅能解釋27.6%的變異。表明仍有其他顯著影響Q10的因素未在本研究考慮范圍內,這需要在后續實驗中進一步探索。據此推斷：相對于生態化學計量比,有機碳質量可以解釋凋落物呼吸溫度敏感性的變化,是預測凋落物呼吸溫度敏感性相對敏感的指標。綜上所述,烷基碳、烷氧碳、雙烷氧碳的相對含量是預測凋落物分解的敏感性指標,而羰基碳相對含量是預測凋落物呼吸溫度敏感性的相對敏感的指標。

4 結論

(1) 隨著凋落物分解,烷氧碳、雙烷氧碳相對含量逐漸降低,而芳香碳的相對含量顯著增加,疏水碳/親水碳、芳香碳/烷氧碳比值逐漸增大,凋落物有機碳更加穩定,凋落物呼吸速率及失重率呈下降趨勢。烷基碳、烷氧碳相對含量及C/N能很好的解釋凋落物失重率,而烷氧碳及雙烷氧碳相對含量可以較好的解釋CO2累積釋放量。表明有機碳質量及生態化學計量比均是預測凋落物分解及CO2釋放的敏感性指標,且有機碳質量較生態化學計量比更為敏感。

(2) 隨著凋落物分解,有機碳穩定性逐漸增強,凋落物呼吸溫度敏感性顯著增加。而且,羰基碳相對含量可以用來解釋Q10的變異。總之,相對于生態化學計量比,烷基碳、烷氧碳、雙烷氧碳、羰基碳相對含量是預測凋落物分解及其溫度敏感性的敏感性指標。

致謝：本研究承蒙中國科學院黃河三角洲濱海濕地生態試驗站支持,特此致謝。