三種不同類型亞高山森林凋落物輸入對土壤腐殖化的影響

衛芯宇,倪祥銀,諶 亞,陳子豪,楊玉蓮,吳福忠,*

1 福建師范大學地理科學學院, 福州 350007

2 四川農業大學生態林業研究所, 林業生態工程重點實驗室, 成都 611130

腐殖質作為土壤有機質的主要組成部分[1-2],不僅是土壤養分的重要來源,也有助于維持土壤結構和功能[3]。凋落物作為養分和碳的載體,是連接植物和土壤的“紐帶”[4]。然而,凋落物輸入土壤后,難降解物質的增加能為土壤腐殖質的合成提供原料,促進土壤腐殖質的合成[5-6],也可能通過增加易降解組分激發土壤微生物和酶的活性,引起“激發效應”,導致原有土壤腐殖質的降解[7-8],這說明凋落物與土壤腐殖質的關系尚不明確。腐殖質的顏色能很好的反映其腐殖化程度[9],腐殖質的降解會導致其顏色變淺[10-11],而隨著顏色加深,腐殖質的結構會變得更加復雜且穩定[12]。因此,Kumada等人首先提出使用色調系數(ΔlogK)來表征腐殖質的復雜程度[13],而Kononova和Alexandrova則使用光密度值(E4/E6)作為腐殖化的指標[14]。ΔlogK、E4/E6和A600/C值都與腐殖物質芳烴共軛結構復雜性、分子量和縮合度相關[15- 16]。隨著ΔlogK和E4/E6值的增加,芳構化程度降低,分子量和縮合度降低,這表明腐殖化程度較低,腐殖物質對土壤有機質的貢獻越小[17- 18],而A600/C值則表現出相反的規律。

川西亞高山森林多分布在青藏高原東緣,海拔2000—4000 m,在調節區域氣候、保持水土、保育生物多樣性等方面具有重要的作用[19]。亞高山地區冬季漫長且伴隨明顯的季節性凍融循環[20],這些特殊的氣候環境不僅不利于土壤腐殖質的累積[21],甚至加速已形成腐殖質的降解[9,22],且低溫環境也會對凋落物的分解產生影響[23- 24],從而影響該地區土壤的腐殖化過程。同時,不同森林類型的凋落物具有不同的基質質量,會對土壤腐殖質產生不同的影響[25- 26]。更為重要的是,氣候變暖所導致的冬季縮短以及更加頻繁的凍融循環會對土壤的腐殖化產生直接或間接的影響[27- 28]。基于以上研究,本文假設凋落物的輸入可能在一定程度上提高土壤的腐殖化度,但受到季節和林型的影響。本研究在前期工作的基礎上,選擇川西亞高山地區具有代表性的針葉林、針闊混交林以及闊葉林為研究對象,通過控制凋落物的輸入,研究該地區凋落物和氣候變化對土壤腐殖化程度的影響,以期為該地區森林生態系統的發展提供依據。

1 試驗地概況

試驗地位于四川省平武縣王朗國家級自然保護區(32°49′—33°02′ N,103°55′—104°10′ E),海拔2300—4980 m。該地區年平均溫度2.5—2.9℃,最高溫26℃(7月),最低溫-18℃(1月)。冬季時間長,通常從第1年10月延伸到第2年4月[29]。年平均降水量約為826 mm,主要集中在5月到8月。根據中國土壤系統分類,該地區土壤類型為暗棕壤。本研究在該地區海拔2540—2600 m處選擇具有代表性的針葉林、針闊混交林以及闊葉林為研究對象。樣地詳細情況見表1。

表1 針葉林、針闊混交林和闊葉林的海拔,坡向,坡度,優勢樹種和代表性灌木Table 1 Altitude, aspect, slope, dominant arboreal species and representative shrubs of the coniferous forest, mixed forest and broadleaved forest in the study site

2 研究方法

2.1 試驗設計

圖1 2017年10月至2019年9月青藏高原東部亞高山森林的大氣和土壤日平均溫度Fig.1 Daily mean temperature of air and soil in the subalpine forest on the eastern Tibetan Plateau from October, 2017 to September, 2019

2017年5月,在針葉林、針闊混交林以及闊葉林內設置原位培養試驗,每個森林內選取1個大小為100 m×100 m的樣地,每個樣地內隨機設置3個樣方,每個樣方包含2種處理(保留凋落物和去除凋落物)。為了確保樣方的同質性,所有樣方均設置在相似的坡向和坡度(表1)。在每個樣方中設置6個長70 cm、寬51 cm、高43 cm的培養框,共計54個(每個樣方2種處理×3個重復×3個樣方×3種林型)。挖掘深度約30 cm的土壤,在保證其理化性質不改變的情況下,去除其中的凋落物、石頭、根系等雜質,混合均勻后放入相應位置的培養框中。在培養框底部鉆小孔,避免培養框內積水,同時在底部鋪設尼龍網,確保水流出的同時不會帶走土壤。將每個樣方中的3個培養框設置為凋落物輸入框,允許凋落物的自然輸入；在3個培養框上方50 cm處設置尼龍網,攔截凋落物的輸入,使凋落物無法進入培養框內,將其設置為凋落物去除框。在每個樣方內隨機選擇1個培養框并在深度約15 cm處放置紐扣溫度計(iButton DS1923-F5, Maxim/Dallas Semiconductor, Sunnyvale, USA),用以記錄土壤溫度。每個樣方內隨機懸掛1個溫度記錄儀(LITE5032P-RH, Fourtec-Fourier Technologies, Israel),懸掛高度距離地面約2 m,以記錄樣地內大氣溫度(圖1)。

2.2 樣品采集與處理

從2017年10月到2019年9月,分別在每年的10月、3月和9月采集土壤和凋落物樣品,共6次。根據長期監測的溫度數據[20],將兩次采樣之間的時期命名為冬季(2017年10月—2018年3月,2018年10月—2019年3月)、生長季前期(2018年3月—2018年9月,2019年3月—2019年9月)、生長季后期(2018年9月—2018年10月)。

每次采樣時,首先收集凋落物去除框上方尼龍網內攔截的凋落物,并將來自同一樣方的凋落物混合。然后多點隨機收集每個培養框內0—20 cm(區域森林土壤有機層的平均深度)的土壤樣品并混合均勻。將收集的所有凋落物和土壤樣品帶回實驗室,去除雜質后在室溫下風干2周。將凋落物樣品分類為針葉,闊葉,枝,花、果實和其他(包括無法識別的植物殘留物和動物糞便)(圖2)。將土壤樣品研磨并過0.25 mm篩用于測定土壤腐殖物質光密度值。

圖2 各關鍵時期3種森林不同類型凋落物產量Fig.2 Average production of different litter components in the three forests in the different sampling periods on the eastern Tibetan Plateau

2.3 指標測定與計算方法

ΔlogK、E4/E6和A600/C的測定參考Chen等[30]的方法。稱取風干樣品0.500 g于150 mL錐形瓶,加入100 mL 0.1 mol/L NaOH和Na4P2O7·10 H2O混合提取液,加塞振蕩10 min,沸水浴1 h,待冷卻后過濾,再過0.45 μm濾膜,濾液即為浸提液[31]。取浸提液10 mL,加0.05 mol/L NaHCO3調節pH至7—8,用紫外可見光譜分析儀(TU- 1901, Puxi, Beijing, China)測定400 nm、465 nm、600 nm和665 nm處的吸光值。

腐殖質的光密度與可見波長存在密切的關系。因此,色調系數(ΔlogK)、光密度值(E4/E6)以及A600/C值等光學指標近年來被廣泛用于表征腐殖質分子結構的復雜程度與腐殖化程度[15]。ΔlogK值越大,E4/E6比值越高,A600/C值越低,表明腐殖質的光密度愈小,芳香核原子團越少,芳香縮合度低,說明其分子結構越簡單,腐殖化程度越低。

ΔlogK=log (A400/A600)

E4/E6=A465/A665

式中,A400、A600、A465、A665分別為400、600、465、665 nm處吸光值。A600/C中的C表示每1 mL提取液中含有的有機碳。

2.4 數據處理

采用重復測量方差分析(Multi-way ANOVA)檢驗采樣時間、森林類型和凋落物處理對土壤腐殖質ΔlogK、E4/E6和A600/C值的影響。用最小顯著差異法(Least significant difference, LSD)檢驗同一時期不同林型土壤腐殖化程度的差異以及不同時期同一林型土壤腐殖化程度的差異。顯著性水平設為P=0.05。以上數據分析在SPSS 20.0(IBM SPSS Statistics Inc., Chicago, IL, USA)中進行,在Origin Pro9.0(OriginLab, Northampton, MA)中繪圖。

本研究同步檢測了培養過程中的土壤基質質量和氣候因素共10個變量,為了解這些變量對土壤腐殖化程度的影響,采用偏最小二乘法(partial least squares, PLS)計算各變量的PLS系數(對因變量的作用方向和強度)和重要值(顯著性水平;n=108)。以上分析在SIMCA 14.0(Umetrics, Ume?, Sweden)中進行。

3 結果分析

3.1 凋落物輸入對土壤腐殖物質ΔlogK值的影響

培養試驗表明,亞高山3種森林凋落物去除對土壤腐殖質ΔlogK值并無顯著影響(P>0.05),但采樣時期和森林類型之間存在顯著差異(P<0.01,表2)。闊葉林土壤ΔlogK值顯著大于混交林和針葉林土壤,混交林土壤ΔlogK值略高于針葉林土壤,但僅在試驗初期有顯著差異(圖3)。盡管3種林型土壤ΔlogK值在不同凋落物處理下均表現出先逐漸增加而后下降的動態特征,但凋落物去除顯著改變了不同林型土壤ΔlogK值的變化趨勢。保留凋落物的闊葉林土壤ΔlogK值保持持續增加的動態特征直至第2個冬季結束,且冬季增加趨勢更為明顯,而去除凋落物的闊葉林土壤ΔlogK值在第1個冬季表現出明顯的增加趨勢,在第2個冬季表現出明顯下降的特征。相對于闊葉林,混交林土壤ΔlogK值在冬季對凋落物去除表現出明顯的響應差異,針葉林土壤ΔlogK值在整個研究期間對凋落物去除的響應均不明顯(圖3)。

圖3 培養期間針葉林、混交林和闊葉林中土壤腐殖質的ΔlogK值Fig.3 ΔlogK values in the coniferous forest, mixed forest, and broadleaved forest數值為平均值±標準誤, n=3;小寫字母表示相同處理下同一時期不同林型之間的差異顯著性,大寫字母表示相同處理下同一林型不同時期之間的差異顯著性

表2 不同采樣時期、凋落物處理、森林類型對土壤腐殖質ΔlogK、E4/E6和A600/C值的重復測量方差分析Table 2 Repeated measures ANOVA results for the effects of time, litter, type and their interactions on the value of ΔlogK, E4/E6 and A600/C

3.2 凋落物輸入對土壤腐殖物質E4/E6值的影響

與ΔlogK值相似,試驗結果表明,亞高山3種林型下凋落物去除對土壤E4/E6值并無顯著影響(P>0.05),但采樣時期和森林類型顯著影響E4/E6值(P<0.01,表2)。闊葉林土壤E4/E6值顯著大于混交林和針葉林土壤,而混交林和針葉林土壤E4/E6值無顯著差異(圖4)。盡管3種林型土壤E4/E6值在不同凋落物處理下均表現出先逐漸增加而后下降的動態特征,但去除凋落物改變了不同林型土壤E4/E6值的變化趨勢(圖4)。闊葉林土壤E4/E6值保持持續增加的動態變化直至第2個冬季結束,且冬季的增加趨勢更為明顯,但闊葉林土壤E4/E6值對凋落物去除的響應不明顯。針葉林土壤E4/E6值在第1年變化較小,第2年冬季明顯增加,生長季下降,且對凋落物去除的響應不明顯。混交林土壤E4/E6值對凋落物去除的響應主要表現在冬季,冬季去除凋落物后混交林土壤E4/E6值下降趨勢大于保留凋落物土壤。

圖4 培養期間針葉林、混交林和闊葉林中土壤腐殖質的E4/E6值Fig.4 E4/E6 values in the coniferous forest, mixed forest, and broadleaved forest數值為平均值±標準誤, n=3;小寫字母表示相同處理下同一時期不同林型之間的差異顯著性,大寫字母表示相同處理下同一林型不同時期之間的差異顯著性

3.3 凋落物輸入對土壤腐殖物質A600/C值的影響

培養試驗結果表明,亞高山3種林型下凋落物去除對土壤A600/C值并無顯著影響(P>0.05),但采樣時期和森林類型顯著影響A600/C值(P<0.01,表2)。與ΔlogK和E4/E6值不同,闊葉林土壤A600/C值始終顯著低于針葉林和混交林,而混交林土壤A600/C值僅在第1年生長季顯著低于針葉林(圖5)。3種森林土壤A600/C值均表現出逐漸增加的動態趨勢,且針葉林和混交林土壤A600/C值在生長季前期的增加趨勢較闊葉林更加顯著。針葉林在整個研究期間對凋落物去除的響應不明顯。保留凋落物的混交林土壤A600/C值在第1年冬季表現為下降,而去除凋落物土壤A600/C值上升。保留凋落物的闊葉林土壤A600/C值在第2年冬季下降,而去除凋落物土壤A600/C值上升(圖5)。

圖5 培養期間針葉林、混交林和闊葉林中土壤腐殖質的A600/C值Fig.5 A600/C values in the coniferous forest, mixed forest, and broadleaved forest數值為平均值±標準誤, n=3;小寫字母表示相同處理下同一時期不同林型之間的差異顯著性,大寫字母表示相同處理下同一林型不同時期之間的差異顯著性

4 討論

腐殖物質的光密度值在一定程度上反映了其分子的復雜程度,即ΔlogK、E4/E6值越低,說明腐殖質中芳香核原子團越多,分子結構越復雜[32- 33],從而間接表明土壤的腐殖化程度越高[15]。本研究結果表明,亞高山地區3種森林土壤的ΔlogK和E4/E6值大小依次為：闊葉林>混交林>針葉林,A600/C值大小依次為針葉林>混交林>闊葉林。3種森林土壤的腐殖化程度隨季節發生變化,冬季土壤腐殖質的ΔlogK和E4/E6值升高,而生長季節降低,A600/C值則在冬季下降,生長季節升高。試驗表明,保留凋落物的闊葉林和混交林土壤腐殖質ΔlogK值在冬季呈下降趨勢,而去除凋落物的闊葉林和混交林土壤ΔlogK值在冬季呈上升趨勢。這些結果表明,亞高山針葉林土壤的腐殖化程度最高,而闊葉林土壤最低。土壤腐殖化程度主要受到溫度和森林類型的調控,溫度升高會導致土壤腐殖化程度增加,而冬季凋落物輸入會導致土壤腐殖化程度降低。

地上植被變化所引起的凋落物、根系及其分泌物的改變會顯著影響土壤的物理化學性質[34]；而土壤作為生態系統中諸多生態過程的載體,不同土壤養分狀況又會作用于群落內的許多生態過程。本研究發現,川西亞高山地區3種林分土壤的腐殖化程度依次為：針葉林>混交林>闊葉林,這與凋落物的性質和數量有關。與闊葉凋落物相比,針葉凋落物中含有大量難分解的纖維素和木質素,因此針葉凋落物的分解較慢[35],容易累積大量的難分解物質在土壤中聚合形成腐殖質,使得土壤腐殖物質的分子結構更復雜,腐殖化程度更高。同時,由于針葉凋落物分解過程中會產生酸性物質[36-37],不利于土壤微生物活性,所以針葉林土壤腐殖質的降解也是相對較慢的。而混交林土壤腐殖化程度高于闊葉林,可能是因為混交林的凋落物種類更加的豐富,且凋落物量也更大(圖2),較闊葉林更有利于土壤腐殖質的合成,所以混交林土壤腐殖化程度高于闊葉林。

亞高山森林由于全年溫度較低,所以凋落物的分解也緩慢[38]。培養前期由于凋落物對微生物的養分供應不足,微生物更多的從土壤中汲取養分,導致土壤腐殖質發生降解,所以3種森林土壤的腐殖化程度在培養前期一直降低(圖3—5)。3種森林土壤的腐殖化程度在生長季節開始升高,這可能與溫度升高存在相關性,且偏最小二乘法分析的結果也印證了這一結果(圖6)。土壤和大氣正積溫與ΔlogK、E4/E6值呈負相關關系,與A600/C值呈正相關關系,這說明熱量資源豐富會提高土壤的腐殖化程度。一方面,低溫限制微生物活性,導致微生物途徑的土壤腐殖質合成受阻[28],且冬季積雪所導致的低氧甚至厭氧環境不僅不利于土壤腐殖質的穩定性[11,39- 40],甚至破壞土壤腐殖質的結構[9],導致土壤腐殖化程度降低。而生長季節,隨著溫度的升高,微生物活性增強[41- 42],土壤中的腐殖質被不斷加工,所以土壤腐殖化程度增加。另一方面,生長季節凋落物量相對更多,且種類豐富,為土壤腐殖質的合成提供原料。且生長季凋落物多以葉凋落物為主(圖2),相較枝凋落物而言含有更多的有效成分和營養物質,能刺激微生物活動,并進一步促進土壤的腐殖化進程[43]。

圖6 環境因子和土壤基質質量對土壤腐殖化度的偏最小二乘法結果Fig.6 Results of partial least squares (PLS) testing for the effect of environmental factors and soil qualities on the humification of soil humic substances during incubation periods偏最小二乘法系數大于0表示正作用,小于0表示負作用;變量重要值大于1表示作用顯著(P<0.05);C, 碳 carbon; N, 氮 nitrogen; P, 磷 phosphorus; NFTC, 凍融循環次數 number of freeze-thaw cycles; MAT, 大氣均溫 mean air temperature; MST, 土壤均溫 mean soil temperature; APAT, 大氣正積溫 air positive accumulation temperature; ANAT, 大氣負積溫 air negative accumulation temperature; SPAT, 土壤正積溫 soil positive accumulation temperature; SNAT, 土壤負積溫 soil negative accumulation temperature. 數值為各采樣時期數據(n=108)

整體而言,凋落物輸入在生長季節對3種森林土壤的腐殖化程度沒有顯著影響,但在冬季改變了混交林和闊葉林土壤的腐殖化程度。導致這一結果的原因可能是亞高山地區全年溫度較低,凋落物分解緩慢。凋落物覆蓋在土壤表面具有一定的保溫作用[44],所以在低溫環境下保留凋落物土壤中的微生物活性更高[45],這使得由微生物驅動的土壤腐殖物質的合成過程受氣候條件的影響更小。同時凋落物輸入會積累更多的難降解物質到土壤表面,為土壤腐殖質的合成提供原料[5],但新形成的土壤腐殖質結構相對簡單,所以其腐殖化程度更低[46]。去除凋落物處理下,由于冬季的低溫和頻繁的凍融循環,土壤中不穩定、結構簡單的腐殖質被破壞和礦化[47],而結構復雜且穩定的腐殖質被保留下來,所以去除凋落物土壤的腐殖化程度更高。去除凋落物對針葉林土壤腐殖化程度的影響不顯著,這可能與針葉林土壤本身較高的腐殖化程度,以及針葉凋落物分解緩慢且易產生酸性物質有關。

5 結論

亞高山森林土壤的腐殖化程度與溫度存在顯著的正相關關系,表現為冬季土壤腐殖化程度降低,而生長季節升高的動態規律。針葉林土壤的腐殖化程度最高,混交林次之,闊葉林最低。冬季凋落物輸入顯著降低了闊葉林和混交林土壤的腐殖化程度,而在生長季節無顯著影響,且凋落物的輸入對針葉林土壤腐殖化程度并無顯著影響。總之,氣候變暖情景下冬季溫度的升高可能導致亞高山森林土壤的腐殖化程度升高,且受到森林類型的調控。這些結果為了解亞高山森林土壤腐殖質的形成與動態及其對氣候變化的響應提供了一定的科學依據。