馬尾松與鄉土闊葉樹種凋落葉纖維素、總酚以及縮合單寧降解的混合效應

李勛，崔寧潔，張艷，覃宇，張健

1.四川民族學院/橫斷山區生態修復與特色產業培育研究中心，四川 康定 626001；2.四川省林業和草原調查規劃院，四川 成都 610000；3.中國科學院成都生物研究所，四川 成都 610000；4.四川農業大學林學院/生態林業工程重點實驗室/長江上游生態安全協同創新中心，四川 成都 611130

凋落葉分解是森林生態系統中養分歸還的重要途徑，不僅在提高養分的可利用性、增強土壤肥力和維持植物生長發育中起著十分重要的作用，同時在加快土壤有機質形成和提高林地凈碳儲量等方面具有不可或缺的作用（Schlesinger et al.，2000）。凋落物分解前期主要受自身養分含量（N、P等）、水溶性碳化合物（果糖、葡萄糖等）以及結構碳化合物（纖維素、半纖維素、果膠等）含量的調控，而分解后期主要受木質素、纖維素/木質素比值等的影響（曾鋒等，2010）。纖維素的結構相對簡單，主要由長鏈葡萄糖分子組成，因此其降解相對較快。酚類作為喬木、灌木等大部分植物中普遍存在的次生代謝物質，其主要由單寧、酚酸以及類黃酮等多種物質組成（Ristok et al.，2017），總酚在凋落物分解期間可以通過淋溶作用快速流失（張艷等，2016），也可以通過對分解者（土壤動物、微生物等）群落結構的影響來調節凋落物的分解（Domínquez et al.，1994）。單寧主要分為兩類，即水解類單寧（也稱可水解單寧）和縮合類單寧（也稱縮合單寧）。其中，水解類單寧可以通過淋溶作用流失。與之相反，縮合單寧的降解主要依靠分解者（Ushio et al.，2013）。此外，縮合單寧還是森林碳庫的重要組成部分，其在植物與植物、植物與凋落物以及植物與土壤間的相互作用中發揮不可替代的作用（覃宇等，2018）。研究發現，馬尾松（Pinus massoniana）、柳杉（Cryptomeria fortunei）、杉木（Cunninghamia lanceolata）、香樟（Cinnamomum camphora）、香椿（Toona sinensis）和麻櫟（Quercus acutissima）凋落葉中纖維素濃度隨分解時間延長，總體上呈逐漸下降的變化趨勢（馬志良等，2015）。纖維素在微生物的作用下分解，并在凋落物后期的分解中起主要調控作用（Fioretto et al.，2005）。此外，凋落物中的纖維素還能被細菌等微生物降解，比如腐生真菌能生成纖維素酶以及羧甲基纖維素酶等物質對纖維素進行降解。官昭瑛等（2009）研究發現，土壤動物的密度隨凋落葉中單寧含量的降低而增加，單寧含量較高的蒲桃（Syzygium jambos）葉片分解速率較慢，可能是因為凋落物縮合單寧較高，從而抑制了土壤動物的生長。綜上，樹種的多寡對混合凋落物分解過程中纖維素等物質的影響十分復雜，受到不同物種/樹種凋落物之間元素含量、分解者類群差異和分解時期不同等多種影響因子的共同調控。

由于馬尾松在生態環境保護、林地水土保持以及治理水土流失等多個方面的重要作用，其人工純林已在中國貴州、四川等 17個省廣泛分布（李勛等，2022）。但近年來隨著林木生長時間的延長，大范圍的馬尾松人工純林在生長中后期出現了土壤養分含量下降及林地內生物多樣性退化等生態問題。研究發現，馬尾松人工純林的在自然更新后出現嚴重退化現象，不同生長時期的生物量、生長量僅為第一代的10%左右（彭少麟，1995）。馬尾松純林的凋落物儲量、土壤水源涵養能力和土壤養分含量均低于針闊混交林，且混交林中凋落葉的有機碳、全氮、全磷、全鈣和全鎂釋放速度比純林快（潘嘉雯，2019；白云星等，2021）。可見將馬尾松人工純林混交化有利于維持馬尾松林地長期生產力。檫木（Sassafras tzumu）、香樟和香椿是中國西南地區廣泛分布且適應性極強的珍貴的鄉土樹種。其中，檫木和香樟的年凋落量大且葉片氮、磷等養分含量高，對林下土壤的理化性質具有較好的改良作用（柳江等，2002；李曉晶，2012）。而香椿作為一種珍貴的速生樹種，其對土壤中重金屬元素（如鉛等）具有明顯的耐受性和吸收能力（李曉晶，2012）。因此，本研究以馬尾松和中國西南地區大面積存在且生長較好的鄉土闊葉樹種（檫木、香樟和香椿）作為研究對象，從凋落物分解的角度出發，通過設置多種樹種組合及混合質量比例，探討馬尾松與3個鄉土闊葉樹種凋落葉在混合分解過程中纖維素、總酚以及縮合單寧降解/釋放的非加性效應，探索森林生態系統纖維素等物質的歸還/釋放規律，研究結果有利于充分發揮森林生態系統內喬木等生物的自肥能力，也為中國種大面積分布的馬尾松人工林伴生樹種混交樹的選擇提供理論科學依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區域位于四川省都江堰市——四川農業大學試驗基地（31°01′—31°02′N，103°34′—103°36′E）。該地區是青藏高原向四川盆地的一段過渡地帶，海拔約為800 m，氣候類型為典型的亞熱帶季風濕潤氣候，年均降水量為1243.8 mm，年均溫為 15.2 ℃。地帶性土壤主要為發育在沙質巖石上的黃壤，土壤質地為重壤土，在中國土壤分類系統中被歸為鐵鋁土（周勇等，1997；夏建國等，2002），林地內主要分布樹種有馬尾松、杉木、香樟和喜樹（Camptotheca acuminata）。

2016年8月，在研究區域內選擇地形地貌、海拔高度、土壤類型、坡度坡向等相近，以及林地情況與林分密度相似的馬尾松、喜樹等樹種組成的混交林作為試驗樣地，并設置3個大小約為30 m×30 m的樣地（表1）。

表1 樣地基本信息Table 1 Basic information on the three plots

1.2 試驗設計與樣品采集

于2016年6月于四川省宜賓市高縣來復鎮國有林場（28°11′N、104°48′E）分別收集馬尾松、檫木、香樟以及香椿凋落葉，移除其中的新鮮葉片和已經開始分解的葉片，只保留新鮮的凋落葉。將凋落葉在室溫下風干2周后，稱取 (15.00±0.05) g凋落葉均勻地置于內部大小為20 cm×23 cm、上層面孔徑為3.00 mm、下層面孔徑為0.04 mm的尼龍網凋落葉分解袋中。按照混交林中主要樹種所占比例應≥60%的原則（陳代喜等，2015；呂樹英，2001），總共設置35個（4個單一處理+31個混合處理）凋落物組合（表2），共計945袋=35個處理×8個采樣時期×3個樣地+105（預防野外試驗過程中凋落分解袋遺失）。于2016年8月中旬將這些凋落袋小心轉移至預先設置好的3個野外樣地，將凋落葉分解袋隨機水平平鋪于樣地表面，分解袋之間距離為 2—5 cm，避免樣品之間相互干擾。采樣間隔時間為3個月，即分別在2016年11月、2017年2、5、8和11月和2018年2、5和8月采集凋落葉分解袋。每次從3個樣地內隨機采集每個處理凋落葉分解袋3袋，帶回室內去除凋落葉上附著的土壤、植物根系以及節肢動物后備用。

表2 試驗設計Table 2 Design of tests

1.3 樣品分析

將凋落葉置于65 ℃烘箱內干燥48 h后稱量得到凋落葉殘留質量。將其在磨粉機中充分粉碎并過0.25 mm篩子后備用。測定方法為：木質素和纖維素——改進的酸性洗滌法；總酚——福林酚比色法；縮合單寧——香草醛鹽酸法；全碳——重鉻酸鉀加熱法（GB 7657-8）；全氮——凱氏定氮法（LY/T 1269—1999）；磷——鉬銻抗比色法（LY/T 1270—1999）。

1.4 數據的統計和分析

凋落葉纖維素、總酚以及縮合單寧降解率：

其中：

R——當次纖維素、總酚以及縮合單寧降解率（%）；

mt——當次凋落葉殘留量（g），

m0——凋落葉初始質量（g），

wt——當次纖維素、總酚以及縮合單寧質量分數（g·kg-1）；

w0——纖維素、總酚以及縮合單寧初始質量分數（g·kg-1）。

通過計算該時期單一樹種凋落葉的纖維素、總酚以及縮合單寧的實際降解率（觀測值）與質量比例的加權平均數得出該時期混合凋落葉的纖維素、總酚以及縮合單寧的預期降解率（預期值）（Hoorens et al.，2003）：

式中：

A——樹種A凋落葉在實際分解過程中的降解率；

n1——樹種A凋落葉在混合凋落葉中的比例；

B——樹種B凋落葉在的實際分解過程中的降解率；

n2——樹種B凋落葉在混合落葉中的比例，依此類推。

混合凋落葉的纖維素、總酚以及縮合單寧降實際降解率偏離了凋落葉的纖維素、總酚以及縮合單寧預期降解率，表明發生了非加性效應（H?ttenschwiler，2005）。采用單因素方差分析（Oneway ANOVA）和Turkey法比較不同組合間的差異顯著性。用Levene’s法檢驗方差同質性，不滿足該假設的數據先進行對數轉化。根據α=0.05的獨立t檢驗確定纖維素、總酚以及縮合單寧降解率的觀測值和預期值間的差異。根據統計結果，將混合效應分為加性效應（觀測值和預期值之間沒有顯著差異）和非加性效應（觀測值和預期值之間有顯著差異）。其中，非加性效應又分為協同效應（觀測值-預期值＞0，且P＜0.05）和拮抗效應（觀測值-預期值＜0，且P＜0.05）。

采用偏最小二乘法（PLS）回歸分析凋落葉初始質量對凋落葉纖維素、總酚以及縮合單寧降解率的混合效應（觀測值-預期值）的相對重要性。模型中單個預測因子的相對重要性由重要性變量（VIP）估計，VIP＞1表示預測因子對因變量變化的顯著貢獻。所有統計分析均在SPSS 25.0中進行，圖表應用Excel和Origin軟件繪制。

2 結果和分析

2.1 凋落葉初始物質含量

由表3可知，馬尾松凋落葉的初始C含量、木質素含量、纖維素含量、總酚含量和縮合單寧含量、木質素/N及木質素/P均顯著高于檫木、香樟以及香椿凋落葉，C/N和C/P則顯著高于香樟和香椿。4個樹種之間，香椿凋落葉的N、P含量最高，檫木和香樟凋落葉次之，馬尾松凋落葉N、P含量最低，但4個樹種凋落葉之間的N/P并無顯著差異。

表3 凋落葉的初始質量特征Table 3 Initial quality characteristics of foliar litters

2.2 凋落葉纖維素、總酚以及縮合單寧降解率的混合效應

在每一個分解時期均觀察到混合處理凋落葉的纖維素降解率表現出非加性效應中的協同效應（觀測值-預期值＞0，且P＜0.05）（圖1）。其中在分解9個月（圖1c）和12個月（圖1d）協同效應較強，分別有74.19%和90.32%的混合凋落葉表現出協同效應。而在分解6個月（圖1b），混合凋落葉的協同效應最低，為6.45%（1/31）。其他5個時期，分別有45.16%（3個月，12/31）、12.90%（15個月，4/31）、32.26%（18個月，12/31），58.06%（21個月，18/31）以及41.94%（24個月，18/31）的混合處理表現出協同效應。而在分解3個月、6個月、15個月、18個月以及21個月后有3.23%—12.90%的混合處理表現出拮抗效應（觀測值-預期值＜0，且P＜0.05）。

圖1 31 種不同處理混合凋落葉不同分解時期纖維素降解率的相對混合效應（觀測值-預期值）Figure 1 Relative mixing effects of 31 different treatments on the degradation rate of cellulose in mixed litter at different decomposition stages (observed-expected)

在8次采樣期間，不同樹種凋落葉組合出現協同效應的頻率為：PST (58.33%，28/48)＞PS=PC (50.00%，12/24)＞PSCT (46.88%，15/32)＞PCT (43.75%，21/48)＞PSC (37.50%，18/48)＞PT (29.17%，7/24)。PSCT組合在分解3個月后，PST、PSC和PCT組合在分解9個月后以及PC、PST、PSC和PSCT組合在分解12個月后均表現出協同效應。其中，出現協同效應的頻率≥50%（4/8）分解時期有 PST622（6/8）、PST613（6/8）、PS64（5/8）、PSCT7111（5/8）、PST631（5/8）、PS73（4/8）、PST721（4/8）、PST712（4/8）、PSC721（4/8）、PSC613（4/8）、PCT721（4/8）、PCT712（4/8）、PCT613（5/8）以及PSCT6211（4/8）。

總酚降解率分解3個月就表現出加性效應中的協同效應（觀測值-預期值＞0，且P＜0.05）。在8次采樣期間，有45.16%—74.19%的混合凋落葉表現出協同效應。其中，在分解3個月（圖2a）、6個月（圖2b）和15個月（圖2e），大部分混合處理凋落葉表現出協同效應且協同效應最強（70.97%—77.42%）。此外，除了分解3個月和21個月（圖2g）外，其他6個分解時期有 3.23%—20.50%的混合處理表現出拮抗效應（觀測值-預期值＜0，且＜0.05）。8次采樣中，不同樹種組合的協同效應的頻率為：PSCT(96.88%，31/32)＞PC (87.50%，21/24)＞PCT (75.00%，36/48)＞PSC (66.67%，32/48)＞PST (52.08%，25/48)＞PS(16.67%，4/24)＞PT (4.17%，1/24)。

圖2 31種不同處理混合凋落葉不同分解時期總酚降解率的相對混合效應（觀測值-預期值）Figure 2 Relative mixing effects of 31 different treatments on the degradation rate of total phenol in mixed litter at different decomposition stages (observed-expected)

PST和PSCT組合在分解3個月，PCT和PSCT組合在分解6個月，PC、PCT和PSCT組合在分解9個月，PC、PSCT組合在12個月、15個月和24月，PC組合在分解18個月以及PSCT組合在分解21個月均表現出協同效應。在這些樹種組合中，出現協同效應的頻率≥75.00%（6/8）的處理有 PC64（8/8）、PCT721（8/8）、PSCT7111（8/8）、PSCT6121（8/8）、PSCT6112（8/8）、PC73（7/8）、PSCT6211（7/8）、PSC712（7/8）、PSC613（7/8）、PCT613（7/8）、PC82（6/8）、PST631（6/8）、PSC631（6/8）、PCT631（6/8）、PCT622（6/8）。

由圖3可知，在整個分解過程中，大部分混合處理（67.74%—96.77%）的縮合單寧降解率表現為協同效應（觀測值-預期值＞0，且P＜0.05）。在分解12個月后協同效應最強。在分解3個月（圖3a）以及分解12—21個月期間（圖3d—3g），有少數混合處理（3.23%—6.45%，1/31—2/31）表現出拮抗效應（觀測值-預期值＜0，且P＜0.05）。

圖3 31種不同處理混合凋落葉不同分解時期縮合單寧降解率的相對混合效應（觀測值-預期值）Figure 3 Relative mixing effects of 31 different treatments on the degradation rate of condensed tannins in mixed litter at different decomposition stages (observed-expected)

不同的樹種凋落葉組合在8次采樣期間出現協同效應的頻率為：PSCT (96.88%，31/32)＞ PSC=PST(95.83%，46/48)＞PS (83.33%，20/24)＞PCT (81.25%，39/48)＞PC (75.00%，18/24)＞PT (58.33%，14/24)。其中，除了 PT82（2/8）、PT73（4/7）和 PSC811（1/8）外，其他混合處理在大部分分解時期（＞4/8）均表現出協同效應，其中 PT64，PST721，PST631，PST622，PST613，PSC721，PSC622，PSC613，PCT631，PCT622，PST613，PSCT7111，PSCT6121和PSCT6112在所有分解時期均表現出協同效應。

2.3 凋落葉纖維素、總酚以及縮合單寧降解率的混合效應與初始質量PLS相關分析

變量重要性指標（VIP值）之間的差異用于表征凋落葉初始質量對纖維素、總酚及縮合單寧混合效應的解釋作用不同（圖 4）：凋落葉中纖維素降解的混合效應與初始總酚含量呈顯著正相關，與纖維素含量呈顯著負相關（圖4a）。凋落葉總酚降解的混合效應與初始 C含量、木質素含量、纖維素含量、總酚含量、單寧含量、C/N以及木質素/N表現出顯著負相關關系（圖4b）。凋落葉中縮合單寧降解的混合效應與初始C含量、纖維素含量、總酚含量、單寧含量、C/N以及木質素/N呈顯著負相關關系（圖4c）。

圖4 凋落葉初始化學性質與纖維素（a）、總酚（b）以及縮合單寧（c）混合效應的偏最小二乘回歸分析Figure 4 Results of the PLS regression analysis of initial chemical properties of litter and mixed effects of cellulose(a), total phenols (b) and condensed tannins (c)

3 結論和討論

3.1 討論

凋落物（也稱枯落物）是森林生態系統中的重要組成部分，一方面其通過自身分解影響森林生態系統能量轉換和物質循環，另一方面其通過自身養分元素的快速周轉間接調控森林生物量、總生產力（李志安等，2004）。凋落物的分解是一個十分復雜的過程，主要受到凋落物質量影響，常用養分含量或養分濃度來衡量凋落物質量，并用一些含碳化合物（單寧等）與N、P、K等的比值來表示（Hasey，1981；Melillo et al.，1982）。李偉英等（2014）研究發現，大多數針葉樹種可以產生不利于凋落物分解和養分回歸的化感物質，從而造成單一馬尾松人工林土壤養分匱乏、生產力降低。胥清利（2007）研究發現以楓香（Liquidambar formosana）和馬尾松構建混交林后，其凋落物產生了混合分解效應，加快了凋落物-土壤之間的養分轉化速率，土壤的供肥能力和保肥能力均有所提高。本研究中，馬尾松與3種闊葉混合分解過程中纖維素、總酚以及縮合單寧降解率在分解初期（分解3個月）時表現為非加性效應中的協同效應。纖維素降解率均在5月和8月協同效應有增強的趨勢。總酚和縮合單寧均在分解第2年5月最低，總酚均在11月和2月有較強的協同效應，縮合單寧在整個分解過程中有60%以上的處理表現為協同效應，在分解第1年8月最強。纖維素、總酚以及縮合單寧是凋落葉中較難分解的物質，除了總酚可以通過是物理淋溶作用被降解外，其余均需通過生物降解的方式而被降解（Domínquez et al.，1994），凋落葉分解前期纖維素可通過胞外酶水解作用水解為小分子碳水化合物而能被微生物吸收利用而被分解（Wang et al.，2013）。分解第一年（11月）是凋落葉分解的高峰期，此時混合凋落葉中具有養分含量較高的闊葉凋落葉，更有利于土壤動物的取食和微生物的生長和繁殖進而促進3種難降解物質的降解而表現出較強的協同效應；12—4月為冬季，低溫會影響土壤動物和微生物的生理性，使得分解者代謝水平的降低，土壤動物等分解者取食混合凋落葉的量會減少，減緩混合凋落葉機械破碎過程，與此同時與微生物的活動相關的分解酶的活性也會受到低溫的限制（張艷，2016），進而導致混合凋落葉的分解速率的降低。因此，分解6個月（2月）和9個月（5月）之后協同效應減弱。5月之后溫度升高，再加上冷熱交替加速闊葉養分的完全釋放使得土壤動物和微生物活性增強有利于難分解物質的降解，這可能是分解12個月（8月）協調效應最強的原因。分解第2年因闊葉凋落葉養分如香椿的完全分解以及前期分解形成的有利微環境條件，當第 2年 11月、5月和8月環境溫度適宜時，更有利于微生物對纖維素、總酚和縮合單寧的降解，協同效應又開始增強。因實驗區域屬于典型亞熱帶季風氣候區域，有著冬季和春季干冷少雨的特征，所以總酚通過淋溶作用降解貢獻很小以致總酚表現為與纖維素和縮合單寧不一致的規律，即在分解6—12個月（2—8月）時期協同效應減弱。

凋落物的非加性效應通常是通過t檢驗來確定的（Mao et al.，2012），即觀測值（實際測量值）與預期值（通過單一凋落物換算而來的值）之間具有顯著差異則表明存在非加性效應。其中，若觀測值顯著高于預期值為協同效應；反之，則為拮抗效應。本研究發現，在所有混合處理中，PC組合的纖維素和總酚降解率，PSCT組合和PS組合的總酚和單寧降解率，PST組合的纖維素和單寧降解率出現協同效應的頻率較高。31個混合處理中，PSCT7111、PSCT6211、PST631、PSC613、PCT721、PCT613的纖維素、總酚以及縮合單寧降解率在≥50%（4/8）的分解實驗時期均表現出協同效應。而PT組合的纖維素、總酚以及縮合單寧降解率的協同效應均較弱。偏最小二乘回歸分析（PLS）發現，纖維素降解混合效應與凋落葉初始纖維素濃度表現出顯著負相關關系，與初始總酚含量表現出正相關關系。縮合單寧降解混合效應與初始C量、纖維素含量、總酚含量、單寧含量、C/N以及木質素/N表現出顯著負相關關系。總酚降解混合效應與初始C含量、木質素含量、纖維素含量、總酚含量、單寧含量、C/N以及木質素/N表現出顯著負相關關系。這與一些研究結果相似（路穎，2020；劉莎茜等，2021），即凋落物的分解速率與初始C含量、木質素含量、纖維素含量等呈負相關。本研究中，PSCT7111、PSCT6211、PST631、PSC613、PCT721、PCT613的纖維素、總酚以及縮合單寧降解率的協同效應較強，這些處理的闊葉占比均≥30%，且含有2—3個闊葉樹種。這是因為混合凋落物中的不同樹種凋落物之間存在著養分含量差異，高質量凋落物（初始C、木質素等難分解組分含量較低）在分解過程中快速分解，從而提高低質量凋落物的養分有效性，加快低質量凋落物的物質釋放速率，進而加快整個混合凋落物的分解進程（李宜濃等，2016）。其次，本研究將馬尾松與多種闊葉樹種凋落物組合后，增加了凋落物多樣性，豐富的凋落物種類為土壤動物提供了豐富的養分來源（N、P等），促進了凋落物中物質的降解。馬尾松占比較大的組合，其初始木質素和纖維素含量較高，而木質素在凋落物分解中被認為是一種難降解物質（黃錦學等，2010；劉瑞鵬等，2013），木質素含量或木質素/N越高，凋落葉分解速率越慢（杜婷等，2021；張艷等，2021；李勛等，2022）。因此，這些馬尾松占比較低的混合處理（比如PSCT7111、PSCT6211、PST631、PSC613、PCT721、PCT613）中，纖維素等物質的觀測值-預期值更大，即協同效應更強。本研究中，PT組合對纖維素、總酚以及縮合單寧降解的協同效應較弱。然而，香椿凋落葉中這幾種物質的含量較低，且相關分析也表明，兩者之間為負相關關系。這可能是因為香椿凋落葉分解速率較快（張艷等，2022），養分釋放也很快，導致在分解中后期PT組合的N、P等低于其他組合，而不利于該時期PT組合纖維素等物質的降解。

3.2 結論

作為凋落物的主要組成部分之一，纖維素、總酚以及縮合單寧不僅是森林生態系統中重要的物質構成，同時也調控凋落物的分解過程。馬尾松與鄉土闊葉樹種混合分解后，SCT7111、PSCT6211、PST631、PSC613、PCT721、PCT613混合處理中，纖維素、總酚以及縮合單寧降解的協同效應較強，表明凋落物的物種多樣性和混合比例對纖維素等的降解均具有顯著影響。在馬尾松人工林改造過程中，可將檫木、香樟和香椿作為伴生樹種，設置適當的混合比例，從而促進凋落葉中纖維素、總酚以及縮合單寧的降解。由于本研究篩選出的混合效應較強的處理是凋落葉之間的比例，而不是樹種之間的株數比，因此在后期造林時，可根據造林目的結合造林密度以及不同樹種的年凋落量進行換算。