不同水分条件下杨树-玉米复合系统凋落物分解特性
时间：2022-12-10 08:45:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
解婷婷,单立山,张 鹏
甘肃农业大学林学院,兰州 730070
凋落物是生态系统的重要组成部分,是联系生产者和分解者的纽带。凋落物分解是碳(C)和养分在植物、土壤、大气循环的主要过程之一[1]。凋落物的分解主要受环境因素、凋落物基质和分解者的组成与活性这三个因素的影响。近年来随着全球气候变化的加剧以及人类活动的增强,研究环境因素变化对凋落物分解的影响已成为近代生态学研究中的热点问题[2],在这些环境因素中,降水的影响日益引起生态学家的关注[3—4]。因为,降水变化可显著影响生态系统水热条件以及土壤生物群落[5—6],进而改变了凋落物的分解速率和分解过程,最终又会影响全球的碳循环和营养转换[7]。因此,探究水分变化对凋落物分解的影响具有重要意义。
降水及土壤水分是影响陆地生态系统物质周转的重要环境要素,对凋落物分解及相关的植被分布、微生物活性与数量等生物因素起着控制作用。有研究表明在热带及温带的部分生态系统中,生长季降水增加使土壤形成嫌气环境,导致凋落物分解速率降低[8],而部分生态系统降水增加也可以使微生物丰富度和活性增加,促进凋落物的分解[9],但干旱生态系统中夏季增雨对短命植物的凋落物分解却无显著影响[10]。同时Schuster[11]的研究发现生长季增加降雨降低了北美小须芒草(Schizachyriumscoparium) 凋落物的分解速率,但加拿大一枝黄花(Solidagocanadensis)凋落物的分解速率却增加。总得来说,降水量、降水分配的季节性变化对凋落物不同分解阶段的影响在不同区域、不同生态系统之间存在一定差异,且存在一定的时滞性。
农林复合系统是一个多组成、多功能、多目标的综合性生态体系,其结构对系统的输入、生物群落的组织和活性、养分利用效率、系统养分和能量平衡等有重要影响[12]。目前,关于农林复合系统的研究主要集中在固碳潜力[13—14]、作物产量[15]和土壤蒸发[16]等方面,但却忽略了农林复合系统内林木在其自身生长过程中,会产生大量的凋落物,而这些凋落物对于加快农林复合系统的物质与能量循环具有重要作用。而绿洲农林复合系统是干旱区一个重要的生态系统,系统中作物的生长主要依赖于灌溉,而水分的多少势必会对农林复合系统中凋落物的分解产生影响。本研究以河西走廊常见的杨树-玉米农林复合系统内凋落物为研究对象,拟回答以下科学问题：(1)不同水分条件对杨树叶和玉米秸秆的质量残留率和养分含量有何影响？(2)不同水分条件下杨树叶和玉米秸秆的分解特性是否一致？研究结果可为干旱区水分管理提供一定的建议,同时也可以为干旱区农林复合系统内的养分循环研究提供一定的基础资料。
1材料与方法1.1研究区概况
研究区位于黑河中游甘肃省临泽县平川镇境内具有代表性的荒漠绿洲农田,以黑河水为灌溉水源,外围与巴丹吉林沙漠南部边缘相接,为典型的沙漠绿洲。年均气温7.6℃,多年平均降水量116.8 mm,年蒸发量2390 mm,无霜期165 d,主风向为西北风,风沙活动主要集中在3—5月,属于干旱荒漠气候类型。选择该区域作为研究区的主要原因是该区域农田防护林起步较早,到目前为止,农田林网保存面积5.16万公顷,四旁植树2129万株,保护着31万公顷农田,占河西地区农田灌溉面积63.3%,基本形成了带、片、网相结合的绿洲灌溉农业防护林体系,为绿洲农业生产提供有力保障。
1.2 试验设计
本试验在研究区内选取面积为1320 m2的杨树-玉米复合系统(中心点地理位置：39°20′N, 100°07′E),东西两边由株距2.0 m,南北两边由株距4.0 m的20年生杨树(二白杨Populusgansuensis)构成的防护林带。杨树平均树高13 m,平均胸径0.3 m。试验选择了杨树叶(PL)和玉米秸秆(MS)(包括茎和叶片)2种不同类型凋落物为分解材料,设置3种水分条件,分别是正常水分(9200 m3/hm2),根据调查与统计当地制种玉米一个生长季内的灌水量而制定),轻度干旱胁迫(减少15%,7800 m3/hm2),中度干旱胁迫(减少30%,6400 m3/hm2),共3个处理,每个处理重复3次。在整个试验样地内,随机布置9块面积为7 m×8 m的小区,将2种不同类型凋落物布置在同一小区内,为了消除小区之间的侧向水分渗漏,各小区东西和南北方向设置3—4 m走廊。玉米整个生育期灌水次数8次,水源为附近井水,首先将井水引入渠道,然后用塑料管及水泵将渠道水灌入田间,用水表进行计量。
1.3 凋落物的收集与处理
玉米秸秆在九月下旬玉米收获后收集,同时利用悬挂在杨树-玉米复合系统中的网袋收集杨树的新鲜落叶,然后带回实验室自然风干至恒重后,将杨树叶和玉米秸秆分别切成3 cm长的碎片,分别将杨树叶和玉米秸秆各50 g装入20 cm×20 cm的聚乙烯分解袋(1 m网目)中。第二年3月份在作物开始播种前,将两种凋落物各7袋布置在小区内,同时用铁丝固定在土壤表面。
1.4 测定指标及方法
1.4.1凋落物剩余质量测定
由于玉米收获时停止灌溉,因此,凋落物的取样时间分别是凋落物分解后的60、80、90、105、120、140、164 d(每次灌水后第3天取样),取样时从每个小区内取回两种凋落物各一袋,整个试验期间共收集3(水分处理)×2(凋落物类型)×3(重复)×7(取样次数)=126个凋落物袋。每次取样后小心去除凋落物表面的土壤与其他杂物,然后将剩余的凋落物在70°C下烘干48 h,称量并计算凋落物质量残留率和分解速率。凋落物质量残留率(Lt)的计算公式分别为:
式中,M0为初始凋落物干重,Mt为t时间凋落物袋中凋落物的干重。
同时,利用 Olson[17]指数衰减模型对凋落物的质量残留率进行拟合,即
y=ae-kt
式中,y为质量残留率(%)；
a为拟合系数；
k为分解系数；
t为分解时间。
1.4.2凋落物养分的测定
于凋落物分解105、140、164 d后,将每种烘干后的凋落物进行研磨,并过100目筛网后进行化学成分的分析,采用凯氏定氮法测定总氮浓度。养分元素残留率(LN)的计算公式分别为:
式中,N0为初始养分含量(g),Nt为t时刻的养分含量(g)。
1.4.3土壤含水量和土壤温度的测定
每次于凋落物取样时(60、80、90、105、120、140、164 d),在每个样地内用内径5 cm的土钻,钻取0—10 cm的土壤,采用重量法测定土壤含水量。土壤温度由温度传感器(Delta-TDevice, Cambridge, UK)在同一时间进行测量记录。
1.5 数据处理
运用SPSS软件中的T检验分析了初始养分含量之间的差异显著性,以重复测量方差分析检验分解时间和水分处理及交互效应对质量残留率的显著性影响,运用最小显著性(LSD)法检验凋落物分解过程中不同水分处理间凋落物质量残留率的差异显著性；
运用相关性分析方法检验质量残留与氮(N)含量之间的相关性,同时应用指数回归计算凋落物质量残留率与分解时间的回归方程,用Origin作图。
2.1 不同类型凋落物的初始养分含量
由表1可以看出,不同类型凋落物初始化学成分存在显著差异,玉米秸秆的N、C和磷(P)的初始含量均显著高于杨树叶(P<0.05),分别高出23.6%、5.9%、58.3%；
而杨树叶的C/N和C/P均显著高于玉米秸秆(P<0.05),分别高出16.6%、72.7%。
表1 凋落物的初始化学组成(平均值±标准偏差)
2.2 不同水分条件下的土壤含水量与土壤温度
由图1可以看出,正常水分条件下的土壤含水量最高,其均值为15.4%,中度水分条件下最低,其均值为12.9%。方差分析表明：不同时期,3种水分条件下土壤含水量均存在显著差异(除分解80 d时正常水分与轻度水分胁迫无差异外)(P<0.05)。对于土壤温度而言,中度水分条件下最高,其均值为22.3 ℃,正常水分条件下最低,其均值为20.6 ℃。方差分析表明：除分解60、90、120 d时轻度水分胁迫和中度水分胁迫无差异外(P>0.05),其他时间,3种水分条件下土壤温度均存在显著差异(P<0.05)。
图1 不同水分条件下土壤含水量和土壤温度的变化Fig.1 Changes in soil water content and soil temperature under different water conditions同一分解时间段不同小写字母表示不同水分处理间具有显著差异(P<0.05)
2.3 不同水分条件下凋落物的质量残留率
由表2可以看出,水分和时间对各类型凋落物的质量残留率均有极显著的影响(P<0.001),但二者的交互影响不显著(P>0.05)。不同分解时期,两种类型凋落物的质量残留率均随着水分的降低而增加,经过164 d分解后,3种水分条件下杨树叶凋落物的质量残留率分别为70.43%、73.87%和77.49%；
玉米的分别为63.55%、66.35%和68.29%(图2),方差分析表明：3种水分条件下,杨树叶的质量残留率均存在显著差异(P<0.05),而玉米秸秆轻度干旱胁迫和中度干旱胁迫不存在显著差异(P>0.05)。对于同一水分条件不同凋落物而言,质量残留率表现为：杨树叶凋落物>玉米秸秆凋落物。
表2 凋落物质量残留率的ANOVA结果
图2 不同水分条件下凋落物质量残留率的变化Fig.2 Changes in litter mass residual rate under different moisture conditions
从表3可以看出,随着水分的减少,同一凋落物的分解速率也降低,日平均损失量也表现出同等差异性。方差分析表明：对于玉米秸秆而言,3种水分条件下的分解速率存在显著差异(P<0.05),而杨树叶在中度干旱胁迫下分解速率显著降低(P<0.05),轻度干旱胁迫下的分解速率与对照差异不显著(P>0.05)。同一水分条件下,玉米秸秆的分解速率大于杨树叶的分解速率；
且负指数方程能较好的拟合不同凋落物的质量残留率,其决定系数R2均在0.90以上(表3)。
表3 凋落物质量残留率的负指数方程
2.4 不同水分条件下凋落物的氮残留率变化
从表4可以看出,分解时间与水分处理对玉米秸秆和杨树叶凋落物N的残留率影响极显著(P<0.001),但二者交互作用对两种类型的凋落物N残留率均无显著影响(P>0.05)。从图3可以看出,随着分解时间的增加,不同水分条件下两种类型凋落物的N残留率均逐渐减少,这说明在分解的这段时间内两种凋落物的N含量均表现为释放状态。经过164 d的分解,玉米秸秆凋落物N残留率最小,说明玉米秸秆在分解过程中N的释放量大于杨树叶；
同时,在同一分解时间点,随水分的减少,两种凋落物的N残留率呈增加趋势,这说明水分的减少限制了两种凋落物N的释放。方差分析表明：在经过164 d分解后,不同水分条件下同一凋落物的N残留率存在显著差异(P<0.05)。相关分析表明,不同水分处理两种凋落物的质量残留率与N残留率显著正相关(图4)。
表4 凋落物N残留率的ANOVA结果
图3 不同水分处理下凋落物氮(N)的残留率Fig.3 The residual rate of litter N under different water treatments ***表示 P<0.001; ns表示 P>0.05
图4 不同处理下凋落物质量残留率与N残留率的关系Fig.4 The relationship between the residual rate of litter mass and the residual rate of N under different treatmentsr1、r2和r3分别表示对照、轻度干旱和中度干旱处理下线性回归拟合结果的相关系数(*表示P< 0.05; **表示P< 0.01)
3.1 水分变化对不同类型凋落物质量残留率的影响
在干旱和半干旱区,气候因子通过影响分解者的活性和新陈代谢,对凋落物的分解产生显著影响[18—19]。其中水分和温度条件是影响凋落物分解过程的重要气候因子[20—21],有研究学者在奇瓦瓦沙漠进行水分的去除和添加实验发现,只有干旱处理影响了凋落物的分解速率,而水分添加对凋落物分解的影响却不显著[22—23],这就表明干旱区水分亏缺对凋落物的分解有显著影响。但李雪峰等[24]的研究发现,降水减少的情况下,蒙古栎叶凋落物的分解速率增大,原因是降水量减少使得蒙古栎叶凋落物的初始N、P、钾(K)浓度显著升高,初始木质素浓度显著降低,进而导致分解速率的增大。本研究发现干旱胁迫显著降低了两种凋落物的质量损失率和分解速率,原因可能是在干旱胁迫条件下,土壤含水量显著降低,土壤温度显著提高,这使得干旱区微生物活动受到了抑制,从而两种凋落物的分解速率减慢,这与Fioretto等[25]和叶贺等[26]研究结果一致。
凋落物的分解与凋落物的养分含量(比如: N含量、C/N)、木质素含量、木质素/N密切相关[27—29]。众多研究发现[30],凋落物中各种营养元素的初始含量差异显著,其中,叶和茎的分解速率与凋落物初始N和P含量呈显著正相关关系,与K含量以及C/N呈显著负相关关系。林开敏等[31]研究发现,杉木、楠木和木荷叶三种凋落物中,木荷叶凋落物的分解速率最快,是因为木荷叶凋落物的初始N含量较高,但其C/N比则远低于楠木和杉木叶。本研究发现不同类型凋落物在同一水分处理下的分解速率各异,表现为玉米秸秆大于杨树叶,这可能与玉米秸秆凋落物的初始N含量较高, 但C/N比则低于杨树叶凋落物有关,这一结果也印证了之前诸多研究的结果[32]。
3.2 水分变化对凋落物养分含量的影响
凋落物分解过程中不同养分的释放主要存在直接释放、淋溶-释放、淋溶-释放-富集、富集-释放等模式[33],且各化学元素的含量变化及释放特征,会因凋落物质量、气候地理条件的不同而呈现出较大的差异[34]。在众多影响因子中水分条件起着关键作用,其变化会影响植物的生理代谢过程导致凋落物内化学物质浓度发生变化,然后改变生态系统中养分释放和分解者吸收之间的平衡[30]。罗雪萍[35]研究得出,高寒草甸植物群落凋落物的总碳含量总体表现为释放,其残留率随着分解时间而明显降低,但减雨90%处理能一定程度抑制凋落物总碳的释放。Wang等[36]研究发现,降雨增加促进冰草和克氏针茅凋落物中氮的释放；
但也有研究[11]发现,降雨增加却促进了北美小须芒草(Schizachyriumscoparium)凋落物中氮的固定。本研究得出,不同水分条件下,两种凋落物的N含量均呈现释放特征,并且初始氮含量较高的玉米秸秆凋落物,其N残留率越低,这与Ball等[37]的研究结果相一致。且随着水分的减少,两种凋落物的N残留率均增加,这说明水分限制凋落物中氮素的释放,这一研究结果与凋落物的分解速率相一致,这主要是因为水分减少能改变凋落物中微生物的活性和数量,进而降低了凋落物的分解速率和养分释放[38],所以对氮元素的分解产生了抑制作用。
本研究发现,随着干旱胁迫的加剧,两种凋落物的质量残留率均增加,而分解速率降低；
对于不同凋落物而言,同一水分条件下玉米秸秆的分解速率显著高于杨树叶的分解速率。不同水分条件下,玉米秸秆和杨树叶的N均呈现为释放模式,并且随着水分的降低,N的残留率增加,这说明干旱限制了两种凋落物的N释放；
同时初始养分含量较高的玉米秸秆凋落物的N残留率低于杨树叶。但关于干旱胁迫下农林复合系统内凋落物分解速率降低的机理仍有待深入的研究。
