不同林龄刺槐林地凋落物分解及养分释放对氮沉降的响应差异

张晓曦， 胡嘉伟， 王丽洁， 米皓皓， 回虹燕， 李利平

(1. 延安大学生命科学学院， 陕西 延安 716000； 2. 长沙理工大学城南学院， 湖南 长沙 410076)

凋落物作为联系植被和土壤间物质循环的关键纽带，其能否顺利分解直接影响生态系统的物质循环功能和可持续性[1-2]。近年来，随着人类活动对自然环境的干扰程度急剧增加，各类生态系统中的凋落物分解过程受到广泛关注[3-5]。其中，大气氮沉降可能会通过控制凋落物分解速率的多个因子(如凋落物自身的化学特性、分解者群落特性和酶活性以及土壤养分环境)影响凋落物的分解[1，6-8]。

对现有研究的综述性回顾和荟萃分析结果表明：氮沉降对凋落物分解可能会产生抑制、无影响或促进等多种结果[9-11]。除氮沉降水平、氮素形态和土壤环境的差异外，不同研究中凋落物自身化学特性的差异也是导致前述结果的重要因子之一。例如：C/N比以及木质素和酚类含量较高的凋落物能够与环境中氮素结合形成难降解的复合物，在同等氮沉降处理下其分解更易受到抑制[8，12]；而较之单种凋落物，多种凋落物的混合分解可能会放大氮沉降的抑制效应[13]。然而，现有研究主要是通过简单分析氮沉降对数种凋落物分解过程的影响，从而探讨凋落物化学特性改变对氮沉降生态效应的调控作用，其采用的凋落物往往来源于同一演替阶段的植被或同一群落。而在自然界中，植被变化引起的凋落物特性改变必然与长期氮沉降过程同步发生。因此，长期尺度上植被凋落物化学特性改变是如何影响其分解对氮沉降的响应尚需进一步研究。

刺槐(RobiniapseudoacaciaLinn.)是黄土高原人工造林时广泛采用的树种，在固持水土和改善当地受损生态环境中发挥了十分重要的作用。在林龄增加过程中，林地土壤养分供应能力、刺槐自身养分吸收特性的改变以及林下植被的演替可能导致不同林龄刺槐林地凋落物的化学特性显著改变[14]。同时，化石燃料和化学肥料消费的快速增加使黄土高原地区的氮沉降量显著提升[15-16]。在此背景下，研究不同林龄刺槐林地凋落物的分解和养分释放对氮沉降响应的差异，有助于明确该生态林的物质循环功能及其稳定性和可持续性对长期环境变化的响应趋势。鉴于此，本研究以林龄10～43 a林地的刺槐及其林下主要草本植物的混合凋落物为研究对象，使用微生物接种法在室内模拟氮沉降条件下进行分解试验。在剥离分解环境和分解者差异以及随机干扰的条件下，研究刺槐林林龄增加过程中凋落物的化学特性变化以及该变化是否影响凋落物分解和养分释放过程对氮沉降的响应。以期进一步理解氮沉降对森林生态系统养分循环的长期影响，并为营林管理措施的制定提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料

供试凋落物采自延安市安塞区纸坊沟流域(东经109°19′23″、北纬36°51′30″，海拔1 030～1 407 m)。采样地为典型黄土高原丘陵区，属暖温带半干旱气候，年均降水量549.1 mm，且降水多集中于6月至9月，年均气温8.8 ℃。土壤类型以黄绵土为主，分布有大面积的刺槐和沙棘(HippophaerhamnoidesLinn.)等人工林以及白刺花〔Sophoradavidii(Franch.) Skeels〕、白莲蒿(ArtemisiastechmannianaBess.)、黄花蒿(ArtemisiaannuaLinn.)和狗尾草〔Setariaviridis(Linn.) Beauv.〕等灌木和草本植物。

于2020年秋末，在研究区选择立地条件相似、林龄为10、20、33和43 a的刺槐人工林。每种林下随机设置5个面积4 m×4 m的凋落物收集网，打击树枝收集衰老即将凋落的刺槐叶片，分别混合均匀，去除树枝等杂物后在65 ℃下烘干至恒质量。同时，收集各林地主要林下草本植物枯死的地上部分，分别去除杂物后同样烘干至恒质量。随后，依据现场调查的各林龄林地地表刺槐和主要林下植物凋落物质量比的近似值，将各林龄林地的刺槐和草本植物凋落物制成混合物，置入瓶盖嵌有透气膜的塑料组培瓶(底部直径10 cm)中，各瓶混合物均单独制备，每瓶5.00 g，4种混合凋落物分别制备30瓶，共计120瓶。供试刺槐林基本信息及混合凋落物组成见表1。

表1 供试刺槐林基本信息及混合凋落物组成

依据文献[17]中的方法，采用土壤微生物接种方式模拟分解环境，以避免在后续测定中受到附着土壤颗粒或有机质组分的干扰，并排除因微生物长期适应林地凋落物而产生的“主场效应”的干扰。接种用微生物来自安塞区无林荒地。具体方法为：在研究区选择远离采样林地的无林荒地，随机设置10个采样点，收集每个采样点的表层(0～10 cm)土壤，混合均匀，取10 g鲜样与1 kg灭菌蒸馏水混合制成悬浊液，震荡15 min后静置，将上清液作为微生物接种液。在制备的凋落物中，用灭菌喷壶统一喷入5.00 g接种液，在此过程中使用灭菌工具翻动凋落物，使其与接种液充分接触。处理完成后封盖，使用电子天平(精度0.01 g)称量每瓶质量，静置1周后凋落物达到相对湿润而瓶底无明显积水状态，再次称量每瓶质量，确定所有组培瓶内的凋落物失水率一致后，开展模拟氮沉降处理和分解试验。

1.2 方法

1.2.1 模拟氮沉降与凋落物分解试验 考虑到近年来氮沉降量的增速开始减缓、甚至基本停滞[18]，本文仅研究在持续较高水平氮沉降下，林龄增加导致的凋落物化学特性改变如何影响其分解对氮沉降的响应。因此，氮沉降水平选取当地氮沉降研究中通常采用的最大值(12 g·m-2·a-1)[16]。依据文献[19]对当地沉降的氮素形态及各形态氮质量比的研究结果，以硝酸铵(NH4NO3)作为无机氮(硝态氮和铵态氮)来源、以尿素〔CO(NH2)2〕和甘氨酸(NH2CH2COOH)作为有机氮来源，形成混合氮化合物。折算后，三者提供的纯氮质量分数分别为70%、15%和15%。

将接种微生物后的每种凋落物随机分为2组，每组15瓶。随后，将各组中每5瓶使用胶带连接，形成3份，用于模拟3个独立的分解过程(即3个重复)。处理完成后，一组凋落物接受模拟氮沉降处理，具体方式为：在试验开始(0 d)及分解30、60、90和120 d时，向每个组培瓶中均匀喷入5 mL灭菌氮素溶液(每升含3.2 g硝酸铵、0.51 g尿素和1.28 g甘氨酸，纯氮的质量浓度为1.60 g·L-1，溶液质量基本与7～10 d的蒸发量持平)。其余试验时段内，每隔7～10 d称量1次组培瓶质量，并根据质量损失喷入等质量灭菌蒸馏水。依据氮素浓度、氮素处理频率以及组培瓶底面积计算，处理后氮沉降水平为12 g·m-2·a-1。采用上述方法，将凋落物在室温(20 ℃～25 ℃)、恒湿、避光条件下分解150 d后终止试验。另一组凋落物用于模拟无氮沉降条件下的分解试验，将前述处理中所有的氮素溶液替换为等质量灭菌蒸馏水，其余处理均与前述保持一致。

1.2.2 指标测定 试验过程中，分别在分解30、60、90、120和150 d回收凋落物。每次回收时，在每组3份凋落物中各随机选择1瓶取出凋落物。取出瓶内所有的凋落物分解残留物，去除表面杂物(如明显的菌丝体等)，在65 ℃下烘干至恒质量，记录残留物质量后干燥避光封存。所有回收完成后，将分解残留物分别粉碎后过1 mm筛，使用重铬酸钾外加热法[20]34-35测定C含量，使用靛酚蓝比色法[20]264-267测定N含量，采用钒钼黄比色法测定[20]270P含量，使用FOSS Fibertec纤维分析仪(丹麦FOSS公司)测定木质素含量，使用福林酚比色法[21]测定多酚含量，使用香草醛-盐酸比色法[22]测定缩合单宁含量。

1.3 数据处理

基于测得的不同林龄林地中主要植物凋落物的基质质量指标(含C、N、P和难分解物质含量，以及据此计算的化学计量比)和每种凋落物在林地凋落物中的质量分数，使用FDiversity软件计算各林龄林地凋落物基质质量指标的群落权重均值和功能多样性指标(包括功能丰富度指数和功能分散性指数)，以表征林地凋落物的总体基质质量和化学多样性。

计算每次回收时4种凋落物的质量残留率(R)，使用Olson模型拟合凋落物的分解过程，计算公式为R=mt/m0=e-kt，式中，mt为t时刻的凋落物残留质量，m0为凋落物的初始质量，e为自然对数的底，k为凋落物的年分解速率，t为分解时间；并且据此计算k、分解前50%所需时间(t0.5)、分解95%所需时间(t0.95，视为完全分解所需时间)以及分解后50%所需时间(tl0.5)，t0.5和tl0.5的计算公式分别为t0.5=-ln0.5/k和tl0.5=-ln0.05/k+ln0.5/k[23]。

使用IBM SPSS 23.0软件对凋落物分解和养分释放过程做三因素(分解时间、氮沉降水平和林龄)重复测量方差分析，同时对同一时间的上述指标做单因素(林龄)方差分析，多重比较采用LSD(最小显著差)法。对同种凋落物在无氮沉降和12 g·m-2·a-1氮沉降条件下的分解参数做独立样本t检验。对凋落物在不同处理条件下的分解参数做双因素(氮沉降水平和林龄)方差分析。使用SigmaPlot 14.5软件绘图。

2 结果和分析

2.1 林龄增加过程中凋落物化学特性的变化

不同林龄刺槐林地凋落物的基质质量和化学多样性的变化见表2。结果显示：总体上看，刺槐林地凋落物的C、N和P含量随林龄增加呈升高趋势，而木质素、多酚和缩合单宁含量则呈降低趋势。林龄33和43 a林地凋落物的C含量、林龄20和43 a林地凋落物的N含量以及林龄20～43 a林地凋落物的P含量均显著(P<0.05)高于林龄10 a林地凋落物，而林龄43 a林地凋落物的木质素含量、林龄20～43 a林地凋落物的多酚含量以及林龄33和43 a林地凋落物的缩合单宁含量均显著低于林龄10 a林地凋落物；化学计量比指标中，林地凋落物的C/N比、C/P

表2 不同林龄刺槐林地凋落物的基质质量和化学多样性的变化

1)同列不同小写字母表示不同林龄林地凋落物间差异显著(P<0.05)Different lowercases in the same column indicate the significant (P<0.05) difference among litters from plantations with different stand ages.

比和木质素/N比随林龄增加均呈“降低—升高—降低”趋势，但林龄43 a林地凋落物的上述指标均显著低于林龄10～33 a林地凋落物。就化学多样性而言，林龄33和43 a林地凋落物的功能丰富度指数和功能分散性指数显著低于林龄10和20 a林地凋落物。表明随林龄增加，林地凋落物的基质质量总体呈优化趋势，而其化学丰富度和分异性则呈降低趋势。

2.2 不同林龄林地凋落物分解对氮沉降的响应差异

不同林龄刺槐林地凋落物分解参数的方差分析见表3。结果显示：不同林龄林地凋落物分解对氮沉降的响应存在明显差异。其中，12 g·m-2·a-1氮沉降处理下，林龄10～33 a林地凋落物的k值显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)减小、而分解前50%所需时间和分解后50%所需时间显著或极显著延长，反映出凋落物总体和前、后半程分解在氮沉降处理下均受到显著抑制，而林龄43 a林地凋落物的分解未受氮沉降的影响。

表3 不同林龄刺槐林地凋落物分解参数的方差分析

双因素方差分析结果(表4)表明：氮沉降水平和林龄均对凋落物的年分解速率以及分解前50%所需时间和分解后50%所需时间具有显著影响，并且对后者的影响达到极显著水平，但两者间不存在显著的交互作用。

表4 不同林龄刺槐林地凋落物分解参数的双因素方差分析

2.3 不同林龄林地凋落物养分释放对氮沉降的响应差异

氮沉降对不同林龄刺槐林地凋落物C、N和P释放的影响见图1，进一步的三因素重复方差分析结果见表5。由图1可见：与分解相似，不同林龄林地凋落物的养分释放对氮沉降的响应同样存在明显差异，且主要体现在分解试验后期。其中，林龄10和20 a林地凋落物的C释放未受氮沉降影响，而林龄33和43 a林地凋落物的C释放则在分解150 d受到显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)抑制；林龄10 a林地凋落物的N释放在分解90和120 d受到显著抑制，林龄20 a林地凋落物的N释放则在分解60 d受到显著促进、在分解120和150 d转变为受到极显著抑制，而林龄33和43 a林地凋落物的N释放则未受氮沉降影响；林龄10和43 a林地凋落物的P释放分别在分解90以及120和150 d受到显著或极显著抑制，而林龄20和33 a林地凋落物的P释放则均在分解120 d受到极显著促进。

： 无氮沉降处理 Treatment without nitrogen deposition； ： 12 g·m-2·a-1氮沉降处理 Treatment with 12 g·m-2·a-1 nitrogen deposition.

表5 不同林龄刺槐林地凋落物C、N和P残留率的三因素重复测量方差分析

由表5可见：分解时间和氮沉降水平以及两者的交互作用、氮沉降水平和林龄的交互作用均对凋落物的C、N和P释放具有显著或极显著影响，三者的交互作用仅对凋落物的N和P释放具有极显著影响，而林龄对凋落物的C、N和P释放未表现出显著影响。

3 讨 论

本研究结果表明：随林龄增加，刺槐林地凋落物的化学特性总体呈现有利于分解的变化趋势，这与马文济等[24]和何斌等[25]的研究结果类似，而与Pradisty等[26]和Cortez等[27]的研究结果相反。原因可能是本研究中刺槐的快速生长使其对N和P(合成蛋白质、核酸和磷脂的关键元素)的需求持续增加，导致叶片N和P含量提高，而C/N比和C/P比有所降低(在林龄43 a刺槐凋落叶中的N和P含量较林龄10 a刺槐凋落叶分别提高66.67%和29.97%，而C/N比和C/P比分别降低31.32%和11.37%，另文发表)。同时，由于成熟林生长旺盛，且随其生长对病虫害的物理抵抗能力提高，导致其对单宁等保护性物质合成的投入逐渐减少[28]，进一步提高了凋落物的可分解性(在林龄43 a刺槐凋落叶中，木质素、多酚和缩合单宁含量较林龄10 a刺槐凋落叶分别降低57.89%、37.58%和58.17%，另文发表)。与此同时，随刺槐林的林下植物发生演替，小花鬼针草(BidensparvifloraWilld.)和狗尾草凋落物在林地凋落物中的比例相对降低，被N和P含量更高、难分解物质含量更低的野菊(ChrysanthemumindicumLinn.)或针茅(StipacapillataLinn.)凋落物部分替代(野菊和针茅凋落物的N和P含量约为前2种凋落物的1.22～5.42倍，而木质素和多酚含量仅为前2种凋落物的39.90%～65.82%，另文发表)。上述变化也进一步影响了刺槐林地凋落物养分和分解抑制物的总体含量，使其向着更有利分解的方向改变。

本研究结果表明：与质量损失过程不同，氮沉降对凋落物养分释放的影响普遍局限于分解后期，这与前人关于氮沉降的抑制效应随分解加强的研究结果相似[8]。原因可能是在凋落物分解前期，水溶性组分的淋失以及易利用组分的生物降解主要受物理作用影响和细菌控制，受氮沉降的影响较小，其分解速率甚至因相关酶(如脲酶、磷酸酶和N-乙酰氨基葡糖苷酶等)活性的提高而增加[42-43]。而随着凋落物的分解，木质素和难溶性单宁等的浓度增加，且主要参与上述物质降解的类群(如白腐真菌)以及相关酶(如漆酶、过氧化物酶和酚氧化酶等)活性在凋落物分解中的重要性大幅提高[44-45]，导致氮与上述物质的结合以及氮对分解者和酶的抑制而产生的抑制分解效应主要出现在试验中后期。值得注意的是，氮沉降对养分释放的抑制现象并非全部出现在低林龄林地凋落物中。特别是对于C和P释放而言，氮沉降显著或极显著抑制林龄33和43 a林地凋落物的C释放，极显著抑制林龄43 a林地凋落物的P释放。其原因可能是对于低林龄林地凋落物而言，C、N和P作为形成有机物碳骨架、蛋白质、磷脂、核酸和植素等的核心元素，其释放必然在一定程度上受到凋落物组织降解程度的控制，因此，在凋落物分解受到氮沉降抑制的条件下，其释放同样受到一定的抑制。而对于高林龄林地凋落物，基质质量较高意味着其易分解组分含量较高，在分解初期其可能会迅速损失C和P，从而使微生物更倾向于在试验后期固定凋落物中的上述元素以维持生长[43]，最终表现出更低的释放率。

需要说明的是，本文仅考虑了刺槐人工林林龄增加过程中，林地凋落物化学特性改变引起的凋落物分解过程对氮沉降响应的差异。因此，采用室内模拟试验方式控制环境因子(光照、湿度、土壤动物和植物根系的入侵)的随机改变，并以接种相同土壤微生物的方式排除各自林地土壤对凋落物分解产生的“主场效应”。考虑到凋落物自身化学特性是控制凋落物分解最关键的因子之一，能够在跨生态系统或气候区尺度上解释凋落物分解速率变异的主要来源[46]。因此，排除其他因子对凋落物分解的影响具有一定的可行性，不影响本研究的科学意义。当然，建议在后续研究中进行原位模拟试验，在更接近真实分解环境下加深对本文科学问题的研究。